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热能与动力工程专业毕业设计论文

摘要

在汽轮机启动过程和正常运行时会有蒸汽及一些漏入空气进入凝汽器。

因此需要抽汽设备将汽水管路中的不凝结气体及时抽出，以维持凝汽器的真空，提高汽轮机设备的热经济性。

射水抽气系统能很好的解决这些问题，该系统能在机组启动初期建立凝汽器真空并且在机组正常运行中保持凝汽器真空，确保机组的安全经济运行。

本文介绍了射水抽气系统的理论研究和设计方法。

首先通过查表计算，由机组一些参数先确定射水抽气器的抽气容量、温度等各种所需参数。

然后利用这些参数选出合适的射水抽气器，当射水抽气器完成选型后即可对该系统其它部件进行分析选型设计。

本文通过对射水抽气系统的设计对射水抽气系统分析和研究，从而找到提高射水抽气系统效率的方法，并对射水抽气系统一些问题提出建议。

关键词：

射水抽气器；射水泵；管道；阀门

Abstract

therewillbesteamandsomeleakageairintothecondenserwhentheturbinestartupandnormaloperation.Sotheairejectorisneededtodrawoutthenon-condensedgasfromthesoftpipeinatimelymannertomaintainthecondenservacuumandimprovethethermaleconomyoftheturbineequipment.WaterSystemcansolvetheseproblemswell,thesystemcanestablishcondenservacuumwhentheunitstartupintheinitialstageandmaintainthecondenservacuumwhentheunitnormaloperationtoensurethesafeoperationofunit.

ThispaperdescribestheWaterSystemstudyanddesigntheory.Firstofall,bylook-uptableandcalculation,determinetheparametersofWaterJetAirEjectorexhaustcapacity,temperatureandotherparametersrequiredbysomeparametersoftheunit.ThenselectanappropriateWaterJetAirEjectorbytheseparameters.WhentheselectionofWaterJetAirEjectorcompleted,itistimetoanalyzeanddesignfortheOthercomponentsofthesystem.BasedontheWaterSystemdesign,thispaperaboutanalysisandresearchtheWaterSystemistoimprovetheWaterSystemtofindefficientwaysandgiveadvicetosolvesomeproblemsoftheWaterSystem.

Keywords:

WaterJetAirEjector；Ejectpump；pipe；valve

前言

能源是工业进步社会发展的重要物质基础，随着科学技术的高速发展能源的消耗也越来越多。

人类已面临了能源紧张的危机。

而我国是世界上少有的几个以煤电为主的一次能源国家，对于中小型火电厂能源消耗大，环境污染严重。

因此提高火电厂的热经济型节能减排已势在必行。

本论文以提高汽轮机系统的效率和经济性为目的对汽轮机的射水抽气器系统设计进行了研究和讨论。

目前我国中小型火电厂的射水抽气系统的设计还不是很完善，主要通过性能试验和经验完成设计。

本论文根据大量的资料将射水抽气系统的设计方法进行了明确，对系统的一些内容进行了整合和优化。

论文的重点是对射水抽气系统的各个组成设备的理论研究和选型，从而对射水抽气系统设计理论进行完善。

在论文撰写的过程中，借鉴了大量的相关资料，同时得到了温小萍老师的大力支持和帮助，在此表示衷心的感谢。

由于水平有限，本论文有许多不足之处，望老师们批评指正。

1．绪论

汽轮机设备在启动和正常运行过程中，都需要将设备（特别是凝汽器）和汽水管路中的不凝结气体及时抽出，以维持凝汽器的真空，改善传热效果，提高汽轮机设备的热经济性。

因此，由抽气设备，管道，阀门等组成的抽气系统是凝气设备中非常重要的组成部分。

射水抽气系统是由射水抽气器，射水池，射水泵，凝汽器，阀门，管道为主要部件构成的。

射水抽气器广泛作为于火电厂汽轮机凝汽的抽气设备。

1.1选题的目的及意义

我国一些背压或凝气式汽轮机常采用射水抽气器作为抽气设备，采用射水抽气器的好处是简化抽气系统和热力系统，噪音低，安全可靠。

射水抽气系统的主要关键部件是射水抽气器。

对于低水头的射水抽气器，其优点更为突出，还可以辅助抽气器，系统简化，结构紧凑，喷嘴直径大，易于加工制造，运行中不易堵塞，维修方便，运行可靠，功率大，质量小，价格低廉，能获得更高一些的真空度。

