（动力工程及工程热物理专业论文）引射混合式低压加热器加热性能的试验研究.pdf

an experimental research on heating performance of ejecting-mixing low-pressure heater a thesis submitted to chongqing university in partial fulfillment of the requirement for the degree of master of engineering by he dalin supervisor: prof. tong mingwei major: engineering thermophysics and power engineering college of power engineering chongqing university, chongqing, china may, 2008 中文摘要 i 摘 要 本文分析了热力发电厂低压加热器的工作过程后，建立了热力发电厂蒸汽动 力循环低压加热系统试验台，对一具体的引射混合式低压加热器进行了引射性能 和加热性能的试验研究，并详细研究了中心喷射圆周引射型射水抽汽式引射混合 式低压加热器的加热特性，按雷诺数的范围拟合出两种形式的加热器凝结换热过 程的 nu 准则式 mnkl nu=cre prm和 mnk nu=cre pr。 鉴于引射器性能的特殊性和影响因素众多，在引射混合式低压加热器设计过 程中根据其内部流道变化规律，主要采用质量守恒原理和伯努利方程进行设计计 算。通过对两种结构型式的引射混合式低压加热器进行试验，发现在热力发电厂 低压加热系统中采用引射混合式低压加热器加热凝结水，通过选取适当的运行参 数，完全可以消除凝结水沿抽汽管道进入蒸汽轮机的危险和将凝结水加热至除氧 器运行要求。从该型加热器的试验结果可以得出，5mm 直径喷嘴的该型加热器 在入口水压大于 0.25mpa 时，即可在加热器的蒸汽吸入室产生 0.04mpa 的真空， 3mm 和 4mm 直径喷嘴在入口水压大于 0.2mpa 时即能产生大于 0.08mpa 的真 空，远小于现有火电机组大于 0.1mpa 的低压抽汽压力；2mm 和 3mm 直径喷 嘴的加热器在入口水压小于 0.25mpa 范围内， 将凝结水加热至大于 105。 引射混 合式低压加热器具有较独特的蒸汽凝结性能和加热性能，简单分析了凝结水射流 与蒸汽凝结换热的特性，指出在射流表面存在着蒸汽凝结换热的主要热阻流 动 凝 结 液 膜 ， 在 凝 结 水 射 流 表 面 上 蒸 汽 的 凝 结 换 热 系 数 高 达 0.98 5.23mw/(m2 k)。 本文从引射器角度简单推导了对引射混合式低压加热器的结构和设计有较重 要指导意义的引射特性基本方程式，定义了引射混合式低压加热器的引射效率 e 和加热效率 h 。通过实验数据的分析计算得出，2mm 喷嘴的 h =98.6%、 e =19.8%，3mm 喷嘴的 h =95.6%、 e =19.6%，4mm 喷嘴的 h =91.6%、 e =13.5%，5mm 喷嘴的 h =90.3%、 e =7.8%。 引射混合式低压加热器性能试验研究结果表明：在热力发电厂中引射混合式 低压加热器完全可以取代目前使用的表面式低压加热器。本文还对永荣矿务局 6mw 发电机组的低压加热器改造进行了可行性分析。 关键词：关键词：引射器，引射混合式低压加热器，引射性能，加热性能，凝结换热 重庆大学硕士学位论文 ii 英文摘要 iii abstract after work process analysis about the low-pressure heater of the thermal power plant,a test-bed of low-pressure heating system in steam power cycle of the thermal power plant was established, an experimental investigation has been made on the ejecting and heating performance of a specific ejecting-mixing low-pressure heater, especially the heating performance of central jetting and circumferential ejecting water driven vapor ejecting-mixing low-pressure heater in detail, and nu number formula of condensation heat transfer are fitted in two forms in the