引射混合式低壓加熱器結構及性能研究

摘 要

摘要：介紹了引射混合式低壓加熱器的工作原理、結構，探討了關鍵結構參數(shù)的設計計算方法。建立了試驗系統(tǒng)，對截面比、凝結水進口壓力對引射混合式低壓加熱器引射能力、加熱性能的
摘要：介紹了引射混合式低壓加熱器的工作原理、結構，探討了關鍵結構參數(shù)的設計計算方法。建立了試驗系統(tǒng)，對截面比、凝結水進口壓力對引射混合式低壓加熱器引射能力、加熱性能的影響進行了分析。引射混合式低壓加熱器出水溫度受截面比影響較大，合理調整截面比后出水溫度可達到110℃，可代替火電廠間壁管殼式低壓加熱器，解決高壓蒸汽含銅的問題。
關鍵詞：引射混合式低壓加熱器；引射能力；加熱性能；截面比
Abstract：The operating principle and structure of injection-mixing low-pressure heater are introduced，and the design and calculation methods of key structure parameters are discussed. The test system is established，and the influences of cross-section ratio and inlet pressure of condensate on the injection ability and heating performance of injection-mixing low-pressure heater are analyzed. The outlet water temperature of the heater is influenced greatly by cross-section ratio，and can reach 110℃ after reasonably adjusting the cross-section ratio. This heater can replace dividing wall type shell-and-tube low-pressure heater used in thermal power plant to solve the problem of containing copper in high-pressure steam.
Key words：injection-mixing low-Pressure heater；injection ability；heating performance；cross-section ratio
1概述
    在現(xiàn)代大型火力發(fā)電廠中，為提高朗肯循環(huán)的效率，通常采用7～8級回熱[1]，其中一級混合式加熱器為除氧器提供除氧熱源，其余各級回熱均通過多級間壁管殼式低壓加熱器實現(xiàn)換熱。但使用這樣的加熱器有很多不利的因素：換熱管中的銅通過凝結水進入高壓蒸汽，導致汽輪機效率降低；傳熱系數(shù)低；使整個電站系統(tǒng)更加復雜，增加了設備造價和運行費用；抽汽與給水間存在換熱溫差，產生不可逆損失，使循環(huán)效率降低[2]。
    引射混合式低壓加熱器實際上是射水抽汽式引射器，以替代發(fā)電廠目前使用的多級間壁管殼式低壓加熱器。利用壓力較高的凝結水從工作噴嘴中噴出后，在吸入室內形成負壓，進而抽引蒸汽并在混合室內進行熱量、動量與質量交換。引射混合式低壓加熱器利用工作流體射流的紊動擴散作用，使不同的兩股流體相互混合并引發(fā)能量交換，在高溫熱源向低溫熱源放熱的過程中產生機械能。引射混合式低壓加熱器具有換熱效率高、體積小、造價低、啟動快、安全可靠、易維護等特點。
   引射混合式低壓加熱器可分為中心進汽-環(huán)周進水、環(huán)周進汽-中心進水兩種形式[3]，后者與前者相比，具有更好的混合加熱效果，由于存在凝結激波，在加熱的同時還具有升壓作用。被廣泛應用于電力、石化、冶金、輕工、國防、科研等領域的工業(yè)生產系統(tǒng)，如電廠鍋爐房供水、電廠低壓加熱、真空除氧、低壓蒸汽回收、廢棄排汽回收等，也適用于安全性要求高的核工業(yè)領域[4～7]。本文對環(huán)周進汽-中心進水形式引射混合式低壓加熱器的結構性能進行研究。
2 基本構造和工作原理
引射混合式低壓加熱器是直接接觸式的汽水換熱器，采用蒸汽作為熱源加熱凝結水，蒸汽的部分焓轉化為機械能，使高溫熱水出口壓力高于凝結水進口壓力[8]。引射混合式低壓加熱器的基本構造見圖1。凝結水在工作噴嘴中進行接近絕熱降壓加速過程，將凝結水進行初步降壓加速。由吸入室引入的高速蒸汽與工作噴嘴流出的凝結水進入混合室后，高速蒸汽與低速凝結水流進行直接接觸換熱，部分蒸汽發(fā)生凝結，凝結水被加熱至飽和。汽-水的動量交換和混合，使水流加速、蒸汽減速。由于汽-水直接接觸的傳熱系數(shù)很大，一般在106W/(m2·K)數(shù)量級，因此在混合室內很快就形成了汽水平衡的高速汽水混合流體。由于汽水混合流體的聲速較單相流體的聲速低得多[4、9]，而此時汽水混合流體的速度遠大于其聲速，因此在混合室的某個截面會發(fā)生凝結激波(具體位置隨汽水參數(shù)的改變發(fā)生變化)，造成壓力的突升，到達擴散室后，由于壓力升高，汽水混合流體全部轉化成了單相流體——高溫水，此后流體在流動過程中速度進一步降低，壓力進一步升高。
 

