除氧器噴嘴冷態(tài)試驗(yàn)系統(tǒng)

楊 軍， 金家東

（1.哈爾濱鍋爐廠有限責(zé)任公司，黑龍江 哈爾濱 150046；2.江蘇核電有限公司，江蘇 連云港 222042）

0 概 述

隨著我國科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展及建設(shè)集約型社會總體發(fā)展目標(biāo)的要求，提高火電機(jī)組燃煤發(fā)電效率和建設(shè)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的核電機(jī)組，已成為電力行業(yè)發(fā)展的兩個(gè)主要方向。

在火電機(jī)組中，具有600～1 000MW等級大容量、高參數(shù)超臨界、超超臨界燃煤機(jī)組已占據(jù)了國內(nèi)大部分發(fā)電設(shè)備市場。在核電機(jī)組中，具有1 000 MW及以上等級的三代核電機(jī)組也將成為國內(nèi)發(fā)電設(shè)備市場的主流。

近年來，內(nèi)置式除氧器以其優(yōu)越的性能和較高的性價(jià)比，已被廣泛地應(yīng)用于火電及核電機(jī)組中。噴嘴是內(nèi)置式除氧器的核心部件，噴嘴性能的優(yōu)劣將直接影響除氧器設(shè)備的性能指標(biāo)。目前，在國內(nèi)電力市場上，應(yīng)用較為廣泛的噴嘴型式是彈簧噴嘴和波形盤片噴嘴。本試驗(yàn)所采用的噴嘴為彈簧噴嘴，有些噴嘴技術(shù)為國外公司所有，為了實(shí)現(xiàn)噴嘴的國產(chǎn)化生產(chǎn)，建立了噴嘴冷態(tài)試驗(yàn)系統(tǒng)。通過試驗(yàn)，可研發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的國產(chǎn)化噴嘴?，F(xiàn)對噴嘴冷態(tài)試驗(yàn)系統(tǒng)及噴嘴冷態(tài)試驗(yàn)方法做簡要介紹，希望為相關(guān)行業(yè)的技術(shù)人員提供參考。

1 冷態(tài)試驗(yàn)的目的

噴嘴是壓力式除氧設(shè)備的關(guān)鍵部件，在各種負(fù)荷下（額定出力10%～100%），噴嘴均應(yīng)具有高質(zhì)量的噴霧效果及良好的傳熱傳質(zhì)性能。噴嘴的性能將直接影響到設(shè)備的出力、出水溫度及含氧量乃至設(shè)備運(yùn)行的安全與穩(wěn)定。在研發(fā)新型噴嘴時(shí)，噴嘴應(yīng)達(dá)到幾個(gè)主要性能指標(biāo)的要求。

（1）在額定出力時(shí)，最大的阻力損失小于0.06 MPa。

（2）在最大出力時(shí)，最大的阻力損失小于0.07 MPa。

（3）在不同流量下，噴嘴應(yīng)具有良好的霧化性能，以滿足各種工況下穩(wěn)定運(yùn)行的要求。

（4）噴嘴應(yīng)具有運(yùn)行穩(wěn)定性，即經(jīng)過長時(shí)間的運(yùn)行，噴嘴性能保持良好。

2 冷態(tài)試驗(yàn)系統(tǒng)中的設(shè)備和儀表

（1）水泵

選用離心式水泵。特性數(shù)據(jù)為：水泵流量應(yīng)大于噴嘴設(shè)計(jì)流量的120%～150%，當(dāng)噴嘴流量達(dá)到理論計(jì)算值后，噴嘴出力還可能有提高空間，所以，選用較大流量的水泵，以便驗(yàn)證噴嘴最終達(dá)到的流量值。泵的揚(yáng)程應(yīng)大于噴嘴設(shè)計(jì)最大阻力的200%，在噴嘴阻力的理論計(jì)算和實(shí)際試驗(yàn)過程可能存在偏差，為了保證冷態(tài)試驗(yàn)?zāi)軌蝽樌剡M(jìn)行，泵的揚(yáng)程應(yīng)盡可能選得大些。

（2）流量計(jì)

根據(jù)噴嘴的最大出力，選取1臺量程與之匹配的電磁流量計(jì)，電磁流量計(jì)的精確度等級不低于0.5%。為保證流量計(jì)測量準(zhǔn)確，在布置管路時(shí)，應(yīng)設(shè)置U形管路，流量計(jì)設(shè)置在U形管路的最低處，如圖1所示。

圖1 噴嘴冷態(tài)試驗(yàn)系統(tǒng)

（3）壓力表及其附件

選用量程為0～0.25MPa、精度等級為0.4級的壓力表，并配備壓力表彎管，用三通閥連接系統(tǒng)和壓力表。

（4）調(diào)節(jié)閥

選取1只與噴嘴最大出力相適應(yīng)的手動調(diào)節(jié)閥，調(diào)節(jié)閥應(yīng)具有等百分比調(diào)節(jié)特性曲線，保證噴嘴出力在小流量時(shí)具有較好的調(diào)節(jié)性能。

（5）管線及支撐結(jié)構(gòu)

設(shè)置管線以連接水泵、調(diào)節(jié)閥、流量計(jì)、壓力表和試驗(yàn)噴嘴等。管線的設(shè)置應(yīng)盡可能短，并方便觀測和調(diào)節(jié)。設(shè)置支撐結(jié)構(gòu)，保證噴嘴在冷態(tài)試驗(yàn)過程中便于觀測和調(diào)節(jié)，并防止水濺入場地。