另外，射水抽气系统是保证汽轮机正常运行的系统之一，因而该系统的良好设计是保证汽轮机安全经济运行的重要一环，不容忽视。

与射汽式抽气器比较，采用射水式抽气器能够节省消耗在射汽式抽气器的蒸汽量，且不需要冷却器，提高了电厂的经济性。

射汽抽气器工作蒸汽是从新蒸汽节流而来，因此产生节流损失，从效率上考虑是不经济的；如果射汽抽气器与单元制机组配套，当这种机组采用冷态滑参数启动方式时，还需要为射汽抽气器准备汽源。

通过研究表明，综合射水抽气器和射汽抽气器相比较优点主要有以下三个方面：

（1）射水抽气器不消耗蒸汽，射水抽气系统更为经济方便。

（2）在同一台机组上，使用射水抽气器比使用射汽式抽气器效果好。

两种抽气器在抽吸同样的空气量时，射水式抽气器可以在凝汽器喉部获得较高的真空度。

（3）在抽气负荷增大时，射水抽气器的工作要比射汽抽气器稳定。

对于中小型火电机组凝汽器，抽气器选用射水抽气器更为合理和经济。

因为射水抽气器对凝汽的真空和工作效率有着直接的影响，所以只有射水抽气系统合理高效的工作，才能正常的维持机组的真空度，汽轮机组才能正常的工作。

因此对射水抽气器的研究对于维持汽轮机凝汽器真空，改善传热效果，提高汽轮机设备的热经济型是很重要的。

并且对射水抽气系统设计研究对射水抽气系统的发展和汽轮机组的发展也有着重要的意义。

1.2抽气设备的概述

用于汽轮机凝汽器的抽气器其工作特点：

一是抽吸的真空并不要求很高，为了维持凝汽器在多种工况下正常工作，其抽吸压力一般在0.00267~0.0533MPa就可以了；二是抽气速率和抽气量都很大，且抽出的介质为汽气混合物。

抽气器的任务就是将漏人凝汽器内的空气和蒸汽中所含的不凝结气体连续不段地抽出，保持凝汽器始终在高度真空下运行，抽气器运行状况的优劣，影响着凝汽器内绝对压力的大小，对机组的安全，经济运行起着重要的作用。

抽气器设备的型式很多，按其工作原理可分为容积式（或称机械式）和射流式两大类。

射水抽气器属于射流式抽气器，这是利用具有一定压力的流体，在喷管中膨胀加速，以很高的速度将吸入室内的低压气体吸走。

射流式抽气器没有运动部件，制造成本低，运行稳定可靠，占地面积小，能在较短时间内（通常5~6min）建立起所需要的真空，且可回收凝结水。

抽气器型式的选择主要根据汽轮机设备的情况和抽气设备的特点来考虑。

例如，对于高中压母管制额定参数启动的机组，工作蒸汽来源方便，多采用射汽式抽气器。

而对于高参数大容量单元制机组，若采用射汽式抽气器，则因其过载能力小，需要另设启动抽气器，滑参数启动时，还需要有其他工作蒸汽来源，使系统复杂，经济性下降；而采用射水抽气器，则管道系统简单，维护工作量少，启停快，但需要配射水泵和专用水箱，占据空间也比射汽式大。

