蒸汽噴射器算法優(yōu)化及試驗(yàn)研究*

尚迎春，肖 難，賈金釗，王唯威，劉治川，劉孝弟

(1.北京航天動(dòng)力研究所 北京 100076；2.中國電子工程設(shè)計(jì)院，北京市低溫多效熱法海水淡化工程技術(shù)研究中心 北京 100142)

蒸汽噴射器算法優(yōu)化及試驗(yàn)研究*

尚迎春1，肖 難1，賈金釗1，王唯威1，劉治川2，劉孝弟1

(1.北京航天動(dòng)力研究所 北京 100076；2.中國電子工程設(shè)計(jì)院，北京市低溫多效熱法海水淡化工程技術(shù)研究中心 北京 100142)

在索科洛夫噴射器設(shè)計(jì)理論的基礎(chǔ)上，結(jié)合IAPWA- IF97水和水蒸氣物性參數(shù)計(jì)算模型，對(duì)蒸汽噴射器的設(shè)計(jì)算法進(jìn)行了優(yōu)化，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證了算法的準(zhǔn)確性，同時(shí)通過試驗(yàn)分析了噴射器關(guān)鍵幾何尺寸及工藝運(yùn)行參數(shù)對(duì)噴射系數(shù)的影響。優(yōu)化算法能較大幅度地提升蒸汽噴射器的整體性能，有效減少動(dòng)力蒸汽的消耗，大幅降低設(shè)備的運(yùn)行成本，可以作為判定工程裝置運(yùn)行性能是否優(yōu)化的準(zhǔn)則。

蒸汽噴射器；噴射系數(shù)；算法優(yōu)化；試驗(yàn)研究

噴射器具有結(jié)構(gòu)簡單、維護(hù)成本低等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)裝置中，并在許多系統(tǒng)中替代了傳統(tǒng)的機(jī)械真空泵[1]。噴射器的動(dòng)力介質(zhì)可以使用液體、氣體或蒸汽，引射介質(zhì)可以使用液體、氣體或蒸汽、固體，在尿素裝置的真空濃縮系統(tǒng)中常用的噴射器為水力噴射器和蒸汽噴射器。研究和優(yōu)化噴射器的算法及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，盡可能提高噴射器的工作效率，對(duì)工業(yè)生產(chǎn)具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

目前，關(guān)于蒸汽噴射器工程應(yīng)用中較為成熟的計(jì)算方法主要有索科洛夫法(簡稱索氏法)、奧芳夫法(簡稱奧氏法)、維里捷爾法(簡化計(jì)算法)和高島氏圖表計(jì)算法(簡稱圖表法)[2]。計(jì)算精度較高的是索氏法和奧氏法，為了簡化計(jì)算過程，一般將氣(汽)體介質(zhì)假設(shè)為理想氣體，但由于水蒸氣的物理性質(zhì)與理想氣體具有一定的偏離，因此，通常情況下采用索氏法或奧氏法計(jì)算會(huì)引起一定的誤差。

筆者在噴射器應(yīng)用于化肥裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和計(jì)算方法方面開展過一些研究工作，利用索氏法的基本理論對(duì)應(yīng)用于二氧化碳汽提法尿素裝置中的高壓甲銨噴射器的性能進(jìn)行了分析優(yōu)化，得到了較好的效果[3]。為此，再次以索氏法為基礎(chǔ)，對(duì)蒸汽噴射器的性能進(jìn)行算法優(yōu)化和試驗(yàn)研究，主要研究內(nèi)容如下：

(2)搭建1套小負(fù)荷試驗(yàn)裝置，制作不同的試驗(yàn)件，通過一系列的試驗(yàn)取得相關(guān)數(shù)據(jù)，以期發(fā)現(xiàn)各型面結(jié)構(gòu)形式和工作參數(shù)對(duì)蒸汽噴射器整體性能的影響規(guī)律。

(3)綜合整理試驗(yàn)數(shù)據(jù)并與優(yōu)化算法進(jìn)行對(duì)比分析，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)算法進(jìn)行合理修正，以期為工程設(shè)計(jì)提供可靠的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。