ranges of reynolds number, i.e. mnkl nu=cre prm and mnk nu=cre pr. in view of the specific and multiple influence factors of the performance of ejector, during the design of the ejecting-mixing low-pressure heater, according to the law of its internal flow channel change, mainly mass conservation principle and bernoulli equation are applied in design calculation. based on the experiment on two type of structure of ejecting-mixing low-pressure heaters, it is found that if ejecting-mixing low-pressure heaters could be adopted in low-pressure preheating system to preheat condensate with the proper operation parameters, the possible danger could be cleared that condensate may flow into steam turbine along the extraction steam pipe, and condensate water would be heated up to meet the needs for deaerator. as the results of the experiment, the type of heater with5mm sized nozzle can generate a vacuum at 0.04mp in steam suction chamber when motive water inlet pressure is more than 0.25mpa, and the type of heater with3mm sized or 4mm sized nozzle can generate a vacuum more than 0.08mp in steam suction chamber when motive water inlet pressure is more than 0.2mpa, while the low pressure extraction steam pressure in present power units is more than 0.1mpa. the type of heater with 3mm sized or 4mm sized nozzle can heat condensate up to more than 105.the ejecting-mixing low-pressure heaters present the unique performance of steam condensation and heating, according to the uncomplicated analysis of the performance of the steam condensation on the condensation water jet, it is pointed out that flowing condensation film exists on the surface of jet, which is the main heat resistance of steam condensation heat transfer, and the heat transfer coefficient of the steam condensation on the condensation water jet is as high as 0.98 5.23 mw / (m2 k). this paper starts with the study of ejector theories, not only deduces the 重庆大学硕士学位论文 iv fundamental equations of ejecting performance for the structure design of ejecting-mixing low-pressure heaters, but also defines ejecting efficiency