汽輪機冷凝器射水抽氣器改造措施說明

汽輪機冷凝器射水抽氣器技術改造措施說明        汽輪機冷凝器射水抽氣器技術改造措施說明，針對某汽輪機組冷凝器射水抽氣器抽吸能力不足導致冷凝器真空無法維持的問題，分析導致該問題發生的射水抽氣器的流場。

在此基礎上，提出改變混合段長度等改進措施，并采用數值計算方法對這些措施的遙遙進行驗證。

研究結果表明，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構等措施，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入冷凝器內部的空氣和一部分乏汽，使冷凝器內部能保持一定的真空度，進而維持汽輪機的輸出功率。

當冷凝器射水抽氣器無法提供足夠的抽吸量時，冷凝器將無法維持足夠的真空度，汽輪機整體的輸出功率將無法達到額定值，且會隨背壓的變化產生一定的波動，汽輪機輸出功率大大下降。

      因此，冷凝器射水抽氣器對于保障汽輪機的穩定運行，尤其是在滿負載工況下的穩定運行而言，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，帶動被抽吸的介質進入引射噴嘴；隨后，混合氣體經過引射管進入冷卻器進行冷凝。

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。

      以往在設計射水抽氣器時，研究人員采用了多種方法增強射器射水抽氣器的抽吸能力。

      對某型汽輪機的冷凝器射水抽氣器無法達到設計抽吸量的問題進行分析，采用多種手段對射水抽氣器結構進行改進，并對改進后的結構進行分析。

1問題描述和數值模擬方法      針對某型汽輪機射水抽氣器的抽吸能力不足的情況，建立射水抽氣器的計算模型，并在對原模型進行數值模擬和分析的基礎上，通過改變工作蒸汽噴管高度和噴管表面開孔等方法，增強射水抽氣器的抽吸能力。

原射水抽氣器計算模型見圖1。

圖1原射水抽氣器計算模型      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流出之后，帶動抽吸氣體通過引射噴管進入冷凝器。

      該模型共有2個入口，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量流量，因此在邊界條件中設置為質量流量入口；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部空氣冷卻區相連，該部分壓力相對穩定，因此設置為壓力入口。

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，因此設置為壓力出口。

原射水抽氣器計算模型各出入口基本參數見表1。

      為簡化計算，該計算模型采用蒸汽作為工作介質。

圖2為計算網格示意圖，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格。

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

網格尺寸以1.1的增大因子逐漸增加。

網格中大縱橫比保持在1000以下。

表1原射水抽氣器計算模型各出入口基本參數參數 數值工作蒸汽入口質量流量(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計算網格示意圖      對原射水抽氣器結構進行模擬，計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算經過流量計的測量值為0.0228kgs。

計算值與試驗值相差2.98%。

模擬結果具有一定的可信度。

2原射水抽氣器結構模擬分析      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出一個較小角度的射流錐結構。

汽流在進入引射噴管收縮段時與其中部接觸，由工作汽流和抽吸氣流組成的混合汽流在收縮段內的流動路程縮短，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、改變工作蒸汽的質量流量和對噴嘴進行改型設計的方法進行優化。

3射水抽氣器安裝高度對抽氣量的影響      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。

噴管高度變化時冷凝器射水抽氣器抽氣量的變化情況見圖5，其中橫坐標中負數值為工作噴管下降，正數值為工作噴管上升；縱坐標為冷凝器射水抽氣器入口的質量流量數值。

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量流量逐漸增加，但增加的數值隨著工作噴管的上升逐漸減小。

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

      從圖6可看出當噴管高度時，工作蒸汽能在噴管出口產生較大的高速區；噴管抬升之后，工作蒸汽在噴管出口有較長的距離與抽氣口介質混合，能較地與抽氣口抽吸的介質進行更充分的混合，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一步減小，抽吸器的抽吸能力下降。

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

圖7為射水抽氣器質量流量變化時抽氣量和引射系數的變化情況，其中橫坐標為工作蒸汽的質量流量；右側縱坐標為冷凝器射水抽氣器入口質量流量；左側縱坐標為引射系數u。

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

      圖8為各質量流量下的壓力梯度云圖與流線分布，標識出了遙遙限流線，即流線匯聚區域所在位置。

遙遙限流線所在位置是工作蒸汽與抽吸介質發生接觸（即摻混）的主要區域。

從圖8可看出工作蒸汽入口質量流量從0.04kgs增加到0.05kgs之后，射水抽氣器的抽氣能力遙遙提升；當質量流量從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之間產生更的摻混作用，工作噴管出口的壓力梯度高值區的面積增大也說明了該現象；隨著工作蒸汽質量流量進一步增加，工作蒸汽流體的剛度增強，工作蒸汽出口角減小，工作蒸汽抽吸能力的增加得到抑制，這導致引射系數減小。

(a)質量流量為0.05kg(b)質量流量為0.06kg圖8各質量流量下的壓力梯度云圖與流線分布      綜上所述，工作蒸汽質量流量的增加能對提升射水抽氣器的抽吸能力起到一定的作用，但過大的質量流量對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的用于提升射水抽氣器抽吸能力的方法，其共同點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之間的摻混。

在現場調試過程中，若抽吸能力仍無法達到要求，則需采用新結構對抽吸能力進行增強。

下面嘗試通過在工作噴管表面開孔增強射水抽氣器的抽吸能力。

      開孔噴管模型結構示意見圖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，周向上共設有4個。

孔內部網格均遙遙蝶形網格，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。

對比圖10和圖3(b)可知，采用開孔噴管結構之后，抽吸介質能通過摻混孔結構進入工作噴管。

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

摻混孔的存在使得工作蒸汽與抽吸介質的摻混更為劇烈。

采用該摻混孔結構之后，射水抽氣器的抽吸量由0.0235kgs增加為0.0261kgs，抽吸能力增強11%。

I=15mm圖9開孔噴管模型結構示意圖圖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構能對射水抽氣器抽吸能力起到一定的改善作用。

      針對某汽輪機冷凝器射水抽氣器抽吸能力不足的問題，采用多種方法對其結構進行了改型，采用數值模擬的方法對改型模型進行了模擬，并對各方法進行了分析，主要得到以下結論      1）抬高工作蒸汽遙遙噴管能增強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了18%。

      2）工作蒸汽質量流量的增加能對提升射水抽氣器的抽吸能力起到一定的作用，但過大的質量流量對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構能使射水抽氣器的抽吸能力提升11%。

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