蒸汽噴射器在節(jié)能領(lǐng)域中的應(yīng)用

文_毛愛(ài)民 張家港保稅區(qū)長(zhǎng)源熱電有限公司

1 噴射器工作原理

噴射器是利用射流紊流擴(kuò)散作用，來(lái)傳遞能量和質(zhì)量的混合流體設(shè)備。主要部件有工作噴嘴、接受室、混合室、擴(kuò)散器。

噴射器的工作原理：高壓流體通過(guò)噴嘴膨脹，速度不斷提高，在噴嘴出口處形成高速射流，將低壓流體引射入吸入室。兩股流體發(fā)生質(zhì)量、動(dòng)量及能量的交換，于是高壓流體的速度不斷減小，而低壓流體的速度不斷增大，并在混合室的某處形成單一均勻的混合流體，在擴(kuò)散器中的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為壓能，減速增壓到一定的背壓后排出噴射器外。高壓流體一般稱為工作流體，低壓流體一般稱為引射流體。

噴射器的工作過(guò)程可分為三個(gè)階段：①工作流體形成高速射流，將壓力能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能。②工作流體與引射流體的混合階段使兩種流體進(jìn)行能量交換，引射流體速度被提高，工作流體攜帶引射流體進(jìn)入擴(kuò)壓器。③壓縮階段，即在擴(kuò)壓器中兩種流體一邊繼續(xù)進(jìn)行能量交換，一邊逐漸壓縮，將動(dòng)能再轉(zhuǎn)化為壓力能，將引射流體排出噴射器。

提高引射流體的壓力而不直接消耗機(jī)械能，這是噴射器最根本的性質(zhì)。

1.1 噴射系數(shù)

噴射系數(shù)是衡量噴射器工作性能的主要參數(shù)。它表示在一定的工況下，單位質(zhì)量工作流體所能抽吸的引射流體的量，它在數(shù)值上等于引射流體的質(zhì)量流量與工作流體的質(zhì)量流量之比，即：

式中μ— 噴射系數(shù)；噴射系數(shù)是噴射器的重要指標(biāo)，可以根據(jù)動(dòng)量定理推導(dǎo)出來(lái)噴射系數(shù)的表達(dá)式為：

式中K1— 工作流體速度系數(shù)；

K2— 引射流體速度系數(shù)；

當(dāng)噴射器的制造條件良好并且裝配正確時(shí)，推薦采用如下速度系數(shù)：K1＝0．834，K2＝0．812。

1.2 壓縮比

引射介質(zhì)的最終壓力與開始?jí)毫χ?，稱為壓縮比。

工作介質(zhì)和引射介質(zhì)均為蒸汽的噴射器，常用于提高二次蒸汽（廢汽）的壓力，一般采用中等壓縮比，通常選擇壓縮比

1.3 能量平衡定理

1.3.1 能量守恒定律

1.3.2 質(zhì)量守恒定律

1.3.3 動(dòng)量定理

fP1—入口工作流體截面積， m2；

fH1—入口引射流體截面積， m2；

f3—出口混合流體截面積， m2。

1.4 蒸汽噴射器的熱力學(xué)過(guò)程

蒸汽噴射器壓縮過(guò)程如圖1。工作流體在進(jìn)入噴射器之前的狀態(tài)由定壓線PP上的A 點(diǎn)來(lái)確定，引射流體在進(jìn)入噴射器之前的狀態(tài)由定壓線PH上的D 點(diǎn)來(lái)確定，混合流體離開噴射器時(shí)的狀態(tài)由定壓線PC上的Z 點(diǎn)來(lái)確定。如工作流體在噴嘴中的膨脹過(guò)程不考慮內(nèi)摩擦損失，則在噴嘴出口處蒸汽狀態(tài)點(diǎn)將為B 點(diǎn)，由于摩擦損失，蒸汽在噴嘴內(nèi)的膨脹過(guò)程不是沿著絕熱線AB而是沿著多變過(guò)程線AC 進(jìn)行的。因此，噴嘴出口處蒸汽狀態(tài)點(diǎn)為C。假如引射流體的膨脹過(guò)程是沿著絕熱過(guò)程進(jìn)行的，則該引射流體在進(jìn)入混合室的狀態(tài)為L(zhǎng)。實(shí)際上引射流體的膨脹過(guò)程是按多變過(guò)程線DM 進(jìn)行，故在混合室入口處的狀態(tài)為M點(diǎn)。工作流體和引射流體在混合室內(nèi)進(jìn)行混合，混合流體的狀態(tài)點(diǎn)為E。然后進(jìn)入擴(kuò)散器，在擴(kuò)散器內(nèi)進(jìn)行絕熱壓縮過(guò)程，如忽略定壓線的不等距性，狀態(tài)點(diǎn)為K，但在擴(kuò)散器的實(shí)際壓縮工程是沿著多變過(guò)程線進(jìn)行的，因此被壓縮的混合流體在擴(kuò)散器出口處的狀態(tài)為Z。