采用机械式抽气器则启停灵活、效率高、但地少，但造价高，维护工作量较射流式大。

欧美等国电站采用机械式抽气器较多。

目前，我国生产设计的非再热机组、中小型机组用射汽抽气器，单元制一般用射水抽气器。

由于一些机组抽气器运行时间较长，进行了一些改造，最近几年大有把真空泵引入中小型机组的趋势。

1.3射水抽气系统的发展

射水抽气器的出现已有一百多年历史,但普遍用于汽轮机组凝汽器上是从本世纪年代初开始的。

最早使用的是瑞士勃郎一鲍浮利（B、B、C）工厂生产的汽轮机组上,后来为其它国家所广泛采用,在抽气器发展史上沿用了四十多年其构造无多大改变。

射水抽气器的最初形式是单通道短喉部射水抽气器，最早使用的是瑞士勃郎一鲍浮利（B、B、C）工厂生产的汽轮机组上,后来为其它国家所广泛采用,在抽气器发展史上沿用了四十多年其构造无多大改变。

单通道短喉部射水抽气器抽气器在世界各国从20年代初一直沿用到60年代中期。

70年代初,国产大型凝汽式汽轮机所配套的射水抽气器，这种型式与旧勃郎一鲍浮利式这种抽气器在结构上有改进,但仍无重大突破。

压缩效率低于25﹪,抽吸每公斤耗功高达3.5kW。

50年代末,苏联全苏热工研究所提出了四喷嘴抽气器的改革方案,并作了多次试验台及工业性试验,目的是提高旧式抽气器效率。

该型抽气器的构造特点是：

（1）水喷嘴由一只改成四只,而总截面积基本不变；

（2）空气进口由单侧改成双侧,对称排列,避免单侧进气时射流喷入喉管的气相偏流。

实验证明这种偏流确实存在。

由单喷嘴改为四喷嘴基于,当时人们对抽气器工作原理的认识：

工作水由喷嘴射人吸人室,由于水流束对气体的粘滞作用,水束将气体带人喉管,使吸人室形成真空,而水束在吸人室中尚未来得及破碎成小滴,所以只有水束的外缘才能对气体产生较强的粘滞作用。

在喷嘴总面积不变的情况下,增加喷嘴数目,将使水束在吸人室的分布更趋均匀,其外缘对气体的附吸、粘滞作用更强烈。

这一改进未能达到预期的效果，这是因为采用多喷嘴,对于液一液一相喷射泵,确是能提高效率（例如汽轮机的注油器）。

但使用在水一气两相流的射水抽器中,效果则不明显,往往还产生了更为严重的喉口冲击,虽然单侧进气改为双侧进气能有效地改变气体进人喉管时的偏流。

该型抽气器未能得到普遍推广。

70年代,很多国家都对抽气器的工作原理进行了深人研究。

原苏联“全苏热工研究所”较早发表这一成果,他们在液流能量方程的基础上导出了射水抽气两相流的能量平衡方程,从理论上首先定量地阐明了长喉管对抽气器工作的作用。

80年代中期为了适应大型汽轮机组的发展需要。

全苏热工研究所将抽气器加以改进,将原有的扇形通道改成圆形,并以此作为母型进行一系列的对比试验。

在理论上采用了一套较为合理的计算方法。

研制成了一种七通道长喉型抽气器。

随着技术的进步科技的发展，射水抽气系统中的关键部件射水抽气器有了较大的进步和发展，在我国目前较为先进的是低耗搞笑多通道抽气器，这种抽气器的特点主要是：

①.多通道抽气器具有结构简单无机械传动，使用安全，运行寿命长，噪声低，投资少；②.对水质要求较低，运行部件不结垢；③.具有良好的启动型，小能耗、高效率、建立真空快；④.具有余速抽气性能，可抽吸轴封加热器气体。

