汽轮机冷凝器射水抽气器技术改造措施说明 

        汽轮机冷凝器射水抽气器技术改造措施说明，针对某汽轮机组冷凝器射水抽气器抽吸能力不足导致冷凝器真空无法维持的问题，分析导致该问题发生的射水抽气器的流场。在此基础上，提出改变混合段长度等改进措施，并采用数值计算方法对这些措施的有效性进行验证。研究结果表明，采取增加工作蒸汽高度、增加工作蒸汽流量和采用掺混孔结构等措施，能改善射水抽气器的抽吸能力。
       冷凝器射水抽气器用于抽吸泄漏进入冷凝器内部的空气和一部分乏汽，使冷凝器内部能保持一定的真空度，进而维持汽轮机的输出功率。当冷凝器射水抽气器无法提供足够的抽吸量时，冷凝器将无法维持足够的真空度，汽轮机整体的输出功率将无法达到额定值，且会随背压的变化产生一定的波动，汽轮机输出功率大大下降。
       因此，冷凝器射水抽气器对于保障汽轮机的稳定运行，尤其是在满负载工况下的稳定运行而言，具有十分重要的作用。
       射水抽气器主要由射水抽气器和蒸汽冷却器2部分组成，其中射水抽气器主要由工作蒸汽喷管和引射喷嘴组成。射水抽气器的作用是通过喷管射入工作蒸汽，带动被抽吸的介质进入引射喷嘴；随后，混合气体经过引射管进入冷却器进行冷凝。射水抽气器的抽吸效果直接决定了抽气量和工作蒸汽的使用量，对提升射水抽气器的工作能力具有十分重要的作用。
       以往在设计射水抽气器时，研究人员采用了多种方法增强射器射水抽气器的抽吸能力。
       对某型汽轮机的冷凝器射水抽气器无法达到设计抽吸量的问题进行分析，采用多种手段对射水抽气器结构进行改进，并对改进后的结构进行分析。
1问题描述和数值模拟方法
       针对某型汽轮机射水抽气器的抽吸能力不足的情况，建立射水抽气器的计算模型，并在对原模型进行数值模拟和分析的基础上，通过改变工作蒸汽喷管高度和喷管表面开孔等方法，增强射水抽气器的抽吸能力。原射水抽气器计算模型见图1。
图1原射水抽气器计算模型
       图1给出了工作蒸汽喷管、引射喷管和抽气口入口之间的相对位置，其中工作蒸汽喷管位于引射喷管上方，工作蒸汽从工作蒸汽喷管内流出之后，带动抽吸气体通过引射喷管进入冷凝器。
       该模型共有2个入口，即工作蒸汽入口和冷凝器抽气口入口，其中：工作蒸汽入口由阀门控制质量流量，因此在边界条件中设置为质量流量入口；冷凝器抽气口入口与冷凝器相连，冷凝器抽气口与冷凝器内部空气冷却区相连，该部分压力相对稳定，因此设置为压力入口。引射喷管出口与射水抽气器冷却器相连，其压力也基本固定，因此设置为压力出口。
原射水抽气器计算模型各出入口基本参数见表1。
       为简化计算，该计算模型采用蒸汽作为工作介质。图2为计算网格示意图，其中工作蒸汽入口和冷凝器射水抽气器入口均采用蝶形网格。计算网格在工作蒸汽喷管和引射喷管均采用加密网格，并保持一层网格厚度y+的大小在2以下。网格尺寸以1.1的增大因子逐渐增加。网格中大纵横比保持在1000以下。
表1原射水抽气器计算模型各出入口基本参数
参数 数值
工作蒸汽入口质量流量/(kg/s) 0.040
工作蒸汽入口温度/℃ 200.000
冷凝器射水抽气器入口压力/MPa 0.095
冷凝器射水抽气器入口温度/℃ 60.000
引射喷管出口压力/MPa 0.090
图2计算网格示意图
       对原射水抽气器结构进行模拟，计算得到的冷凝器射水抽气器入口的抽气量为0.0235kg/s。原射水抽气器工作蒸汽计算经过流量计的测量值为0.0228kg/s。计算值与试验值相差2.98%。模拟结果具有一定的可信度。
2原射水抽气器结构模拟分析
       图3为原射水抽气器工作蒸汽喷管的压力梯度图和速度云图。
(a)压力梯度图(b)速度云图
图3原射水抽气器工作蒸汽喷管的压力梯度图和速度云图
       从图3可看出，工作蒸汽喷出的气体呈现出一个较小角度的射流锥结构。汽流在进入引射喷管收缩段时与其中部接触，由工作汽流和抽吸气流组成的混合汽流在收缩段内的流动路程缩短，引射管收缩段未得到充分利用。因此，射水抽气器的抽吸量较小。
       针对射水抽气器的抽气量较小的问题，尝试采用改变射水抽气器的安装高度、改变工作蒸汽的质量流量和对喷嘴进行改型设计的方法进行优化。
3射水抽气器安装高度对抽气量的影响
       先尝试改变射水抽气器安装高度，以研究射水抽气器安装高度对射水抽气器抽吸量的影响。
在原射水抽气器模型上，使其喷管高度分别下降5mm、上升5mm和上升10mm之后形成新的数值模拟模型。改型后的喷管高度模型见图4。