in terms of e and heating efficiency in terms of h . according to the calculation based on the experiment data, the value of h at 2mm sized nozzle equals 98.6% and the value of e equals 19.8%, the value of h at 3mm sized nozzle equals 95.6% and the value of e equals 19.6%, the value of h at 4mm sized nozzle equals 91.6% and the value of e equals 13.5%, the value of h at 5mm sized nozzle equals 90.3% and the value of e equals 7.8%. the results of experimental investigation on ejecting-mixing low-pressure heaters performance show that, ejecting-mixing low-pressure heaters can take the place of the present surface type low-pressure heaters in steam power cycle of power plant. and the feasibility analysis of reconstruction is made in the low-pressure heaters of 6mw power unit at yongrong mining bureau. keywords: ejector, ejecting-mixing low-pressure heater, ejecting performance, heating performance, condensation heat transfer 目 录 v 目 录 中文中文摘要摘要 . i 英文摘要英文摘要 . iii 符号说明符号说明 . ix 1 绪绪 论论 . 1 1.1 课题背景课题背景 . 1 1.2 目前热力发电厂低压加热器使用概目前热力发电厂低压加热器使用概况况 . 1 1.3 引射器的研究概况引射器的研究概况 . 3 1.3.1 管内流动特性与管道截面变化规律的关系 . 3 1.3.2 引射器简介 . 3 1.3.3 引射器的理论研究历程 . 4 1.3.4 引射器的实验研究及运用概况 . 5 1.4 开发引射混合式低压加热器的可行性分析开发引射混合式低压加热器的可行性分析 . 8 1.5 本文研究内容本文研究内容与创新点与创新点 . 9 2 引射混合式低压加热器基础理论引射混合式低压加热器基础理论 . 11 2.1 引射混合式低压加热器工作原理与守恒方程式引射混合式低压加热器工作原理与守恒方程式 . 11 2.1.1 引射混合式低压加热器工作原理 . 11 2.1.2 引射混合式低压加热器混合室的流型 . 13 2.1.3 引射混合式低压加热器守恒方程式 . 14 2.2 引射混合式低压加热器基本参数引射混合式低压加热器基本参数 . 16 2.3 引射混合式低压加热器相似律引射混合式低压加热器相似律 . 17 2.3.1 几何相似 . 17 2.3.2 运动相似 . 18 2.3.2 动力相似 . 18 2.4 引射混合式低压加热器引射性能方程推导引射混合式低压加热器引射性能方程推导 . 19 2.4.1 引射性能方程推导途径概述 . 19 2.4.2 引射混合式低压加热器引射性能方程推导的依据. 20 2.4.3 引射混合式低压加热器引射性能方程的推导. 20 2.5 引射混合式低压加热器的阻力平衡分析法简介引射混合式低压加热器的阻力平衡分析法简介 . 23 2.6 引射混合式低压加热器喉口结构的假定引射混合式低压加热器喉口结构的假定 . 25 2.7 引射混合式低压加热器的工作效率和最优参数引射混合式低压加热器的工作效率和最优参数 . 26 重庆大学硕士学位论文 vi 2.7.1 引射混合式低压加热器的工作效率 . 26 2.7.2 引射混合式低压加热器的最优参数 . 27 2.8 本章结论本章结论 . 28 3 引射混合式低压加热器设计与实验准备引射混合式低压加热器设计与实验准备 . 29 3.1 引射混合式低压加热器加热性能试验台设计引射混合式低压加热器加热性能试验台设计 . 29 3.1.1 引射混合式低压加热器加热性能试验要求描述 . 29 3.1.2 引射混合式低压加热器加热性能主要试验仪器清单 . 30 3.2 引射混合式引射混合式低压加热器的设计低压加热器的设计 . 