1.4射水抽气系统设计方法

本次设计是根据所选汽轮机凝汽器的型号为标准设计相应的射水抽气系统。

经过计算和查表，由凝汽器的型号参数先确定射水抽气器的容量。

当射水抽气器的容量大小确定后，即可对该系统的设计安装进行研究和分析。

由射水抽气器的大小对射水泵和阀门进行选型，本次设计射水泵设两台，一台运行一台备用，备用泵应按照自启动设计。

同时对射水池进行设计，确定射水池的大小容量，射水池要采用合理的结构满足系统需求，射水池要尽可能的结构简单，方便维修，节约场地。

射水抽气器，射水池，射水泵，阀门都设计完毕后对管道进行选型，管道要简单，布置合理，节约能耗。

最后对射水抽气系统进行安装。

这就是本次射水抽气系统的设计方法。

2．射水抽气器理论研究

射水抽气器是射水抽气系统的关键设备，。

主要由工作水入口室，喷嘴，混合室，扩散管和逆止门等部件组成，工作原理是：

由射水泵供给的压力水，通过进水管进入水室后，再进入喷嘴。

在喷嘴中水的静压力能转换成速度能，水以高速通过混合室形成高度真空，抽吸凝汽器中的不凝结气体并与之混合一起进入扩散管，降入升压后排入射水池。

在射水池中，不凝结气体逸出大气。

射水抽气器的选择对系统是至关重要的。

2.1射水抽气器简介和特点

2.1.1射水抽气器的型式

一般的，目前我国电站等设备多用的射水抽气器有以下几种型式：

（1）长喉部射水抽气器。

这种射水抽气器的特点是喉管长度与喉管截面直径比值不小于18。

效率要比短喉射水抽气器高，应用也极其广泛。

（2）短喉部射水抽气器。

短喉管部射水抽气器的喉管长度与喉管截面直径比值为2～5的射水抽气器。

（3）单通道射水抽气器，单通道射水抽气器即为单个喉管的射水抽气器。

（4）多通道射水抽气器，多通道射水抽气器是指有两个或两个以上通道的射水抽气器。

2.1.2结构

我国设计制造的高压凝气式机组中，较多的是用射水抽气器作抽气设备。

图为典型的射水抽气器，它主要由工作水入口水室、喷嘴、混合室、扩压管和止回阀等组成。

在喷嘴前安装有水室，以防止工作水在进入喷嘴前形成漩涡，并提高喷嘴的工作性能。

工作水压保持在0.2~0.4MPa，由专用的射水泵供给。

压力水经过水室进入喷管，喷管将压力水的压力能变成速度能，以高速射出。

在混合室内形成高度真空，使凝汽器内的气、汽混合物被吸入混合室，在混合室内，气、汽混合物和水混合后一起进入扩压管。

工作水在扩压管中流速逐渐降低，由速度能转变成压力能，最后在扩压管出口其压力升至略高于大气压力而排出扩压管进入冷却池。

为防止升压泵发生事故，使供水压力降低，导致喷嘴的工作水吸入凝汽器中，必须在射水抽气器的气。

汽混合物的入口装有止回阀。

1．工作水入口2.喷嘴3.混合室4.扩压管

5.逆止阀6.上水室7.水室平衡孔

图2-1射水抽气器

2.1.3连接方式

射水抽气器在系统中的连接方式通常有两种：

一种方式是开水供水方式，工作用射水泵从凝汽器循环水入口管引出，经抽气器后排出的汽、水混合物引到循环水出水管中；另一种方式是系统设有专门的工作水箱，水箱给射水抽气器提供工作水，工作水在射水抽气器内喷射抽气后从夹带着凝汽器的未凝结空气和漏人空气流回水箱，这种方式叫做闭式供水方式。

由于受水源的限制，一般热力发电厂都采用闭式供水方式。

2.1.4喉部结构特征对射水抽气器工作性能的影响

（1）喉部长度的影响。

研究成果表明，提高射水抽气器经济性的关键在于其喉部获得水、气混合物的临界流动工况，而临界流动工况的实现又以在喉部水、气混合物完全充满，并在压缩增压前混合的均匀程度达到足够高的条件为前提。

在长喉部射水抽气器中，正由于喉部有足够的长度在一定的流体参数和几何参数下足以使水、气混合物的流动逐渐趋于均匀而获得临界流动工况，此时，复环流损失及突然压缩损失均可达到最小值，提高射流效率。

这一点在短喉部射水抽气器中是达不到的。

因而大大节省了功耗。

短喉部射水抽气器和长喉部射水抽气器的对比：

①.无论是长喉部还是短喉部射水抽气器，随着工作水压力的增高，虽然工作水流量随之减少，但是功耗却随之增加，因此高工作水压射水抽气器的经济性不如低工作水压下的经济性好。