1 算法優(yōu)化

現(xiàn)有的設(shè)計(jì)計(jì)算方法在計(jì)算氣體介質(zhì)時(shí)，大多采用了一定理想性質(zhì)的假設(shè)，計(jì)算過程中需引用部分經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，而為了保證噴射器實(shí)際運(yùn)行的可靠性，這些經(jīng)驗(yàn)參數(shù)的選取一般比較保守，往往會(huì)導(dǎo)致動(dòng)力流體的能量利用效率偏低，無形中增大了裝置的運(yùn)行成本。

基于索氏法的計(jì)算方法和流程，引入IAPWS- IF97水蒸氣物性參數(shù)計(jì)算模型，對(duì)蒸汽噴射器工藝計(jì)算過程中噴射器出口壓縮蒸汽溫度、絕熱指數(shù)、臨界速度的參數(shù)取值與算法進(jìn)行了優(yōu)化，并形成了一整套優(yōu)化算法，利用優(yōu)化算法重新設(shè)計(jì)了乏汽回收蒸汽噴射器并與原索氏法進(jìn)行對(duì)比。設(shè)計(jì)條件：動(dòng)力蒸汽壓力3.50 MPa(表壓)，溫度350 ℃；低壓乏汽(引射介質(zhì))為壓力0.08 MPa(表壓)的飽和蒸汽，流量4.5 t/h，出口壓力要求為0.45 MPa(表壓)。優(yōu)化算法與原索氏法計(jì)算結(jié)果對(duì)比見表1。

通過表1數(shù)據(jù)對(duì)比可發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化算法較原索氏法有效提高了噴射系數(shù)，明顯降低了動(dòng)力蒸汽耗量，設(shè)備實(shí)際的運(yùn)行參數(shù)表明優(yōu)化算法的計(jì)算結(jié)果是可靠的。之后，筆者采用優(yōu)化算法設(shè)計(jì)了其他參數(shù)的蒸汽噴射器，結(jié)果噴射器的運(yùn)行性能及能量利用效率均明顯優(yōu)于同類型的其他噴射器。

表1 優(yōu)化算法與原索氏法計(jì)算結(jié)果對(duì)比

注：1)噴射系數(shù)為引射流體流量與動(dòng)力流體流量的比值

2 試驗(yàn)研究

為了驗(yàn)證優(yōu)化算法的準(zhǔn)確性，設(shè)計(jì)并搭建了試驗(yàn)平臺(tái)，用于研究分析噴射器關(guān)鍵幾何結(jié)構(gòu)尺寸及工藝運(yùn)行參數(shù)的變化與噴射系數(shù)的關(guān)系。

應(yīng)利用壓縮空氣往回吹掃，能輕易地除去安全防爆膜內(nèi)的干性臟物；拆洗網(wǎng)格襯墊或采用超聲波浴清潔，可清除粘附有顆粒和泥漿狀的油性臟物；確保燒嘴回火過濾網(wǎng)套夾固定支座安裝到位，緊固情況良好，且將螺牙維護(hù)列入月修項(xiàng)目，安裝時(shí)更換螺牙磨損夾套，將夾套安裝至最低位置上緊固，可大幅降低防爆膜爆炸次數(shù)。

2.1 試驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)

整套試驗(yàn)裝置按功能可分為5個(gè)模塊：①動(dòng)力蒸汽供應(yīng)模塊，由蒸汽鍋爐及其附件、分汽包等構(gòu)成，其功能是為試驗(yàn)?zāi)K提供動(dòng)力汽源；②水處理模塊，由給水泵、冷凝器循環(huán)泵、全自動(dòng)軟水器、軟水箱及其附屬設(shè)施構(gòu)成，其功能是為燃?xì)忮仩t和試驗(yàn)?zāi)K提供滿足一定溫度和壓力要求的合格品質(zhì)的水；③燃?xì)夤?yīng)模塊，主要由主控制設(shè)備、流量表、減壓閥及其附屬設(shè)施構(gòu)成，其功能是為燃?xì)忮仩t穩(wěn)定提供所需的燃?xì)?；④?shù)據(jù)采集模塊，配備1套數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，通過電腦實(shí)時(shí)監(jiān)測記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)，以便后續(xù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析；⑤試驗(yàn)?zāi)K，由2臺(tái)噴射器、2臺(tái)緩沖罐、1臺(tái)減溫器、1臺(tái)消音器及附屬設(shè)施構(gòu)成。

