蒸汽質(zhì)量對(duì)RH真空度波動(dòng)的影響

吳 寅

（攀鋼集團(tuán)有限公司，四川 攀枝花 617067）

0 前言

攀鋼提釩煉鋼廠高速軌鋼RH精煉設(shè)備在生產(chǎn)過程中，由于真空泵運(yùn)行不穩(wěn)定，導(dǎo)致真空度波動(dòng)與抽真空速度慢，除去泄漏、流量不足等重要因素，蒸汽質(zhì)量對(duì)拉瓦爾噴嘴噴射泵的穩(wěn)定運(yùn)行也起著關(guān)鍵作用。真空泵對(duì)蒸汽質(zhì)量有嚴(yán)格的要求：適合的蒸汽量；適合的壓力和溫度；不含空氣和其它不凝性氣體；干凈；干燥；等等。該精煉設(shè)備站的工作蒸汽供給系統(tǒng)輸出壓力為1.3 MPa，溫度為200℃。通常，真空泵的抽氣能力不受過熱或者飽和蒸汽的影響，或者說影響可以忽略不計(jì)，但當(dāng)蒸汽供給系統(tǒng)的管道散熱和工作蒸汽膨脹而變濕時(shí)，會(huì)使泵的性能不穩(wěn)定。本文主要研究溫度和含水量等因素對(duì)RH真空度波動(dòng)的影響。

1 蒸汽的工作原理

該RH精煉設(shè)備采用蒸汽噴射泵系統(tǒng)，如圖1所示。蒸汽通過拉瓦爾噴嘴在噴射泵中絕熱膨脹對(duì)外做功，如圖2所示。由于同外界沒有熱量的交換，所以是個(gè)等熵過程，稱為等熵膨脹。根據(jù)熱力學(xué)第一定律d Q＝d U＋p d V，對(duì)于理想氣體d U＝cv d T，在絕熱的情況下d Q＝0，所以0＝cv d T＋p d V，可得 －d T＝，只要蒸汽對(duì)外界做功，同時(shí)膨脹所做的功以焓的減少為補(bǔ)償，系統(tǒng)必定降溫。在蒸汽絕熱膨脹時(shí)，溫度和壓力降低，只要被抽氣體的壓力高于混合室的壓力，則被抽氣體被吸入混合室，即這個(gè)過程中其壓力降低，焓值下降，熱容激增，速度迅速增加至超音速。

工作蒸汽和被抽氣體在混合室中進(jìn)行混合，然后兩股氣流進(jìn)行能量的交換，絕熱膨脹后的蒸汽對(duì)被抽氣體進(jìn)行做功，使其速度迅速增加，進(jìn)而工作蒸汽帶著被抽氣體進(jìn)入擴(kuò)壓器中。

在擴(kuò)壓器中，被抽氣體與蒸汽一邊進(jìn)行能量交換，一邊逐漸壓縮，動(dòng)能轉(zhuǎn)化為勢(shì)能，到擴(kuò)壓器喉部時(shí)已完成混合過程達(dá)到音速，壓力升高，經(jīng)過擴(kuò)張段速度繼續(xù)降低至亞音速，隨著壓力的進(jìn)一步升高，從而將被抽氣體排出噴射器。因此，從蒸汽噴射泵的工作過程和原理來看，蒸汽的質(zhì)量影響拉瓦爾噴射泵是否能夠正常工作。

圖1 蒸汽系統(tǒng)

圖2 蒸汽單級(jí)噴射泵工作原理

2 蒸汽含水量和蒸汽溫度對(duì)真空度的影響

2.1 蒸汽含水量對(duì)真空度的影響

當(dāng)真空泵噴嘴噴射出的蒸汽流中含有微小水珠時(shí)，這些水珠不能像蒸汽那樣膨脹產(chǎn)生速度，它只能被蒸汽推動(dòng)而增加速度，因此濕蒸汽中的水分不但不能產(chǎn)生能量，而且還要消耗能量。噴嘴出來的蒸汽流速度下降，造成如下影響：

（1）蒸汽噴射泵的抽氣能力下降。對(duì)噴射泵（3a、3b、4a、4b）而言，蒸汽流（湍流）對(duì)被抽氣體的卷帶效應(yīng)變差；對(duì)增壓泵（B1、B2）而言，一方面是蒸汽流（層流）對(duì)被抽氣體的粘性摩擦效果變差，另一方面是蒸汽流密度變大后被抽氣體擴(kuò)散到蒸汽流的效果下降。

（2）蒸汽流橫向擴(kuò)散作用變大，形狀的變化導(dǎo)致擴(kuò)器收縮段動(dòng)能轉(zhuǎn)換為位能的效率變差，進(jìn)而導(dǎo)致蒸汽泵排壓下降，造成下一級(jí)真空泵壓縮比擴(kuò)大。