圖中d1——工作噴嘴出口直徑，mm
    d3——混合室直徑，mm
    d4——擴散室出口直徑，mm
    Lc——工作噴嘴出口距混合室入口距離，mm
    Lm——混合室長度，mm
    Le——擴散室長度，mm
3 主要結構參數(shù)
   ① 混合室截面積
混合室截面積Am的計算式為：
 
式中Am——混合室截面積，m2
    qm,m——混合流體的質量流量，kg/s
    ρm——混合流體的密度，kg/m3
    vm——混合室出口處混合流體的流速，m/s
    混合流體的質量流量為凝結水質量流量與蒸汽質量流量之和，可近似認為混合流體密度為高溫水的密度，混合室出口處混合流體的流速經(jīng)過建立數(shù)學模型及質量、動量、能量方程求得[10]。
    ② 截面比
截面比是影響引射性能的主要幾何參數(shù)，其定義式為：
 
式中m——截面比
    As——工作噴嘴出口截面積，m2
    大量試驗研究的結果表明[6]，截面比的選擇應由給定的引射混合式低壓加熱器的工作條件決定，若要獲得較好的加熱效果，應選用較大的截面比，但升壓效果不理想。筆者特選取工作噴嘴出口直徑為2、3、4、5mm，對應的截面比分別為10.56、4.69、2.64、1.69。
    ③ 工作噴嘴出口距混合室入口的距離
在工作噴嘴的出口截面上，流束具有均勻的速度場。當流束流向性質相近的介質所充滿的空間時，由于介質的湍流摻混，流束把一部分液體或氣體從這個空間帶走。從工作噴嘴出來的凝結水與被抽引的蒸汽一起形成湍流邊界層，邊界層的厚度沿流動方向漸漸增大。無論是沿著流束方向還是在流束的截面上，壓力都是一個常量，自由流束的流動就是在這樣的常壓下進行的。工作噴嘴出口距混合室入口最適宜的距離由下列條件確定：在計算引射率下，自由流束的終截面積應與混合室入口截面積相等。當引射率≤0.5時，有：
 
式中a——自由流束的試驗常數(shù)，對于彈性介質取0.07～0.09[5]
    u——引射率
    qm,s——蒸汽的質量流量，kg/s
    qm,w——凝結水的質量流量，kg/s
    ④ 混合室長度和擴散室長度
    合適的混合室長度可保證混合流體速度場的均勻。根據(jù)試驗資料，混合室長度Lm通常取6～10倍的混合室直徑，即：
    Lm=(6～10)d3    (5)
    擴散室的擴展角一般取6°～15°，擴散室長度Le的計算式為：
    Le=(6～7)(d4-d3)    (6)
4 試驗系統(tǒng)與結果分析
4.1 試驗系統(tǒng)
    試驗模擬小型火電廠裝機容量為6MW的發(fā)電機組低壓加熱器的工況，被引射蒸汽壓力為0.18～0.20MPa，試驗過程中調節(jié)凝結水入口壓力，變化范圍為0.04～0.60MPa。試驗系統(tǒng)流程見圖2，溫度、壓力采集點緊鄰引射混合式低壓加熱器進出口，確保采集結果接近實際。試驗過程中溫度、壓力采用人工記錄與模塊化數(shù)據(jù)采集兩種方式。
 