（6）噴嘴

準(zhǔn)備試驗(yàn)用的噴嘴，并接入冷態(tài)性能試驗(yàn)系統(tǒng)。

（7）觀測和記錄設(shè)備

提供足夠的攝像和照相設(shè)備，以便于對噴嘴冷態(tài)試驗(yàn)的情況進(jìn)行記錄。如有高速攝像器材，可以更清楚地記錄和分析噴嘴的霧化情況。

3 試驗(yàn)過程

以某次噴嘴定型前的冷態(tài)性能試驗(yàn)為例，介紹了噴嘴冷態(tài)試驗(yàn)過程和試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析。對已完成設(shè)計(jì)、制造的2個(gè)不同規(guī)格的噴嘴（編號A、B）進(jìn)行冷態(tài)試驗(yàn)。通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)對比，選擇性能指標(biāo)較好噴嘴進(jìn)行定型，以備后續(xù)批量生產(chǎn)及應(yīng)用于產(chǎn)品。

（1）按噴嘴冷態(tài)試驗(yàn)系統(tǒng)圖，連接所有試驗(yàn)設(shè)備，如圖1所示。

（2）啟動試驗(yàn)系統(tǒng)時(shí)，先關(guān)閉調(diào)節(jié)閥，待水泵運(yùn)行穩(wěn)定后，緩慢開啟調(diào)節(jié)閥。逐步增加調(diào)節(jié)閥的開度，觀察試驗(yàn)噴嘴出水的噴射狀態(tài)，由于新制造的噴嘴零件之間會存在一定的卡澀現(xiàn)象，應(yīng)通過大幅度地往復(fù)變化噴嘴出水量，充分地消除裝配零件間的卡澀現(xiàn)象。

（3）以試驗(yàn)噴嘴出力的5%或10%為試驗(yàn)區(qū)間，通過調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)噴嘴流量，并觀測試驗(yàn)噴嘴的霧化效果，通過讀取壓力表，記錄對應(yīng)的阻力損失，用上述試驗(yàn)方法，使噴嘴到達(dá)設(shè)計(jì)出力。然后，逐次減小試驗(yàn)噴嘴的出力，并觀察試驗(yàn)噴嘴的霧化效果，通過讀取壓力表值，記錄對應(yīng)的阻力損失。

（4）重復(fù)多次地進(jìn)行步驟3，以保證測量數(shù)據(jù)及分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。

（5）如需要驗(yàn)證噴嘴超負(fù)荷性能，可以在噴嘴流量達(dá)到設(shè)計(jì)流量后，逐步調(diào)大調(diào)節(jié)閥開度，觀察試驗(yàn)噴嘴的霧化效果，并記錄噴嘴的阻力損失。

（6）噴嘴冷態(tài)試驗(yàn)完成后，將噴嘴拆卸并解體，檢查噴嘴零件和裝配尺寸，并與冷態(tài)試驗(yàn)前的情況進(jìn)行對比，檢測是否有變化。

（7）噴嘴試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析

通過冷態(tài)試驗(yàn)后，繪制出“阻力－流量”曲線，如圖2所示，測得噴嘴在各流量下的開度，進(jìn)而計(jì)算噴嘴的流量系數(shù)，驗(yàn)證理論計(jì)算與實(shí)際試驗(yàn)數(shù)據(jù)之間的偏差，為后續(xù)噴嘴研發(fā)提供依據(jù)。

圖2 2種噴嘴的“阻力－流量”曲線

對2種噴嘴在10%～110%出力范圍內(nèi)的霧化性能和“阻力－流量”曲線進(jìn)行對比分析，B噴嘴的噴射平穩(wěn)性、霧化顆粒度、噴射水幕的厚度均優(yōu)于A噴嘴，可以滿足除氧器的性能要求，對局部結(jié)構(gòu)進(jìn)行微小調(diào)整后，該噴嘴可以定型并應(yīng)用于除氧器。現(xiàn)場試驗(yàn)的實(shí)際情況，如圖3所示。

圖3 噴嘴試驗(yàn)

4 結(jié) 語

利用噴嘴冷態(tài)試驗(yàn)系統(tǒng)，開發(fā)了一款性能優(yōu)良的彈簧噴嘴，通過對噴嘴的冷態(tài)試驗(yàn)，驗(yàn)證了噴嘴在10%～110%出力范圍內(nèi)的霧化效果良好，噴嘴的噴射狀態(tài)平穩(wěn)、穩(wěn)定，完全能夠滿足除氧器傳質(zhì)傳熱的要求。目前，此種噴嘴已應(yīng)用于某些火電和核電機(jī)組中，通過電廠的驗(yàn)證運(yùn)行，現(xiàn)已掌握該類噴嘴的設(shè)計(jì)、制造、檢測和安裝等核心技術(shù)。當(dāng)需要設(shè)計(jì)其他類似噴嘴時(shí)，相關(guān)人員也可根據(jù)噴嘴結(jié)構(gòu)及工作特點(diǎn)，設(shè)計(jì)出合適的冷態(tài)試驗(yàn)系統(tǒng)，進(jìn)而開發(fā)其他型式的噴嘴。

參考文件：

［1］蔡錫琮，蔡文鋼.火電廠除氧器［M］.北京：中國電力出版社，2007.

［2］中華人民共和國機(jī)械電子工業(yè)部.電站壓力式除氧器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程［M］.上海：上海科學(xué)普及出版社，1991.

［3］劉啟軍.新型內(nèi)置式無頭除氧器在電廠中的應(yīng)用［J］.吉林電力，2005（2）.

［4］楊世銘，陶文銓.傳熱學(xué)［M］.北京：高等教育出版社，2006.

［5］黃衛(wèi)星，李建明，肖澤儀.工程流體力學(xué)［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009.