2.2 蒸汽溫度對(duì)真空度的影響

攀鋼RH系統(tǒng)預(yù)抽真空時(shí)蒸汽壓力為1.4 MPa，真空處理開始后，蒸汽用量急劇上升，蒸汽壓力急劇下降（最低至1.15 MPa），這一過程實(shí)質(zhì)上造成了管道內(nèi)蒸汽體積的急速膨脹，蒸汽溫度驟降3～5℃不等，蒸汽過熱度不足時(shí)就會(huì)產(chǎn)生冷凝水。實(shí)際生產(chǎn)中要求有一定的冗余量，通常蒸汽過熱10℃，即205℃左右。

3 蒸汽中含水量和溫度的控制

通過以上分析，供給系統(tǒng)管線中的蒸汽含水量，成為蒸汽泵抽氣能力與性能穩(wěn)定的重要因素，為了獲得適合的蒸汽溫度和含水量，采取如下措施。

3.1 合理布置疏水閥

從圖3的減溫減壓蒸汽流程圖可看出：在蒸汽總進(jìn)口位置，減壓操作，冷卻水減溫和輸出管道上分別布置4個(gè)疏水閥；在蒸汽分配包前端，蒸汽分配包后端，主泵B1和B2的保溫蒸汽，工作蒸汽布置了共6個(gè)疏水閥。

圖3 減溫減壓蒸汽流程圖

3.2 增設(shè)汽水分離器

為了分離掉管線遠(yuǎn)距離輸送的蒸汽中疏水閥不能處理的懸浮液滴，選擇在蒸汽分壓包前端增加擋板式汽水分離器，它由多塊擋板組成，液體在分離器內(nèi)可多次改變流動(dòng)方向。由于懸浮水滴的質(zhì)量和慣性較大，當(dāng)遇到擋板流動(dòng)方向改變，干蒸汽可繞過擋板繼續(xù)前進(jìn)，而水滴則會(huì)聚積在擋板上。由于汽水分離器有較大的流通面積，減少了水滴的動(dòng)能，大部分水滴都會(huì)凝聚，最后落到分離器的底部，進(jìn)而通過疏水閥排出。實(shí)踐證明，擋板式分離器在10～30 m／s的流速之間分離效率可以接近90%。

3.3 擬增設(shè)暖管措施

由于維修或其它原因讓工作蒸汽長(zhǎng)時(shí)間停機(jī)并重啟時(shí)，可以考慮暖管措施。這個(gè)階段冷凝水量較大，對(duì)于暖管時(shí)產(chǎn)生的熱量散失稱為“暖管負(fù)荷”。當(dāng)管道正常運(yùn)行時(shí)，同樣會(huì)有一小部分穩(wěn)定的管道散熱損失，稱為“運(yùn)行負(fù)荷”。

該精煉設(shè)備站的蒸汽供給系統(tǒng)沒有暖管設(shè)施，長(zhǎng)期停止后重啟直接送氣到用汽點(diǎn)，這樣管道中的冷凝水無處排放，極易形成水彈，發(fā)生水錘現(xiàn)象，且增加了蒸汽的濕度。因此擬增加一套旁路暖管裝置來對(duì)長(zhǎng)期停機(jī)后的管道進(jìn)行暖管。

把蒸汽主管加熱到工作溫度需要的蒸汽流量與管道的質(zhì)量、比熱、溫升、蒸汽的蒸發(fā)焓和暖管時(shí)間等因素有關(guān)，即

式中，ms為蒸汽的平均冷凝率；w管道與法蘭以及接頭的總重量；Ts為蒸汽溫度；Tamb為環(huán)境溫度；Cp為管道材質(zhì)的比熱；hfg為工作壓力下的蒸發(fā)焓；t為暖管時(shí)間。

其中 w、Ts、Tamb、Cp、hfg均為定值，故 t與ms成反比，因此采用長(zhǎng)時(shí)間的暖管可降低暖管負(fù)荷，提高管道輸送合格蒸汽質(zhì)量的能力。

3.4 預(yù)備先減溫后減壓的措施

通過先減溫后減壓的蒸汽處理工藝，可以得到微過熱的蒸汽，其機(jī)理為：蒸汽進(jìn)站時(shí)為過熱狀態(tài)（3.1 MPa、310℃，焾值3014.83），在壓力不變的狀態(tài)下噴水降溫到235.49℃后變?yōu)轱柡驼羝?，焓值下降?801.65；再降壓為到目標(biāo)壓力（1.4 MPa），此過程中焓值不變?nèi)匀槐３?801.65，溫度降為198.5℃。對(duì)比1.4 MPa時(shí)飽和蒸汽參數(shù)（195.04℃，焓值2788.4），可以發(fā)現(xiàn)蒸汽變?yōu)榱溯p微過熱狀態(tài)。蒸汽狀態(tài)變化時(shí)的參數(shù)見表1。

表1 蒸汽狀態(tài)變化時(shí)的參數(shù)

4 結(jié)束語

蒸汽質(zhì)量提高后，B2泵在3 000～600 Pa段、B1泵在300～100 Pa段抽不動(dòng)的情況未再出現(xiàn)，B2泵在3 000～600 Pa段抽氣時(shí)間穩(wěn)定在5 s以內(nèi)，B1泵在300～100 Pa段抽氣時(shí)間穩(wěn)定在3 s以內(nèi)。

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