試驗(yàn)裝置流程如圖1所示，其中一級(jí)噴射器作為試驗(yàn)研究對(duì)象，為滿足不同試驗(yàn)工況要求，需對(duì)其內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行特殊處理；二級(jí)噴射器用于保證一級(jí)噴射器的出口壓力，其吸入口設(shè)置調(diào)節(jié)管路，以保證其吸入壓力穩(wěn)定在設(shè)定值的范圍內(nèi)。

2.2 試驗(yàn)噴射器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為便于試驗(yàn)的進(jìn)行，設(shè)計(jì)了1臺(tái)試驗(yàn)用蒸汽噴射器以滿足不同試驗(yàn)工況要求，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

手輪組件和調(diào)節(jié)桿與噴嘴采用螺紋連接，通過轉(zhuǎn)動(dòng)手輪可以調(diào)整噴嘴軸向位置；擴(kuò)壓器組件與噴射器本體采用螺栓連接，可根據(jù)試驗(yàn)需要方便地更換不同內(nèi)部型面的擴(kuò)壓器組件。

2.3 試驗(yàn)研究內(nèi)容

噴射器最佳性能的實(shí)現(xiàn)與噴射器的幾何尺寸密切相關(guān)，故試驗(yàn)研究了喉嘴距(噴嘴出口截面至擴(kuò)壓器入口截面的距離)和面積比(擴(kuò)壓器喉管截面積與動(dòng)力蒸汽噴嘴臨界截面積的比值)與噴射系數(shù)的關(guān)系，進(jìn)而得出噴射系數(shù)最大時(shí)的最佳幾何尺寸，以驗(yàn)證優(yōu)化算法的準(zhǔn)確性。同時(shí)，工藝條件也會(huì)影響噴射器的工作性能，故對(duì)排出壓力和吸入壓力變化對(duì)噴射系數(shù)的影響進(jìn)行了研究。

圖1 試驗(yàn)裝置流程

1.手輪組件 2.調(diào)節(jié)桿 3.動(dòng)力室 4.接受室 5.噴嘴 6.擴(kuò)壓器組件圖2 試驗(yàn)噴射器結(jié)構(gòu)

2.3.1 喉嘴距和面積比對(duì)噴射系數(shù)的影響

考察喉嘴距對(duì)噴射系數(shù)的影響時(shí)，保持動(dòng)力蒸汽參數(shù)、噴射器吸入壓力和溫度及排出壓力不變，通過轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)節(jié)手輪改變喉嘴距，以觀察吸入流量的變化?？疾烀娣e比對(duì)噴射系數(shù)的影響時(shí)，保持動(dòng)力蒸汽參數(shù)、噴射器吸入壓力和溫度及排出壓力、喉嘴距不變，通過改變擴(kuò)壓器的喉道直徑尺寸或噴嘴的直徑尺寸以觀察吸入流量的變化。試驗(yàn)參數(shù)：動(dòng)力蒸汽為0.40 MPa(表壓)的飽和蒸汽，吸入蒸汽為15 kPa(絕壓)的飽和蒸汽，排出壓力為40 kPa(絕壓)，動(dòng)力蒸汽流量為70 kg/h。喉嘴距和面積比對(duì)噴射系數(shù)的影響分別如圖3和圖4所示。

圖3 喉嘴距對(duì)噴射系數(shù)的影響

圖4 面積比對(duì)噴射系數(shù)的影響

從圖3可看出：對(duì)于其他結(jié)構(gòu)一定的噴射器存在1個(gè)最佳喉嘴距，使得噴射系數(shù)在運(yùn)行參數(shù)下達(dá)到最大值；當(dāng)喉嘴距小于最佳值時(shí)，噴射系數(shù)緩慢減??；當(dāng)喉嘴距大于最佳值時(shí)，噴射系數(shù)降低得較快，且喉嘴距大至某一值時(shí)就不會(huì)產(chǎn)生抽吸作用，此時(shí)噴射系數(shù)為0.0。這表明在進(jìn)行噴射器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，適當(dāng)縮小喉嘴距并不會(huì)使噴射器性能大幅下降，有利于噴射器的結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化和穩(wěn)定運(yùn)行。

圖4中橫坐標(biāo)表示面積比相對(duì)設(shè)計(jì)值的比值，比值為1.0就是利用優(yōu)化算法的計(jì)算結(jié)果所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)尺寸，比值為0.9表示面積比縮小了10%，以此類推。從試驗(yàn)結(jié)果看，優(yōu)化算法的面積比所對(duì)應(yīng)的噴射系數(shù)最大，試驗(yàn)結(jié)果和優(yōu)化算法計(jì)算結(jié)果具有很好的一致性，驗(yàn)證了優(yōu)化算法的準(zhǔn)確性。

