汽輪機(jī)冷凝器射水抽氣器技術(shù)改造措施說明        汽輪機(jī)冷凝器射水抽氣器技術(shù)改造措施說明，針對(duì)某汽輪機(jī)組冷凝器射水抽氣器抽吸能力不足導(dǎo)致冷凝器真空無法維持的問題，分析導(dǎo)致該問題發(fā)生的射水抽氣器的流場(chǎng)。

在此基礎(chǔ)上，提出改變混合段長(zhǎng)度等改進(jìn)措施，并采用數(shù)值計(jì)算方法對(duì)這些措施的遙遙進(jìn)行驗(yàn)證。

研究結(jié)果表明，采取增加工作蒸汽高度、增加工作蒸汽流量和采用摻混孔結(jié)構(gòu)等措施，能改善射水抽氣器的抽吸能力。

      冷凝器射水抽氣器用于抽吸泄露進(jìn)入冷凝器內(nèi)部的空氣和一部分乏汽，使冷凝器內(nèi)部能保持一定的真空度，進(jìn)而維持汽輪機(jī)的輸出功率。

當(dāng)冷凝器射水抽氣器無法提供足夠的抽吸量時(shí)，冷凝器將無法維持足夠的真空度，汽輪機(jī)整體的輸出功率將無法達(dá)到額定值，且會(huì)隨背壓的變化產(chǎn)生一定的波動(dòng)，汽輪機(jī)輸出功率大大下降。

      因此，冷凝器射水抽氣器對(duì)于保障汽輪機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行，尤其是在滿負(fù)載工況下的穩(wěn)定運(yùn)行而言，具有十分重要的作用。

      射水抽氣器主要由射水抽氣器和蒸汽冷卻器2部分組成，其中射水抽氣器主要由工作蒸汽噴管和引射噴嘴組成。

射水抽氣器的作用是通過噴管射入工作蒸汽，帶動(dòng)被抽吸的介質(zhì)進(jìn)入引射噴嘴；隨后，混合氣體經(jīng)過引射管進(jìn)入冷卻器進(jìn)行冷凝。

射水抽氣器的抽吸遙遙直接決定了抽氣量和工作蒸汽的遙遙量，對(duì)提升射水抽氣器的工作能力具有十分重要的作用。

      以往在設(shè)計(jì)射水抽氣器時(shí)，研究人員采用了多種方法增強(qiáng)射器射水抽氣器的抽吸能力。

      對(duì)某型汽輪機(jī)的冷凝器射水抽氣器無法達(dá)到設(shè)計(jì)抽吸量的問題進(jìn)行分析，采用多種手段對(duì)射水抽氣器結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，并對(duì)改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。

1問題描述和數(shù)值模擬方法      針對(duì)某型汽輪機(jī)射水抽氣器的抽吸能力不足的情況，建立射水抽氣器的計(jì)算模型，并在對(duì)原模型進(jìn)行數(shù)值模擬和分析的基礎(chǔ)上，通過改變工作蒸汽噴管高度和噴管表面開孔等方法，增強(qiáng)射水抽氣器的抽吸能力。

原射水抽氣器計(jì)算模型見圖1。

圖1原射水抽氣器計(jì)算模型      圖1給出了工作蒸汽噴管、引射噴管和抽氣口入口之間的相對(duì)位置，其中工作蒸汽噴管位于引射噴管上方，工作蒸汽從工作蒸汽噴管內(nèi)流出之后，帶動(dòng)抽吸氣體通過引射噴管進(jìn)入冷凝器。

      該模型共有2個(gè)入口，即工作蒸汽入口和冷凝器抽氣口入口，其中工作蒸汽入口由閥門控制質(zhì)量流量，因此在邊界條件中設(shè)置為質(zhì)量流量入口；冷凝器抽氣口入口與冷凝器相連，冷凝器抽氣口與冷凝器內(nèi)部空氣冷卻區(qū)相連，該部分壓力相對(duì)穩(wěn)定，因此設(shè)置為壓力入口。

引射噴管出口與射水抽氣器冷卻器相連，其壓力也基本固定，因此設(shè)置為壓力出口。

原射水抽氣器計(jì)算模型各出入口基本參數(shù)見表1。

      為簡(jiǎn)化計(jì)算，該計(jì)算模型采用蒸汽作為工作介質(zhì)。

圖2為計(jì)算網(wǎng)格示意圖，其中工作蒸汽入口和冷凝器射水抽氣器入口均采用蝶形網(wǎng)格。

計(jì)算網(wǎng)格在工作蒸汽噴管和引射噴管均采用加密網(wǎng)格，并保持一層網(wǎng)格厚度y+的大小在2以下。

網(wǎng)格尺寸以1.1的增大因子逐漸增加。

網(wǎng)格中大縱橫比保持在1000以下。

表1原射水抽氣器計(jì)算模型各出入口基本參數(shù)參數(shù) 數(shù)值工作蒸汽入口質(zhì)量流量(kgs) 0.040工作蒸汽入口溫度℃ 200.000冷凝器射水抽氣器入口壓力MPa 0.095冷凝器射水抽氣器入口溫度℃ 60.000引射噴管出口壓力MPa 0.090圖2計(jì)算網(wǎng)格示意圖      對(duì)原射水抽氣器結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬，計(jì)算得到的冷凝器射水抽氣器入口的抽氣量為0.0235kgs。