30 3.2.1 圆周喷射中心引射的引射混合式低压加热器设计 . 31 3.2.2 圆周喷射中心引射的引射混合式低压加热器设计预试验及分析 . 33 3.2.3 圆周喷射中心引射型的引射混合式低压加热器预实验结论 . 37 3.2.4 中心喷射圆周引射型引射混合式低压加热器设计 . 38 3.2.4 引射混合式低压加热器引射性能方程 . 40 3.3 本章结论本章结论 . 41 4 引射混合式低压加热器加热性能试验分析引射混合式低压加热器加热性能试验分析. 43 4.1 引射混合式低压加热器试验说明引射混合式低压加热器试验说明 . 43 4.2 引射混合式低压加热器试验数据分析引射混合式低压加热器试验数据分析 . 43 4.2.1 试验数据可靠性分析 . 43 4.2.2 引射混合式低压加热器引射性能试验分析 . 44 4.2.3 引射混合式低压加热器加热性能试验分析 . 47 4.2.4 引射混合式低压加热器试验结论 . 55 4.3 引射混合式低压加热器射流凝结换热分析引射混合式低压加热器射流凝结换热分析 . 55 4.4 引射混合式低压加热器凝结换热引射混合式低压加热器凝结换热 nu 准则式拟合准则式拟合 . 57 4.5 射混合式低压加热器凝结换热射混合式低压加热器凝结换热 nu 拟合式准则式偏差分析拟合式准则式偏差分析 . 59 4.5.1 mnk nu cre pr=拟合准则式与实验结果偏差分析 . 59 4.5.2 mnkl nu cre prm=拟合准则式与实验结果偏差分析 . 61 4.6 本章结论本章结论 . 62 5 永荣矿务局永荣矿务局 6mw 机组低压加热器改造可行性分析机组低压加热器改造可行性分析 . 63 5.1 永荣矿务局永荣矿务局 6mw 机组运行情况简介机组运行情况简介 . 63 5.2 永荣矿务局永荣矿务局 6mw 机组改造方案机组改造方案 . 64 5.3 永荣矿务局永荣矿务局 6mw 机组改造方案技术经济分析机组改造方案技术经济分析 . 64 6 结论与展望结论与展望 . 65 6.1 结论结论 . 65 目 录 vii 6.2 展望展望 . 66 致致 谢谢 . 69 参考文献参考文献 . 71 附附 录录 . 77 重庆大学硕士学位论文 viii 符号说明 ix 符号说明 c： 吸入面积比 s 2s 1 caa n d： 直径 m g： 重力加速度 h： 对流换热系数 w/(m2 k) h： 焓 kj / ( kg k ) h： 压力比 c0 hpp k： 动量修正系数 m： 面积比 21 maa n： 吸入面积比 3 s1 1 am n am t： 温度 u： 流速 m / s z： 位置水头 pa a： 截面积 m2 f： 作用力 n g： 质量流量 kg/s h： 水压头 pa l： 长度 m c l： 喉口距 m k l： 混合长度 m p： 压强 pa q： 体积流量 m3/s q： 热量 j re： 雷诺数 ud re nu： 努塞尔特数 hd nu pr： 普朗特数 pr 0 p： 引射器压力 pa c p： 引射器工作压力 pa 希腊字母 ： 喷嘴壁厚修正系数 ： 混合室进口函数 ： 密度 3 kg / m ： 质量流量比 sw gg ： 速度不均匀修正系数 4 ： 喉口速度不均匀修正系数 5 ： 水进口速度不均匀修正系数 s ： 密度比 ： 比容 ： 3-3 截面能量修正系数 ： 阻力系数 ： 体积流量比 ： 加热器效率 ： 喉口壁面夹角 ： 运动黏度 2 m / s /r：相对粗糙度 上下标 w： 水 s： 蒸汽 s： 截面 s-s 处 0： 截面 0-0 处 1： 截面 1-1 处 2： 截面 2-2 处 3： 截面 3-3 处 ： 另一设备参数 ： 某参数的函数 m： 最优参数 重庆大学硕士学位论文 x 1 绪 论 1 1 绪 论 1.1 课题背景 随着人类生活水平日益提高，对资源、能源消耗的大大增加，有限的资源正 在加速枯绝，为了人类的生存和发展，不得不采用新的技术和手段进行节能降耗。 作为耗能大户的热力发电厂，也在采用新的技术和手段进行节能降耗，提高其循 环热效率，实现节约资源与能源、增加效益。时至今日蒸汽动力循环已由单一的 朗肯循环（rankine recycle）逐渐演变为再热循环（reheat recycle） 、回热循环 （regenerated cycle）以及它们的混合循环，发电机组也日益大型化；与此同时各 国研究者也在大力研发各种新型高效洁净燃煤技术，以保护我们的生存环境。目 前大多数热力发电厂基本采用间壁式低压加热器和高压加热器，在运行中能耗较 大、故障率较高，还必须存在换热端差1，因此就采用的间壁式低压加热器而言， 可以采用直接混合式低压加热器在原有基础上进一步提高蒸汽动力循环的热效 率。 1.2 目前热力发电厂低压加热器使用概况 目前国内外热力发电厂再热回热循环中的低压加热器基本采用间壁式换 热器，汽轮机抽汽走壳程，凝结水走管程。