    試驗中選取對引射混合式低壓加熱器性能影響顯著的工作噴嘴出口直徑d1和混合室直徑d3作為主要特征參數(shù)，以不同截面比m安排試驗，截面比m取10.56、4.69、2.64、1.69時，對應的d1分別為2、3、4、5mm，引射混合式低壓加熱器結構參數(shù)見表1。試驗分別測試無蒸汽時引射混合式低壓加熱器的引射能力以及有蒸汽時的加熱性能。
表1 引射混合式低壓加熱器結構參數(shù)
m
d1/mm
d3/mm
Lm/mm
Lc/mm
Le/mm
10.56
2
6.5
40
11
20
4.69
3
2.64
4
1.69
5
4.2 引射能力試驗
    引射能力指引射混合式低壓加熱器對被引射蒸汽引射作用的強弱，吸入室負壓決定引射混合式低壓加熱器對蒸汽的引射能力，測試在不打開蒸汽閥門的條件下進行。不同截面比下凝結水入口壓力對吸入室負壓的影響見圖3。由圖3可知，吸入室負壓與凝結水入口壓力、截面比的關系密切。隨著凝結水入口壓力的增大，吸入室負壓在不斷增大。截面比m=4.69、凝結水入口壓力為0.55MPa時，吸入室負壓可達到0.065MPa。由試驗數(shù)據(jù)可知，吸入室負壓能夠有效消除凝結水沿汽輪機抽氣管道回流的壓力，伴隨著運行工況的變化，吸入室負壓也會隨之改變，但是負壓一直存在，并對凝結水回流產生抑制作用，避免汽輪機發(fā)生事故。
 

    不同截面比下凝結水入口壓力對凝結水流量的影響見圖4。由圖4可知，截面比對凝結水流量的影響非常明顯，凝結水入口壓力一定時，隨著截面比的變小，凝結水流量變大。由此可知，在相同凝結水入口壓力下，工作噴嘴出口直徑的變化對工作噴嘴內阻影響很大，使得凝結水流量發(fā)生變化。凝結水的流量過大，必然對蒸汽進入混合室造成影響，因此引射能力試驗可為分析后續(xù)的加熱性能試驗做好準備，對于獲得理想的加熱效果具有重要意義。
 

4.3 加熱性能試驗
加熱性能試驗模擬火力發(fā)電廠低壓加熱系統(tǒng)的工況，吸入室入口蒸汽壓力保持為0.18MPa，調整凝結水入口壓力，待工況穩(wěn)定后記錄各種參數(shù)。加熱性能試驗主要測量不同凝結水入口壓力下的引射蒸汽量、高溫水出口溫度。
不同截面比下凝結水入口壓力對引射蒸汽量的影響見圖5。由圖5可知，相同凝結水入口壓力， 不同截面比的引射混合式低壓加熱器引射蒸汽量不同，這是由于截面比的改變引起凝結水流量的變化。截面比小的，工作噴嘴出口直徑大，凝結水流量也大，產生的負壓及引射蒸汽量也大。
 

   不同截面比下凝結水入口壓力對高溫水出口溫度的影響見圖6。高溫水出口溫度取決于引射蒸汽量和凝結水流量，是考察引射混合式低壓加熱器加熱性能的重要指標之一。由圖6可知，隨著截面比的改變，高溫水出口溫度變化較大。當截面比m=1.69時，高溫水出口溫度比其他3組試驗值低。由圖4、5可知，在4組試驗數(shù)據(jù)中，截面比m=1.69時的凝結水流量最大、引射蒸汽量最高，但增大的引射蒸汽量不足以抵消凝結水流量增大的影響，因此高溫水出口溫度最低。高溫水出口溫度最高的是截面比m=10.56的引射混合式低壓加熱器，高溫水出口溫度可達110℃。由此可知，對于引射混合式低壓加熱器性能的考察要全面，不能只關注引射蒸汽量，應綜合考察其加熱性能，選擇合適的截面比，這樣才能獲得較高溫度的高溫水。
 

5 結論
    ① 引射混合式低壓加熱器的吸入室負壓在試驗壓力范圍內隨凝結水入口壓力增大而變大，凝結水流量也隨凝結水入口壓力的增大而變大。
    ② 相同凝結水入口壓力下，不同截面比的引射混合式低壓加熱器引射蒸汽量不同。截面比小的，工作噴嘴出口直徑大，凝結水流量也大，產生的負壓及引射蒸汽量也大。
    ③ 高溫水出口溫度主要受引射蒸汽量及凝結水流量影響，雖然截面比小的引射混合式低壓加熱器引射蒸汽量較大，但是凝結水流量也相應增大，因此應綜合考慮兩者的影響。
    ④ 引射混合式低壓加熱器具有良好的加熱特性，優(yōu)于間壁管殼式低壓加熱器，且能夠解決高壓蒸汽含銅的問題，具有很好的應用前景。
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(本文作者：張強 童明偉 劉彬 重慶大學動力工程學院 重慶 400030)