原射水抽氣器工作蒸汽計(jì)算經(jīng)過流量計(jì)的測(cè)量值為0.0228kgs。

計(jì)算值與試驗(yàn)值相差2.98%。

模擬結(jié)果具有一定的可信度。

2原射水抽氣器結(jié)構(gòu)模擬分析      圖3為原射水抽氣器工作蒸汽噴管的壓力梯度圖和速度云圖。

(a)壓力梯度圖(b)速度云圖圖3原射水抽氣器工作蒸汽噴管的壓力梯度圖和速度云圖      從圖3可看出，工作蒸汽噴出的氣體呈現(xiàn)出一個(gè)較小角度的射流錐結(jié)構(gòu)。

汽流在進(jìn)入引射噴管收縮段時(shí)與其中部接觸，由工作汽流和抽吸氣流組成的混合汽流在收縮段內(nèi)的流動(dòng)路程縮短，引射管收縮段未得到充分利用。

因此，射水抽氣器的抽吸量較小。

      針對(duì)射水抽氣器的抽氣量較小的問題，嘗試采用改變射水抽氣器的安裝高度、改變工作蒸汽的質(zhì)量流量和對(duì)噴嘴進(jìn)行改型設(shè)計(jì)的方法進(jìn)行優(yōu)化。

3射水抽氣器安裝高度對(duì)抽氣量的影響      先嘗試改變射水抽氣器安裝高度，以研究射水抽氣器安裝高度對(duì)射水抽氣器抽吸量的影響。

在原射水抽氣器模型上，使其噴管高度分別下降5mm、上升5mm和上升10mm之后形成新的數(shù)值模擬模型。

改型后的噴管高度模型見圖4。

      抬升工作蒸汽噴管的高度能對(duì)提升射器射水抽氣器的抽吸能力起到一定的作用。

噴管高度變化時(shí)冷凝器射水抽氣器抽氣量的變化情況見圖5，其中橫坐標(biāo)中負(fù)數(shù)值為工作噴管下降，正數(shù)值為工作噴管上升；縱坐標(biāo)為冷凝器射水抽氣器入口的質(zhì)量流量數(shù)值。

從圖5可看出，隨著噴管高度的增加，冷凝器射水抽氣器入口的質(zhì)量流量逐漸增加，但增加的數(shù)值隨著工作噴管的上升逐漸減小。

圖5噴管高度變化時(shí)冷凝器射水抽氣器抽氣量的變化情況圖6為噴管高度變化時(shí)噴管出口位置速度云圖。

      從圖6可看出當(dāng)噴管高度時(shí)，工作蒸汽能在噴管出口產(chǎn)生較大的高速區(qū)；噴管抬升之后，工作蒸汽在噴管出口有較長(zhǎng)的距離與抽氣口介質(zhì)混合，能較地與抽氣口抽吸的介質(zhì)進(jìn)行更充分的混合，混合后的汽流與引射噴管收縮段上部接觸，能充分利用收縮段進(jìn)行加速減壓，使射水抽氣器的抽吸能力得到提升；工作蒸汽噴管的高度下降之后，工作蒸汽接觸引射噴管的位置下降，引射噴管收縮段的遙遙范圍相比原模型進(jìn)一步減小，抽吸器的抽吸能力下降。

4射水抽氣器質(zhì)量流量對(duì)于抽氣量的影響      嘗試改變射水抽氣器工作蒸汽流量，分析流量對(duì)射水抽氣器引射量的影響。

圖7為射水抽氣器質(zhì)量流量變化時(shí)抽氣量和引射系數(shù)的變化情況，其中橫坐標(biāo)為工作蒸汽的質(zhì)量流量；右側(cè)縱坐標(biāo)為冷凝器射水抽氣器入口質(zhì)量流量；左側(cè)縱坐標(biāo)為引射系數(shù)u。

引射系數(shù)的計(jì)算公式為m抽氣量u=m質(zhì)量流量      圖7射水抽氣器質(zhì)量流量變化時(shí)抽氣量和引射系數(shù)的變化情況從圖7可看出隨著工作蒸汽質(zhì)量流量的增加，冷凝器射水抽氣器入口質(zhì)量增加；冷凝器射水抽氣器入口質(zhì)量的增加隨著質(zhì)量流量的增加而逐漸減少；引射系數(shù)在入口質(zhì)量流量增加到0.06kgs之后產(chǎn)生較為遙遙的下降趨勢(shì)，持續(xù)增加質(zhì)量流量無法使抽吸能力保持同步的增長(zhǎng)速度。