②.短喉部射水抽气器的比功耗为1.84~2.26，长喉部射水抽气器的比功耗为1.33~1.76，显然与短喉部相比，长喉部射水抽气器的经济性明显地提高。

③.在低工作水压下，长喉部射水抽气器比短喉部的工作水量的降低量要大于高工作水压条件下工作水量的降低量，导致在高工作水压下长喉部射水抽气器比短喉部的耗功的降低率要小于低工作水压条件下耗功的降低率，因此表明，在低工作水压条件下，长喉部射水抽气器的经济性更为显著。

短喉部射水抽气除经济性差之外，还存在着结构落后，机械加工工作量大，铸件毛坯报废率高，运行时振动噪声大等缺陷。

因此，短喉部射水抽气器已经逐步被长喉部射水抽气器所代替。

不仅如此，喉部长度还对抽气器的流量比有着较大的影响，通过研究表明，在一定范围内增加喉管的长度，可以提高流量比。

（2）多通道抽气器。

多通道抽气器采用吸入室内有分流室的结构作为主要通道和以小孔群方式组合的辅助通道，以降低气阻，消除气相偏流，增加两相质点能量交换；同时应用了新的计算方法，经过对比实验确定了吸入室几何结构、喉部形状、喉颈喷嘴面积比、喉颈喷嘴径比等，并根据不同抽气的容量，选择通道数及水压，以获得最佳截面与流速，实现吸入室的高效率。

根据等截面喉管末端仍具有较高流速及整个喉管之间流速互不干涉原理，该型抽水器实现了喉管下段及出口的分段抽气；所提供的后置式抽气器也多为多通道，可供抽吸轴封加热器之空气。

多通道射水抽气器和旧型相比，优点如下：

1涡旋斜切空气喷嘴，可使水束外的空气层更加有效地约束高压水束的扩张，使汽水混合物顺利地进入喉部并排至大气。

图2-2斜切空气喷嘴

2涡旋斜切喷嘴的设计，使进入内部通道的每个水束发挥同等高效，解决气水分布不均，水束做功不均的现象。

3该抽气器的喉部设计了带缓冲均压室的聚流口，吸收噪音，减少抽气器的振动从而进一步提高了抽气器效率。

4抽气器喉部内侧设有扰流螺旋，消除边界层和气体析出上飘，加强气、水混合。

结构如图。

5抽气管喉部上侧空气管入口处装有止回阀，可有效地防止汽机停机时凝汽器真空的快速下降。

图2-3各类型射水抽气器

2.2射水抽气器抽出的产物确定

射水抽气器设备是汽轮机主要辅助设备之一，在机组正常运行时，需要用射水抽气器及时的抽出凝汽器及真空系统中漏人的不凝结气体，维持凝汽器的真控。

抽气器在维持机组真空和机组的安全正常运行有着十分重要的作用。

射水抽气设备在机组运行中必须能正常的从凝汽器中抽出不凝结蒸汽，以产生与物性参数和传热相适应的最小蒸汽凝结压力，需要抽出的不凝结气体的主要来源包括以下几项，但不以次为限：

