引射混合式低压加热器结构及性能研究

摘 要

摘要:介绍了引射混合式低压加热器的工作原理、结构,探讨了关键结构参数的设计计算方法。建立了试验系统,对截面比、凝结水进口压力对引射混合式低压加热器引射能力、加热性能的

摘要:介绍了引射混合式低压加热器的工作原理、结构,探讨了关键结构参数的设计计算方法。建立了试验系统,对截面比、凝结水进口压力对引射混合式低压加热器引射能力、加热性能的影响进行了分析。引射混合式低压加热器出水温度受截面比影响较大,合理调整截面比后出水温度可达到110℃,可代替火电厂间壁管壳式低压加热器,解决高压蒸汽含铜的问题。
关键词:引射混合式低压加热器;引射能力;加热性能;截面比
AbstractThe 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 wordsinjection-mixing low-Pressure heater;injection ability;heating performance;cross-section ratio
1概述
    在现代大型火力发电厂中,为提高朗肯循环的效率,通常采用7~8级回热[1],其中一级混合式加热器为除氧器提供除氧热源,其余各级回热均通过多级间壁管壳式低压加热器实现换热。但使用这样的加热器有很多不利的因素:换热管中的铜通过凝结水进入高压蒸汽,导致汽轮机效率降低;传热系数低;使整个电站系统更加复杂,增加了设备造价和运行费用;抽汽与给水间存在换热温差,产生不可逆损失,使循环效率降低[2]
    引射混合式低压加热器实际上是射水抽汽式引射器,以替代发电厂目前使用的多级间壁管壳式低压加热器。利用压力较高的凝结水从工作喷嘴中喷出后,在吸入室内形成负压,进而抽引蒸汽并在混合室内进行热量、动量与质量交换。引射混合式低压加热器利用工作流体射流的紊动扩散作用,使不同的两股流体相互混合并引发能量交换,在高温热源向低温热源放热的过程中产生机械能。引射混合式低压加热器具有换热效率高、体积小、造价低、启动快、安全可靠、易维护等特点。
   引射混合式低压加热器可分为中心进汽-环周进水、环周进汽-中心进水两种形式[3],后者与前者相比,具有更好的混合加热效果,由于存在凝结激波,在加热的同时还具有升压作用。被广泛应用于电力、石化、冶金、轻工、国防、科研等领域的工业生产系统,如电厂锅炉房供水、电厂低压加热、真空除氧、低压蒸汽回收、废弃排汽回收等,也适用于安全性要求高的核工业领域[4~7]。本文对环周进汽-中心进水形式引射混合式低压加热器的结构性能进行研究。
2 基本构造和工作原理
引射混合式低压加热器是直接接触式的汽水换热器,采用蒸汽作为热源加热凝结水,蒸汽的部分焓转化为机械能,使高温热水出口压力高于凝结水进口压力[8]。引射混合式低压加热器的基本构造见图1。凝结水在工作喷嘴中进行接近绝热降压加速过程,将凝结水进行初步降压加速。由吸入室引入的高速蒸汽与工作喷嘴流出的凝结水进入混合室后,高速蒸汽与低速凝结水流进行直接接触换热,部分蒸汽发生凝结,凝结水被加热至饱和。汽-水的动量交换和混合,使水流加速、蒸汽减速。由于汽-水直接接触的传热系数很大,一般在106W/(m2·K)数量级,因此在混合室内很快就形成了汽水平衡的高速汽水混合流体。由于汽水混合流体的声速较单相流体的声速低得多[4、9],而此时汽水混合流体的速度远大于其声速,因此在混合室的某个截面会发生凝结激波(具体位置随汽水参数的改变发生变化),造成压力的突升,到达扩散室后,由于压力升高,汽水混合流体全部转化成了单相流体——高温水,此后流体在流动过程中速度进一步降低,压力进一步升高。
 

图中d1——工作喷嘴出口直径,mm
    d3——混合室直径,mm
    d4——扩散室出口直径,mm
    Lc——工作喷嘴出口距混合室入口距离,mm
    Lm——混合室长度,mm
    Le——扩散室长度,mm
3 主要结构参数
   ① 混合室截面积
混合室截面积Am的计算式为:
 
式中Am——混合室截面积,m2
    qm,m——混合流体的质量流量,kg/s
    ρm——混合流体的密度,kg/m3
    vm——混合室出口处混合流体的流速,m/s
    混合流体的质量流量为凝结水质量流量与蒸汽质量流量之和,可近似认为混合流体密度为高温水的密度,混合室出口处混合流体的流速经过建立数学模型及质量、动量、能量方程求得[10]
    ② 截面比
截面比是影响引射性能的主要几何参数,其定义式为:
 
式中m——截面比
    As——工作喷嘴出口截面积,m2
    大量试验研究的结果表明[6],截面比的选择应由给定的引射混合式低压加热器的工作条件决定,若要获得较好的加热效果,应选用较大的截面比,但升压效果不理想。笔者特选取工作喷嘴出口直径为2、3、4、5mm,对应的截面比分别为10.56、4.69、2.64、1.69。
    ③ 工作喷嘴出口距混合室入口的距离
在工作喷嘴的出口截面上,流束具有均匀的速度场。当流束流向性质相近的介质所充满的空间时,由于介质的湍流掺混,流束把一部分液体或气体从这个空间带走。从工作喷嘴出来的凝结水与被抽引的蒸汽一起形成湍流边界层,边界层的厚度沿流动方向渐渐增大。无论是沿着流束方向还是在流束的截面上,压力都是一个常量,自由流束的流动就是在这样的常压下进行的。工作喷嘴出口距混合室入口最适宜的距离由下列条件确定:在计算引射率下,自由流束的终截面积应与混合室入口截面积相等。当引射率≤0.5时,有:
 
