用于热电联产的蒸汽引射器结构优化研究_庞敬帅.pdf

为提升热电联产系统中蒸汽引射器性能，对引射器不同结构参数进行优化研究。以某典型 热电联产机组为例，确定引射器设计参数并建立数值模型，采用单参数结构优化分析混合腔直径、喉嘴距和入口倾角等结构参数对引射性能的影响，通过正交试验进行多参数结构优化，得到各结构的敏感性分析结果和引射性能相对最优的结构组合，在此基础上分析热电联产机组变工况条件下引射器适用性及运行策略。结果表明：多参数结构优化可进一步提升引射系数至 ，较初始设计引射器增幅达 ，引射性能明显提升；热电联产机组变工况下引射器动力蒸汽压力和出口背压需控制在合理范围以维持较高引射系数，实际运行中通过增大吸入蒸汽压力提升引射器性能的效果不明显。关键词：热电联产；蒸汽引射器；结构优化；数值模拟；正交试验中图分类号：文献标志码：学科分类号：，（，）：，：；随着城镇化的快速推进和发展，城市集中供热需求不断增加，截至 年，我国城市供热面积已达 亿。燃煤热电联产机组既发电又供热，能源综合利用效率理论上可以提高到 以上，目前北方大中城市大型热电联产集中供热占比越来越大，为现代化城市的能源结构调整做出了巨大贡献。传统热电联产机组以抽汽供热为主，抽汽参数高，供热损大，且低压缸做功后的乏汽经冷凝后释放到环境中造成冷源损失。为充分挖掘热电联产机组的节能潜力，国内部分机组进行了高背压供热改造，将汽轮机排汽直接用于供热，可大幅降低机组冷源损失。但该供热方式受热网参数和汽轮机排汽背压影响较大，若热网供回水温度偏高，则高背压机组乏汽较难全部利用，仍存在部分冷源损失，蒸汽引射器可作为回收高背压供热机组乏汽余热的有效补充手段。蒸汽引射器的工作性能直接影响系统的乏汽利用率和供热效率，提高引射器引射系数对能量高效利用和节能减排具有重要意义。蒸汽引射器的引射系数与其结构参数密切相关，由于理论研究存在一定局限性，深入实验研究的成本较高、难度较大，故数值模拟成为一种简单高效的结构优化手段。其中，等对喷射式制冷系统中引射器喷嘴进行了研究，发现引射系数随喷嘴喉部和渐阔段的长度及表面粗糙度变化敏感。付维娜等研究表明蒸汽引射器工作参数和其他结构参数不变时，喷嘴出口直径存在个最佳范围，使得引射系数达到最大。等和 等 研究了喷嘴出口位置和混合腔结构对引射系数的影响，为引射器优化设计提供了理论指导；等 通过数值模拟得出多效蒸馏系统中引射器混合腔长度和入口倾角均存在一个最优值，使引射系数最大；王志艳等 得出与类似的结论，发现混合室各结构均存在个最优值使其引射性能最佳。董景明等 研究发现等截面混合室长度对引射系数的影响不大，但会影响引射器的临界背压。耿利红等 研究发现引射器存在个最优面积比使引射性能达到最佳，且不同工质和不同工况对应的最优面积比会变化。等 通过一维研究表明等截面混合室长度对控制混合室内激波强度有重要作用。现有研究主要围绕喷射式制冷及海水淡化应用领域的蒸汽引射器开展，其运行工质、运行参数、结构尺寸与热电联产系统所用的蒸汽引射器相差较大，且已有研究在进行结构优化时大多只考虑单结构参数（即改变某一结构参数，其他结构参数保持不变）对引射系数的影响，忽略了不同结构之间的关联，在多个结构同时发生变化时，其结果未必能达到最优。基于此，笔者针对用于热电联产的蒸汽引射器开展研究，通过建立引射器数值模型，采用单参数分析和基于正交试验的多参数分析方法，得到各个结构的敏感性分析结果和引射性能相对最优的结构组合，并对优化后的引射器进行了变工况适应性分析，为热电联产系统中低品位余热回收引射器的研发和国产化奠定理论基础。