      圖8為各質(zhì)量流量下的壓力梯度云圖與流線分布，標(biāo)識(shí)出了遙遙限流線，即流線匯聚區(qū)域所在位置。

遙遙限流線所在位置是工作蒸汽與抽吸介質(zhì)發(fā)生接觸（即摻混）的主要區(qū)域。

從圖8可看出工作蒸汽入口質(zhì)量流量從0.04kgs增加到0.05kgs之后，射水抽氣器的抽氣能力遙遙提升；當(dāng)質(zhì)量流量從0.04kgs增加為0.05kgs后，遙遙限流線所夾的角度有一定的增大，該角度增大有利于工作蒸汽與抽吸介質(zhì)之間產(chǎn)生更的摻混作用，工作噴管出口的壓力梯度高值區(qū)的面積增大也說明了該現(xiàn)象；隨著工作蒸汽質(zhì)量流量進(jìn)一步增加，工作蒸汽流體的剛度增強(qiáng)，工作蒸汽出口角減小，工作蒸汽抽吸能力的增加得到抑制，這導(dǎo)致引射系數(shù)減小。

(a)質(zhì)量流量為0.05kg(b)質(zhì)量流量為0.06kg圖8各質(zhì)量流量下的壓力梯度云圖與流線分布      綜上所述，工作蒸汽質(zhì)量流量的增加能對(duì)提升射水抽氣器的抽吸能力起到一定的作用，但過大的質(zhì)量流量對(duì)射水抽氣器抽吸能力的提升遙遙并不遙遙。

5噴管表面開孔對(duì)抽氣量的影響      改變射水抽氣器工作蒸汽噴管的高度和增加工作蒸汽遙遙量均是常規(guī)的用于提升射水抽氣器抽吸能力的方法，其共同點(diǎn)在于充分利用引射噴管收縮段，用以增加工作蒸汽與抽吸介質(zhì)之間的摻混。

在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試過程中，若抽吸能力仍無法達(dá)到要求，則需采用新結(jié)構(gòu)對(duì)抽吸能力進(jìn)行增強(qiáng)。

下面嘗試通過在工作噴管表面開孔增強(qiáng)射水抽氣器的抽吸能力。

      開孔噴管模型結(jié)構(gòu)示意見圖9。

在原模型的工作蒸汽出口上方15mm位置處沿水平方向做出直徑為5mm的摻混孔，周向上共設(shè)有4個(gè)。

孔內(nèi)部網(wǎng)格均遙遙蝶形網(wǎng)格，采用流流耦合面與原噴管壁相連。

      圖10為遙遙摻混孔模型的速度云圖和流線圖。

對(duì)比圖10和圖3(b)可知，采用開孔噴管結(jié)構(gòu)之后，抽吸介質(zhì)能通過摻混孔結(jié)構(gòu)進(jìn)入工作噴管。

工作蒸汽噴管內(nèi)的流動(dòng)速度較大，壓力較小，外部混合汽流壓力將被抽吸氣體壓入噴管內(nèi)，與工作蒸汽混合之后，一起進(jìn)入引射管收縮段。

摻混孔的存在使得工作蒸汽與抽吸介質(zhì)的摻混更為劇烈。

采用該摻混孔結(jié)構(gòu)之后，射水抽氣器的抽吸量由0.0235kgs增加為0.0261kgs，抽吸能力增強(qiáng)11%。

I=15mm圖9開孔噴管模型結(jié)構(gòu)示意圖圖10遙遙摻混孔模型的速度云圖和流線圖      綜上所述，在工作蒸汽上采用摻混孔結(jié)構(gòu)能對(duì)射水抽氣器抽吸能力起到一定的改善作用。

      針對(duì)某汽輪機(jī)冷凝器射水抽氣器抽吸能力不足的問題，采用多種方法對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改型，采用數(shù)值模擬的方法對(duì)改型模型進(jìn)行了模擬，并對(duì)各方法進(jìn)行了分析，主要得到以下結(jié)論      1）抬高工作蒸汽遙遙噴管能增強(qiáng)射水抽氣器的抽吸能力，工作蒸汽噴管抬高10mm之后，射水抽氣器的抽吸能力增強(qiáng)了18%。

      2）工作蒸汽質(zhì)量流量的增加能對(duì)提升射水抽氣器的抽吸能力起到一定的作用，但過大的質(zhì)量流量對(duì)射水抽氣器抽吸能力的提升遙遙并不遙遙。

      3）在工作蒸汽上采用摻混孔結(jié)構(gòu)能使射水抽氣器的抽吸能力提升11%。

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