直接混合式加热器系统2虽然其加热效 率最高，无凝结水输水管道，结构简单，金属耗量少，特别是有色金属铜的 耗量少；也便于汇集各种不同参数的汽和水，还可兼作除氧器；同时还可以大大 减少在蒸汽轮机叶片上结的铜垢； 但是 由于箱（罐）式直接混合加热器结构复 杂， 其工作压力一般不能高于压力较低 的蒸汽轮机抽汽的压力， 否则会造成凝 结水灌入汽轮机酿成蒸汽轮机进水的 重大事故。 图 1.1 为一卧式直接混合式加热器 的结构及工作原理示意图， 该低压加热 器体积大，制作工艺和运行控制较复 杂， 在加热器的进口和出口需要设置凝 结水泵加压，所以当低压加热器系统采用箱（罐）式直接混合加热器作为凝结水 加热设备时，低压加热系统的组成过于复杂，运行安全可靠性低和投资大。为此， 国内外热力发电厂的低压加热系统几乎多采用凝结水泵一次升压的多级间壁式低 图 1.1 混合式低压加热器示意图 fig1.1 schematic diagram of mixing l.p.heater 1水入口 2加热后水出口 3蒸汽入口 重庆大学硕士学位论文 2 压加热器系统，主要是采用铜及铜合金换热管束的管壳式间壁低压加热器。随着 蒸汽初压力提高到亚临界和超临界，汽轮机叶片结铜垢以及处于真空下低压加热 器氧腐蚀的现象日益受到重视，在重力式回热系统布置方式中开始出现混合式低 压加热组3,4。一般将压力较低的混合式加热器放在相邻的压力较高的混合式加热 器上方，加热后的凝结水在重力作用流入下一级加热器，因为受到厂房高度等因 素影响通常只有 2 或 3 台混合式加热器串联布置，且为了实现蒸汽与水充分、均 匀换热，低压加热器内部结构较复 杂。图 1.2 示意性的表示出了热力发 电厂中凝汽器到除氧器部分，采用重 力布置的二级混合式低压加热系统， 由多个混合式低压加热器串联组成 的低压加热系统在运行中较难对每 一级升压水泵进行动态控制，而且当 图 1.1 所示结构的混合式低压加热器 水位异常时还会出现凝结水沿低压 抽汽管道灌入蒸汽轮机的危险。间壁 管壳式低压加热器在运行中需要存 在换热器端差，不能完全有效利用低 压抽汽的热焓，对于大机组常出现低 压加热器的锅炉给水温升不足5。而 且在高速蒸汽冲击下换热的铜管束常出现振动和噪声，还存在换热壁面两侧热冷 流体压差过大和局部区域温差过大造成设备应力分布复杂，应力腐蚀现象6严重， 以及经常出现因焊缝撕裂而发生凝结水泄漏进入汽侧7等故障。 关于蒸汽驱动引射器8的研究较多， 而且多是针对运用于核反应堆事故冷却方 面的深入研究。对于采用压力水驱动的引射器来回收低品位蒸汽的热能进行采暖 方面9 14的研究也有不少。 鉴于以上介绍的间壁式低压加热器的使用情况，近年来出现了一些关于低压 加热器发展的新趋向： 用不锈钢材质的换热管束来取代铜质换热管束，或者采用不锈钢板式换热 器来替代铜质管束的管壳式低压加热器15，以消除制造困难和在蒸汽轮机叶片上 结铜垢的现象。 用引射器的工作特点，用引射器作为低压加热器来简化热电厂的低压加热 系统结构和提高循环热效率。但是采用引射器作为热力发电厂低压加热器方面的 研究，到目前为止也只是进行了理论探讨16,17和简单的节能经济18计算分析，并 图 1.2 重力布置混合式低压加热器系统示意图 fig1.2 the schematic diagram of gravitational arrangement mixing l.p.heater 1凝汽器 2凝结泵 3加热蒸汽 4重力布置混合式低压加器 5除氧器 1 绪 论 3 未检索到具有实用意义试验研究的相关资料。 1.3 引射器的研究概况 1.3.1 管内流动特性与管道截面变化规律的关系 任何一种流动都是在一定的外部条件作用下产生的。随着流动条件的不同， 管内流动状况呈现多种多样的现象。就喷管流动而言，其流动条件19包括力学条 件和几何条件两个方面。力学条件指喷管前后的压差，几何条件指喷管长度 l 和 喷管流动方向（设为 x 方向) 的截面变化规律 a=f(x)。 工质呈现降压升速、升压减速等流动特性，即工质压力 p、比容 v、流速 u 与 流动截面 a 的相互变化关系，属流体自身属性，它不会自发地表现出来，而是从 属于流体流动的外部条件而存在。力学条件是工质流动的动力，几何条件（即流 道条件）是工质实现连续降压增速或升压减速的保证。在流动产生前和流动过程 中，力学条件和几何条件共同确定了相应的流动特性，缺一不可。当力学条件确 定后，喷管内流动特性（即 p=f(x) 和 u=f(x)等）将完全取决于管道截面变化规律。 任何稳定流动都是在流道中产生的。在一定的力学条件下，喷管内工质压力 之所以能连续降低，形成相应的流动特性，是由于管道截面连续变化形成的，其 实质是在力学条件的作用下几何条件发挥的控制作用。流道是流动产生的前提， 决定着流体的流动特性，有何种特性的流道就能产生何种流动，也即流道截面的 变化导致了流体流动时相应的压力变化，压力的变化又引起了相应的速度变化。 