式中a——自由流束的试验常数,对于弹性介质取0.07~0.09[5]
    u——引射率
    qm,s——蒸汽的质量流量,kg/s
    qm,w——凝结水的质量流量,kg/s
    ④ 混合室长度和扩散室长度
    合适的混合室长度可保证混合流体速度场的均匀。根据试验资料,混合室长度Lm通常取6~10倍的混合室直径,即:
    Lm=(6~10)d3    (5)
    扩散室的扩展角一般取6°~15°,扩散室长度Le的计算式为:
    Le=(6~7)(d4-d3)    (6)
4 试验系统与结果分析
4.1 试验系统
    试验模拟小型火电厂装机容量为6MW的发电机组低压加热器的工况,被引射蒸汽压力为0.18~0.20MPa,试验过程中调节凝结水入口压力,变化范围为0.04~0.60MPa。试验系统流程见图2,温度、压力采集点紧邻引射混合式低压加热器进出口,确保采集结果接近实际。试验过程中温度、压力采用人工记录与模块化数据采集两种方式。
 

    试验中选取对引射混合式低压加热器性能影响显著的工作喷嘴出口直径d1和混合室直径d3作为主要特征参数,以不同截面比m安排试验,截面比m取10.56、4.69、2.64、1.69时,对应的d1分别为2、3、4、5mm,引射混合式低压加热器结构参数见表1。试验分别测试无蒸汽时引射混合式低压加热器的引射能力以及有蒸汽时的加热性能。
表1 引射混合式低压加热器结构参数
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 引射能力试验
    引射能力指引射混合式低压加热器对被引射蒸汽引射作用的强弱,吸入室负压决定引射混合式低压加热器对蒸汽的引射能力,测试在不打开蒸汽阀门的条件下进行。不同截面比下凝结水入口压力对吸入室负压的影响见图3。由图3可知,吸入室负压与凝结水入口压力、截面比的关系密切。随着凝结水入口压力的增大,吸入室负压在不断增大。截面比m=4.69、凝结水入口压力为0.55MPa时,吸入室负压可达到0.065MPa。由试验数据可知,吸入室负压能够有效消除凝结水沿汽轮机抽气管道回流的压力,伴随着运行工况的变化,吸入室负压也会随之改变,但是负压一直存在,并对凝结水回流产生抑制作用,避免汽轮机发生事故。
 

    不同截面比下凝结水入口压力对凝结水流量的影响见图4。由图4可知,截面比对凝结水流量的影响非常明显,凝结水入口压力一定时,随着截面比的变小,凝结水流量变大。由此可知,在相同凝结水入口压力下,工作喷嘴出口直径的变化对工作喷嘴内阻影响很大,使得凝结水流量发生变化。凝结水的流量过大,必然对蒸汽进入混合室造成影响,因此引射能力试验可为分析后续的加热性能试验做好准备,对于获得理想的加热效果具有重要意义。
 

4.3 加热性能试验
加热性能试验模拟火力发电厂低压加热系统的工况,吸入室入口蒸汽压力保持为0.18MPa,调整凝结水入口压力,待工况稳定后记录各种参数。加热性能试验主要测量不同凝结水入口压力下的引射蒸汽量、高温水出口温度。
不同截面比下凝结水入口压力对引射蒸汽量的影响见图5。由图5可知,相同凝结水入口压力, 不同截面比的引射混合式低压加热器引射蒸汽量不同,这是由于截面比的改变引起凝结水流量的变化。截面比小的,工作喷嘴出口直径大,凝结水流量也大,产生的负压及引射蒸汽量也大。
 

   不同截面比下凝结水入口压力对高温水出口温度的影响见图6。高温水出口温度取决于引射蒸汽量和凝结水流量,是考察引射混合式低压加热器加热性能的重要指标之一。由图6可知,随着截面比的改变,高温水出口温度变化较大。当截面比m=1.69时,高温水出口温度比其他3组试验值低。由图4、5可知,在4组试验数据中,截面比m=1.69时的凝结水流量最大、引射蒸汽量最高,但增大的引射蒸汽量不足以抵消凝结水流量增大的影响,因此高温水出口温度最低。高温水出口温度最高的是截面比m=10.56的引射混合式低压加热器,高温水出口温度可达110℃。由此可知,对于引射混合式低压加热器性能的考察要全面,不能只关注引射蒸汽量,应综合考察其加热性能,选择合适的截面比,这样才能获得较高温度的高温水。
 

5 结论
    ① 引射混合式低压加热器的吸入室负压在试验压力范围内随凝结水入口压力增大而变大,凝结水流量也随凝结水入口压力的增大而变大。
    ② 相同凝结水入口压力下,不同截面比的引射混合式低压加热器引射蒸汽量不同。截面比小的,工作喷嘴出口直径大,凝结水流量也大,产生的负压及引射蒸汽量也大。
    ③ 高温水出口温度主要受引射蒸汽量及凝结水流量影响,虽然截面比小的引射混合式低压加热器引射蒸汽量较大,但是凝结水流量也相应增大,因此应综合考虑两者的影响。
    ④ 引射混合式低压加热器具有良好的加热特性,优于间壁管壳式低压加热器,且能够解决高压蒸汽含铜的问题,具有很好的应用前景。
参考文献:
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[3] 刘继平,严俊杰,陈国强,等.环周进汽两相流喷射升压过程实验研究[J].工程热物理学报,2004,(1):63-66.
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[10] 邱春花,王蓉,付文锋.射水式喷射加热器结构设计计算与分析[J].华北电力大学学报,2007,(1):63-66.
 
(本文作者:张强 童明伟 刘彬 重庆大学动力工程学院 重庆 400030)