       抬升工作蒸汽喷管的高度能对提升射器射水抽气器的抽吸能力起到一定的作用。喷管高度变化时冷凝器射水抽气器抽气量的变化情况见图5，其中：横坐标中负数值为工作喷管下降，正数值为工作喷管上升；纵坐标为冷凝器射水抽气器入口的质量流量数值。从图5可看出，随着喷管高度的增加，冷凝器射水抽气器入口的质量流量逐渐增加，但增加的数值随着工作喷管的上升逐渐减小。
图5喷管高度变化时冷凝器射水抽气器抽气量的变化情况
图6为喷管高度变化时喷管出口位置速度云图。
       从图6可看出：当喷管高度较低时，工作蒸汽能在喷管出口产生较大的高速区；喷管抬升之后，工作蒸汽在喷管出口有较长的距离与抽气口介质混合，能较好地与抽气口抽吸的介质进行更充分的混合，混合后的汽流与引射喷管收缩段上部接触，能充分利用收缩段进行加速减压，使射水抽气器的抽吸能力得到提升；工作蒸汽喷管的高度下降之后，工作蒸汽接触引射喷管的位置下降，引射喷管收缩段的使用范围相比原模型进一步减小，抽吸器的抽吸能力下降。
4射水抽气器质量流量对于抽气量的影响
       尝试改变射水抽气器工作蒸汽流量，分析流量对射水抽气器引射量的影响。图7为射水抽气器质量流量变化时抽气量和引射系数的变化情况，其中：横坐标为工作蒸汽的质量流量；右侧纵坐标为冷凝器射水抽气器入口质量流量；左侧纵坐标为引射系数u。引射系数的计算公式为m抽气量u=m质量流量
       图7射水抽气器质量流量变化时抽气量和引射系数的变化情况从图7可看出：随着工作蒸汽质量流量的增加，冷凝器射水抽气器入口质量增加；冷凝器射水抽气器入口质量的增加随着质量流量的增加而逐渐减少；引射系数在入口质量流量增加到0.06kg/s之后产生较为明显的下降趋势，持续增加质量流量无法使抽吸能力保持同步的增长速度。
       图8为各质量流量下的压力梯度云图与流线分布，标识出了极限流线，即流线汇聚区域所在位置。极限流线所在位置是工作蒸汽与抽吸介质发生接触（即掺混）的主要区域。从图8可看出：工作蒸汽入口质量流量从0.04kg/s增加到0.05kg/s之后，射水抽气器的抽气能力明显提升；当质量流量从0.04kg/s增加为0.05kg/s后，极限流线所夹的角度有一定的增大，该角度增大有利于工作蒸汽与抽吸介质之间产生更有效的掺混作用，工作喷管出口的压力梯度高值区的面积增大也说明了该现象；随着工作蒸汽质量流量进一步增加，工作蒸汽流体的刚度增强，工作蒸汽出口角减小，工作蒸汽抽吸能力的增加得到抑制，这导致引射系数减小。
(a)质量流量为0.05kg
(b)质量流量为0.06kg
图8各质量流量下的压力梯度云图与流线分布
       综上所述，工作蒸汽质量流量的增加能对提升射水抽气器的抽吸能力起到一定的作用，但过大的质量流量对射水抽气器抽吸能力的提升效果并不明显。
5喷管表面开孔对抽气量的影响
       改变射水抽气器工作蒸汽喷管的高度和增加工作蒸汽使用量均是常规的用于提升射水抽气器抽吸能力的方法，其共同点在于充分利用引射喷管收缩段，用以增加工作蒸汽与抽吸介质之间的掺混。在现场调试过程中，若抽吸能力仍无法达到要求，则需采用新结构对抽吸能力进行增强。下面尝试通过在工作喷管表面开孔增强射水抽气器的抽吸能力。
       开孔喷管模型结构示意见图9。在原模型的工作蒸汽出口上方15mm位置处沿水平方向做出直径为5mm的掺混孔，周向上共设有4个。孔内部网格均使用蝶形网格，采用流流耦合面与原喷管壁相连。
       图10为使用掺混孔模型的速度云图和流线图。对比图10和图3(b)可知，采用开孔喷管结构之后，抽吸介质能通过掺混孔结构进入工作喷管。工作蒸汽喷管内的流动速度较大，压力较小，外部混合汽流压力将被抽吸气体压入喷管内，与工作蒸汽混合之后，一起进入引射管收缩段。掺混孔的存在使得工作蒸汽与抽吸介质的掺混更为剧烈。采用该掺混孔结构之后，射水抽气器的抽吸量由0.0235kg/s增加为0.0261kg/s，抽吸能力增强11%。I=15mm
图9开孔喷管模型结构示意图
图10使用掺混孔模型的速度云图和流线图
       综上所述，在工作蒸汽上采用掺混孔结构能对射水抽气器抽吸能力起到一定的改善作用。
       针对某汽轮机冷凝器射水抽气器抽吸能力不足的问题，采用多种方法对其结构进行了改型，采用数值模拟的方法对改型模型进行了模拟，并对各方法进行了分析，主要得到以下结论：
       1）抬高工作蒸汽进口喷管能增强射水抽气器的抽吸能力，工作蒸汽喷管抬高10mm之后，射水抽气器的抽吸能力增强了18%。
       2）工作蒸汽质量流量的增加能对提升射水抽气器的抽吸能力起到一定的作用，但过大的质量流量对射水抽气器抽吸能力的提升效果并不明显。
       3）在工作蒸汽上采用掺混孔结构能使射水抽气器的抽吸能力提升11%。