2.3.2 排出壓力、吸入壓力對(duì)噴射系數(shù)的影響

考察排出壓力對(duì)噴射系數(shù)的影響時(shí)，保持動(dòng)力蒸汽參數(shù)、噴射器吸入壓力和溫度、喉嘴距等不變，改變噴射器排出壓力(調(diào)節(jié)閥自動(dòng)調(diào)節(jié))，觀察吸入流量的變化，考察排出壓力的變化對(duì)噴射系數(shù)的影響。試驗(yàn)參數(shù)：動(dòng)力蒸汽為0.40 MPa(表壓)的飽和蒸汽，吸入蒸汽為15 kPa(絕壓)的飽和蒸汽，動(dòng)力蒸汽流量為70 kg/h，喉嘴距保持不變，面積比分別選取1.3，1.2，1.1，1.0，0.9，0.8和0.7?？疾煳雺毫?duì)噴射系數(shù)的影響時(shí)，保持動(dòng)力蒸汽參數(shù)、排出壓力、喉嘴距等不變，通過改變噴射器吸入壓力(調(diào)節(jié)閥自動(dòng)調(diào)節(jié))，觀察吸入流量的變化，考察吸入壓力的變化對(duì)噴射系數(shù)的影響。試驗(yàn)參數(shù)：動(dòng)力蒸汽為0.40 MPa(表壓)的飽和蒸汽，排出壓力為40 kPa(絕壓)，流量為70 kg/h；喉嘴距保持不變，面積比為設(shè)計(jì)值。排出壓力以及吸入壓力對(duì)噴射系數(shù)的影響分別如圖5和圖6所示。

圖5 排出壓力對(duì)噴射系數(shù)的影響

圖6 吸入壓力對(duì)噴射系數(shù)的影響

從圖5可看出：面積比為1.0時(shí)，當(dāng)排出壓力小于設(shè)計(jì)值(40 kPa，絕壓)時(shí)，噴射系數(shù)基本保持不變；當(dāng)排出壓力大于設(shè)計(jì)值時(shí)，噴射系數(shù)出現(xiàn)拐點(diǎn)，迅速減小；當(dāng)排出壓力為42.2 kPa(絕壓)時(shí)，噴射器不再產(chǎn)生抽吸作用，此時(shí)噴射系數(shù)為0.0，噴射器只起到對(duì)動(dòng)力蒸汽的節(jié)流降壓作用。由此可見，40 kPa(絕壓)是個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，也就是設(shè)計(jì)最優(yōu)點(diǎn)。

從圖5還可看出，隨著面積比的增大，噴射器拐點(diǎn)沿橫坐標(biāo)后移，噴射器最優(yōu)設(shè)計(jì)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的排出壓力降低。此變化規(guī)律為試驗(yàn)驗(yàn)證最佳面積比提供了一種方法，也可以用來檢驗(yàn)設(shè)計(jì)值是否為最優(yōu)設(shè)計(jì)。

從圖6可看出：對(duì)于其他結(jié)構(gòu)及運(yùn)行參數(shù)固定的噴射器，如排出壓力一樣，吸入壓力的設(shè)計(jì)值也明顯存在一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，當(dāng)吸入壓力大于設(shè)計(jì)值(15 kPa)時(shí)，噴射系數(shù)基本隨著吸入壓力的增加按正比增加；當(dāng)吸入壓力小于設(shè)計(jì)值時(shí)，噴射系數(shù)下降較快。

通過對(duì)噴射器的喉嘴距、面積比以及排出壓力、吸入壓力與噴射系數(shù)關(guān)系的試驗(yàn)研究，驗(yàn)證了優(yōu)化算法的準(zhǔn)確性，同時(shí)得出以下結(jié)論可用于對(duì)噴射器進(jìn)行定性分析。