（1）所存在低于大气压下运行的系统中漏人的空气；

（2）进入凝汽器的疏水和排放释放出来的气体；

（3）进入凝汽器补给水释放出来的气体；

（4）在闭式循环中使用凝结水平衡箱内所产生的气体；

（5）在某些形式的核燃料的循环中，给水离解出来的氧气，氢气以及其它不凝结气体。

具体的真空系统的空气分为正常漏人与非正常漏人两方面。

正常漏入的途径有：

①汽轮机低压轴封、真空系统阀门门杆水位计填料等处漏入空气；

②汽轮机排气疏水中折出的气体。

其数量每种机组都有经验数据，加上一定的富裕量后即为制造厂确定抽气器单台容量的依据。

非正常漏入空气的途径有：

①低压缸中分面不严密处漏入的空气；

②排气缸与凝汽器接口及其它真空管道、容器裂口处漏入，由于这些设备由缺陷漏入的气体最大值无法预料，所以一般不作为确定抽气器单台容量的依据。

除了不凝结气体，还需要抽出一定的附带蒸汽，以保证凝汽器的正常运行，并产生合理的气流速度，使凝汽器汽侧的腐蚀减小到最小程度。

2.3射水抽气器设计参数

2.3.1抽气器的容量确定

抽气器的容量是指在设计工况下，单位时间内抽气器所抽干空气的质量。

汽轮机发电机组在启动初期建立凝汽器真空以及运行过程中保持凝汽器真空都需要抽真空系统完成。

国内外汽轮机组抽气装置容量的确定大多采用美国热交换协会（HEI）《表面式凝汽器表转》推荐的计算方法。

抽气装置的设计容量不应小于HEI的规定，应保证在各种运行工况下，有足够的抽气能力。

从HEI标准确定漏人汽轮机组空气量的计算中可以看出，由凝汽器中抽出的汽气混合物量与汽轮机低压缸的排气量、辅助汽轮机的排气量及排气口数目、凝汽器客体数目有关。

也就是说漏人的空气量不单与排气量大小有关，而其与排气口数目、凝汽器壳体数目有关。

这一观点抛弃了过去那种只与排气量有关的粗糙近似公式（如别尔曼公式）。

由于HEI标准给抽气器装置容量计算带来了满意的经济效果，所以被世界各国所公认。

当采用多壳体凝汽器时，可选用并联抽气或串联抽气器方式。

当采用多背压单壳体或多壳体时，可按每一压力凝汽器壳体或每一壳体的一个压力确定抽气器装置的总设计容量。

抽气装置的设计抽吸空气量应等于或大于按HEI标准设计的数值，即C=GV／Gh

式中，C为储备系数；GV为抽气装置设计抽吸空气量，kg/h；Gh按HEI标准计算的漏人空气量，kg/h。

根据美国热交换学会（HEI）提出的标准，抽气器的容量应不小于表中规定值。

其选择方法按凝汽器壳体数，排气口总数和每个排气口有效蒸汽量来选定。

应注意的定义：

（1）每个主排汽口的有效蒸汽流量。

将主汽轮机和给水泵汽轮机排气量的总和除以主汽轮机排汽口数，即得每个主排汽口的有效蒸汽流量。

（2）排汽口总数。

排汽口总数为主汽轮机排汽口数加上给水泵汽轮机的总台数。

（3）混合物状态参数。

混合物总量是在3.4kpa和22℃状态下计算得出的。

表2-1抽气设备的容量

单壳体凝汽器（kg/h）

每个主排气口的

有效蒸汽流量

项目

排气口总数

1

2

3

4

5

6

≤11340

干空气量

水蒸气量

混合物总量

6.12

13.47

19.60

8.16

17.96

26.13

10.21

22.45

32.66

10.21

22.45

32.66

15.33

33.75

49.08

15.33

33.75

49.08

11341~22680

干空气量

水蒸气量

混合物总量

8.16

17.96

26.13

10.21

22.45

32.66

15.33

33.75

49.08

15.33

33.75

49.08

20.41

44.91

65.32

20.41

44.91

65.32

22681~45360

干空气量

水蒸气量

混合物总量

10.21

22.45

32.66

15.33

33.75

49.08

20.41

44.91

65.32

20.41

44.91

65.32

25.49

56.06

81.56

25.49

56.06

81.56

45361~113400

干空气量

水蒸气量

混合物总量

15.33

33.75

49.08

25.49

56.06

81.56

25.49

56.16

81.56

30.62

67.36

97.98

35.70

78.52

114.21

40.82

89.81

130.63

113401~226800

干空气量

水蒸气量

混合物总量

20.41

44.91

65.32

30.62

67.36

97.98

35.70

78.52

114.21

40.82

89.81

130.63

51.03

112.26

163.29

51.03

112.26

163.29

226801~453600

干空气量

水蒸气量

混合物总量

25.49

59.06

81.56

40.82

89.81

130.63

40.82

89.81

130.63

51.03

112.26

163.29

61.23

134.72

195.95

61.23

134.72

195.95

453601