圖1 焓－熵圖上蒸汽噴射器壓縮過(guò)程圖

2 蒸汽噴射器節(jié)能技術(shù)應(yīng)用案例

2.1 蒸汽噴射器的節(jié)能機(jī)理

目前很多熱電企業(yè)為滿足供熱要求，在沒(méi)有合適品位蒸汽可用情況下常用節(jié)流減壓方法實(shí)現(xiàn)蒸汽由高壓向低壓的直接轉(zhuǎn)變。具體就是利用閥門阻力特性，控制閥后蒸汽壓力，使高品位的蒸汽在不對(duì)外做功的情況下直接轉(zhuǎn)化為低品位的蒸汽，從而造成能源的浪費(fèi)。

蒸汽噴射器的節(jié)能機(jī)理：以高壓蒸汽作為工作流體，低壓蒸汽作為引射流體，高壓蒸汽和低壓蒸汽在蒸汽噴射器內(nèi)部進(jìn)行速度和能量的均衡，然后經(jīng)擴(kuò)散器擴(kuò)壓后進(jìn)入供熱管網(wǎng)。

2.2 蒸汽噴射器節(jié)能技術(shù)應(yīng)用案例

某熱電廠有兩臺(tái)12MW 次高壓背壓供熱機(jī)組，主要供熱壓力等級(jí)為1．4MPa。但有一熱用戶因生產(chǎn)工藝要求，需要1．8MPa的供熱蒸汽。此前，設(shè)計(jì)為新蒸汽減溫減壓供熱。將高品位的高溫高壓蒸汽直接降至極低品位的低壓蒸汽，造成了能源的巨大浪費(fèi)。

根據(jù)前述理論分析，結(jié)合工藝要求，改造適合選擇中等壓縮比的蒸汽噴射器，壓縮比該熱用戶采用南港專線單獨(dú)供熱，運(yùn)行壓力為1．8MPa，溫度240℃，流量23 ～28t/h，年運(yùn)行時(shí)間約8000h，全年供汽量約20．5 萬(wàn)t，平均熱負(fù)荷約25t/h。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，工作蒸汽選用新蒸汽，低壓蒸汽選用12MW 背壓汽輪機(jī)排汽，減溫水采用給水。通過(guò)增加低壓蒸汽的用量增加熱化發(fā)電量，并減少新蒸汽用量。

蒸汽噴射器設(shè)計(jì)參數(shù)如下：

工作蒸汽：5．3MPa，475℃；

引射蒸汽：1．4MPa，310℃；

輸出蒸汽：1．8MPa，240℃；

減溫水：7．5MPa，104℃；

設(shè)計(jì)出力：30 t/h。

采用蒸汽噴射器改造的供熱系統(tǒng)簡(jiǎn)圖如圖2。

圖2 蒸汽噴射器供熱系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

2.3 蒸汽噴射器改造節(jié)能效果分析

根據(jù)上述參數(shù)，采用比例給水減溫水調(diào)節(jié)閥，分別在噴射器前后噴溫水，以求效率最高。為了與改造前對(duì)比，選擇供汽量為25 t/h 時(shí)進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 改造前后測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比

改造前后對(duì)比柱狀圖如圖3 所示。

圖3 改造前后對(duì)比柱狀圖

在平均負(fù)荷25 t/h 工況下，新蒸汽用量由20．9t/h 降低至10．2t/h。降幅達(dá)51．2%，增加低壓蒸汽11．8t/h，按該機(jī)組平均汽耗率12．5kg/kWh 計(jì)算，增加熱化發(fā)電負(fù)荷944kW。按該用戶上年總用汽量計(jì)算，年運(yùn)行超8000h。同時(shí)，在同樣供汽流量25t/h 的情況下，改造后減溫水流量減少1．1t/h。這部分流量將通過(guò)高壓加熱器和鍋爐吸收熱量變成新蒸汽，再經(jīng)汽輪機(jī)發(fā)電，因此，計(jì)算節(jié)能量時(shí)應(yīng)該扣除多吸收的這部分熱量。為簡(jiǎn)化計(jì)算，鍋爐效率和高壓加熱器效率均按90%計(jì)算。

根據(jù)最新版IAPWS-IF97 標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計(jì)研究所編寫的“水和蒸汽性質(zhì)計(jì)算程序”，查詢參數(shù)如下：

壓力P=5．40MPa；

溫度T=475．00℃；

比焓H=3370．90kJ/kg；

壓力P=7．60 MPa；

溫度T=104．00℃；

比焓H=441．55kJ/kg。

根據(jù)以上狀態(tài)參數(shù)，每小時(shí)多吸收的熱量即增加的燃料消耗為：

年耗標(biāo)準(zhǔn)煤量為：

由此可見(jiàn)，采用蒸汽噴射器代替減溫減壓供熱，在滿足熱用戶同樣要求情況下，明顯減少了新蒸汽的耗量，增加了熱化發(fā)電量，提高電廠的經(jīng)濟(jì)性。

3 結(jié)語(yǔ)

對(duì)同樣的出口參數(shù)，采用蒸汽噴射器和減溫減壓方式相比，噴射器減少了高壓蒸汽的耗量，增加了低壓蒸汽的用量，從而增加了熱化發(fā)電量，因而具有顯著的節(jié)能效益。

蒸汽噴射器無(wú)轉(zhuǎn)動(dòng)部件，運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定可靠，投資小，安裝靈活，使用方便，具有廣闊的應(yīng)用價(jià)值。