(1)對(duì)于運(yùn)行在某種參數(shù)下的噴射器來說，存在著一個(gè)最優(yōu)的喉嘴距，使得噴射器的噴射系數(shù)最大。

(2)對(duì)于運(yùn)行在某種參數(shù)下的噴射器來說，存在著一個(gè)最優(yōu)的面積比，使得噴射器的噴射系數(shù)最大。

(3)對(duì)于最優(yōu)設(shè)計(jì)的噴射器，在動(dòng)力蒸汽參數(shù)和吸入蒸汽參數(shù)不變的情況下，當(dāng)排出壓力小于設(shè)計(jì)值時(shí)，噴射系數(shù)基本保持不變；當(dāng)排出壓力大于設(shè)計(jì)值時(shí)，噴射系數(shù)迅速降低。

(4)對(duì)于最優(yōu)設(shè)計(jì)的噴射器，在動(dòng)力蒸汽參數(shù)和排出壓力不變的情況下，當(dāng)吸入壓力大于設(shè)計(jì)值時(shí)，噴射系數(shù)基本上隨著吸入壓力的增加按正比增加；當(dāng)吸入壓力小于設(shè)計(jì)值時(shí)，噴射系數(shù)下降較快。

3 海水淡化中試裝置中蒸汽噴射器運(yùn)行情況

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，利用該優(yōu)化算法對(duì)3倍濃縮35 kt/d低溫多效海水淡化中試裝置中的蒸汽噴射器(TVC)進(jìn)行設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)條件及要求：動(dòng)力蒸汽壓力0.500 MPa(絕壓)，吸入口壓力0.015 MPa(絕壓)，出口排汽壓力0.036 MPa(絕壓)，要求確保噴射系數(shù)大于0.7，以滿足裝置造水比16的設(shè)計(jì)目標(biāo)。該設(shè)備現(xiàn)已成功運(yùn)行，噴射系數(shù)最佳值可達(dá)0.939，超出設(shè)定值34%。同時(shí)監(jiān)測了TVC周圍1 m處的噪聲，結(jié)果在69～81 dB，完全滿足設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)語

通過對(duì)現(xiàn)有噴射器計(jì)算方法的分析比較，提出了蒸汽噴射器的優(yōu)化算法，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證了算法的準(zhǔn)確性，同時(shí)分析了噴射器關(guān)鍵幾何尺寸及工藝運(yùn)行參數(shù)對(duì)噴射系數(shù)的影響。優(yōu)化算法能較大幅度地提升蒸汽噴射器的整體性能，有效減少動(dòng)力蒸汽的消耗，大幅降低設(shè)備的運(yùn)行成本，可以作為判定工程裝置(包括尿素真空濃縮系統(tǒng))運(yùn)行性能是否優(yōu)化的準(zhǔn)則。

[1] 索科洛夫 E Я，津格爾 H M．噴射器[M].黃秋云，譯．北京：科學(xué)出版社，1977.

[2] 李光祺．水蒸汽噴射泵常用計(jì)算方法的分析比較[J]．重型機(jī)械，1981(5)：3- 9.

[3] 尚迎春，張范.高壓甲銨噴射器的性能分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].化肥工業(yè)，2017(2)：31- 34.

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AlgorithmOptimizationandExperimentalStudyofSteamEjector

SHANG Yingchun1, XIAO Nan1, JIA Jinzhao1, WANG Weiwei1, LIU Zhichuan2, LIU Xiaodi1

(1.Beijing Aerospace Propulsion Institute, Beijing 100076, China；2.China Electric Engineering Design Institute, Beijing Low Temperature Multi- Efficiency Desalt Engineering Technology Research Center, Beijing 100142, China)

Based on design theory of Sokolov ejector, combined with IAPWA- IF97 computation model of physical property parameters of water and steam, the design algorithm of steam ejector is optimized, and the accuracy of the algorithm is verified by experiments, at the same time, the effects of key geometric dimensions of steam ejector and process operation parameters on entrainment ratio are analyzed through experiments. Algorithm optimization can improve the overall performance of steam ejector significantly, decrease the consumption of power steam and reduce equipment operating costs remarkable. It can be used as criterion for judging whether the optimal operation of engineering plant is realized or not.

steam ejector; entrainment ratio; algorithm optimization; experimental study

國家科技支撐計(jì)劃(2015BAB08B00)；國家開發(fā)投資公司科研開發(fā)項(xiàng)目(10001) 作者簡介：尚迎春(1984—)，碩士研究生，工程師，主要從事噴射器設(shè)備的設(shè)計(jì)工作 通信作者：劉孝弟(1958—)，男，博士，研究員；liuxd2006@126.com

TB75

:A

：1006- 7779(2017)03- 0034- 05

2017- 03- 09)