1.3.2 引射器简介 引射器20,21是一种流体机械，是指没有运动部件而在可控制条件下利用运动 流体的设备，将压力较高、从喷嘴喷出用来产生抽吸作用的流体称为工作流体， 被抽吸的流体称作引射流体22。根据工作流体和引射流体的性质是液体还是气体 而分别被称作喷射器、引射器和射流泵23等不同的名称。 到目前为止引射器仍没有一个统一的分类方法,而且名称不一， 例如： 引射器、 喷射器、混水器,射流器等，为此常以在引射器中相互作用介质的状态来分类24。 一般可以分为如下三类： 工作和引射介质的集态相同的引射器。 工作和引射介质处于不同的集态，它们在混合过程中集态也不改变的引射 器。 介质的集态发生改变的引射器。在这类引射器里,工作流体和引射流体,在 混合之前处于不同的相态,混合后变成同一相态,即在混合过程中其中一种流体的 相态发生改变，引射混合式低压加热器即属于此类引射器。 重庆大学硕士学位论文 4 引射器是利用射流的紊动扩散作用，来传递能量和质量的流体机械和混合反 应设备。 它一般由喷嘴、 吸入室、 喉口、 混合室和扩散室等几部分组成 （见图 1.3） 。 1.3.3 引射器的理论研究历程 在 19 世纪,为了维持蒸汽机冷凝器内的真空条件发明了引射器, 到 19 世纪末 期,在德国学者 g.伊纳(zeuner) 和 m.兰金(rankine) 的著作中建立了引射器的理论 基础，当时的超声速引射器的几何结构是根据经验设计出来的。直到 20 世纪 40 年代,由于流体力学和空气动力学的发展, keenan 等人25才提出了引射器的一维设 计理论，该理论为引射过程中工作流体和引射流体的混合过程建立了动量方程。 考虑到流体特别是气体具有可压缩性,对超声速引射器而言,求动量方程式的 分析解尤为困难。因此 keenan 和 elord 等人提出了两种解决方法。一是假设流动 区域的截面面积 a 为常数，即假设工作流体和引射流体的混合过程是在截面积不 变的条件下完成的；二是假设引射器的混合过程是一个近似等压的过程,即假设工 作流体和引射流体的混合过程是在压力不变的条件下进行的。定压混合理论的假 设首次对引射器给出了完整的理论分析和实验研究，形成了引射器的一维基本理 论，但是由于混合室内流动过程的复杂性，用定压混合假设理论无法确定混合室 的特征，通过进一步的研究发展了定常面积混合理论，keenan 等人的研究表明用 定压混合理论设计的引射器具有较好的工作特性。fabri 和 sieatrunck 等人以定常 面积混合假设研究发现，在工作流体的马赫数 mp1 和引射流体的赫数 mh1 的 条件下，引射器内流体的流动有时与背压无关，而有时又相关。定常面积假设和 定压假设都得到了广泛的试验验证，它们都假设工作流体和引射流体具有相同的 相对分子质量和比热容,工作流体和引射流体以及混合流体在任意截面上具有均匀 的物性分布,在喷嘴和扩压段内的过程都是等熵过程,忽略壁面摩擦和热量损失,在 理想气体的基础上,运用质量、动量及能量守恒方程计算工作过程,推导出具有最大 喷射系数或最大压缩压力的引射器结构参数的计算式。因为出发点不同，在对能 量、动量和质量的三个守恒方程式求解时，得到关于马赫数 mp、温度 t 和压力 p 图 1.3 引射器工作原理简图 fig1.3 the chematic diagram of ejector 1 工作喷嘴 2 吸入室 3 喉口 4 混合室 5 扩散室 1 绪 论 5 的表现形式不相同，但结论基本一致。事实上，特别是超声速混合过程并不像假 设的那样理想,混合激波、粘性干扰、分离涡及真实气体效应等物理现象的相互作 用使得引射器内部流场极其复杂，因此一维分析方法存在着一定的缺陷26。 过去人们主要是采用试验手段对引射器进行研究,先是在大量试验的基础上 提出一些理论,然后通过采用修正系数的方法来对提出的理论进行修正。但是影响 引射器性能的因素很多,试验结果往往具有很强的局限性, 推广应用相当困难，因 此在设计一个新的引射器时,通常要重新进行试验才能确定其性能。 随着计算机技术和计算流体力学的迅速发展,使采用数值方法模拟求解超声 速引射器流场27成为可能。数值模拟与试验相结合可以深入揭示引射器的流场结 构,解释试验现象,为试验进行了一定的探索和提供必要的指导28。近年来国内外 有一些学者尝试用 n-s 方程计算全流场以预测引射能力, 但这种理论预测要求将 内外流场耦合计算, 而且在边界条件的处理上要求将外流场边界取得足够大,不 便于工程的应用和分析。 1.3.4 引射器的实验研究及运用概况 目前由于在工程上广泛的应用,引射器及射流技术已发展成为一个新的重要 的学科分支。到目前为止关于引射器的研究多数集中在液-气引射器、汽-液引射 器和气-气引射器等方面，在此仅就涉及到射流技术及引射器结构的几个方面的研 究现状作一些简单介绍。 混合激波29(mixing shock) 是发生在液-气引射器中的一种