蒸汽引射器模型的建立 工作原理蒸汽引射器结构如图所示，主要包括喷嘴、接受室、混合腔（包括混合腔渐缩段和等截面混合腔）和扩压管部分。其工作原理为动力蒸汽通过喷嘴降压增速后，在喷嘴出口处形成超音速射流并产生低压环境，将吸入蒸汽引射进入接受室，动力蒸汽与吸入蒸汽在混合腔内出现激波及壅塞等复杂流动状态并进行碰撞混合及能量、动量传递，形成一股中间压力的蒸汽，中压蒸汽在扩压管中减速增压后排出引射器。图蒸汽引射器的结构示意图 引射系数为蒸汽引射器中吸入蒸汽与动力蒸汽质量流量的比值，反映单位动力蒸汽引射吸入蒸汽的能力，是衡量蒸汽引射器运行性能的重要指标。其表达式为：，（）式中：为蒸汽质量流量，；下标代表动力蒸汽，代表吸入蒸汽。引射系数与蒸汽引射器背压之间的关系 动力工程学报第 卷见图。蒸汽引射器有种不同的运行模式，即临界模式、亚临界模式和回流模式。其中，蒸汽引射器背压小于其临界背压时，蒸汽引射器在临界模式下运行，引射系数保持不变；蒸汽引射器背压在临界背压与回流背压之间时，引射器处于亚临界模式，随着背压的增大而迅速减小，运行状态不稳定，应尽量避免蒸汽引射器在此模式下运行；当蒸汽引射器背压超过回流背压时，蒸汽引射器不能工作。笔者主要分析蒸汽引射器在临界模式运行时的工况。图背压变化对蒸汽引射器性能的影响 控制方程蒸汽引射器内部流动混合遵循质量、动量和能量守恒方程。质量守恒方程：（）（）动量守恒方程：（）（）（）能量守恒方程：（）（）（）（）（）（）（）式中：为密度；为时间；为速度；为压力；为黏性应力；为总能量；为传热系数；为温度；为动力黏度；、和为空间向量方向；为和个正交基矢量的点积。设计参数的确定索科洛夫 引入折算等熵速度的概念，基于质量、动量和能量守恒定律，将气体的各个热力学参数表达为折算等熵速度的函数，计算得到引射器的关键结构尺寸，这种设计方法称为气体动力学函数法。该方法所得设计结果与实验数据吻合良好，是国内厂家进行蒸汽引射器设计的主流方法，故本文采用气体动力学函数法设计蒸汽引射器。蒸汽引射器为非标化元件，需根据应用场景进行结构设计，本文主要研究用于热电联产余热回收的蒸汽引射器，以某典型 高背压供热系统为例，系统如图所示。供热系统由台高背压机组、蒸汽引射器和台抽凝机组串联而成，热网水依次经过供热凝汽器、引射器加热器、尖峰加热器三级加热后对外供热。其中，引射器动力蒸汽为抽凝机组部分中排抽汽，吸入蒸汽为高背压机组部分乏汽，基于作者课题组前期研究，以系统最大供热能力为目标，引射器压缩比（中压蒸汽与吸入蒸汽压力之比）应取为 ，利用气体动力学函数法对蒸汽引射器进行结构设计，设计工况和设计结构参数分别见表和表。图耦合蒸汽引射器的高背压供热系统 表蒸汽引射器设计工况参数 参数动力蒸汽吸入蒸汽中压蒸汽压力 温度 质量流量（）引射系数理论值 表蒸汽引射器设计结构参数 参数数值喷嘴喉部直径 喷嘴出口直径 等截面混合腔直径 扩压管出口直径 喉嘴距 等截面混合腔长度 扩压管长度 混合腔入口倾角（）第期庞敬帅，等：用于热电联产的蒸汽引射器结构优化研究 数值模拟根据 上 节 蒸 汽 引 射 器 设 计 结 构 参 数，采 用 和 对引射器进行几何建模和数值模拟。工程应用中引射器的低压入口为侧向分布，考虑吸入蒸汽速度远小于喷嘴出口超音速蒸汽，可将侧向入口简化为与喷嘴同心的轴向环形入口，故 模型可简化为 轴对称模型，。图为蒸汽引射器 与 几何模型示意图，给定相同边界条件，通过数值模拟得到 与 模型引射系数分别为 和 ，可见简化的 模型所得引射系数略高于 模型，两者相差 ，相对误差小于。等 的研究表明 与 引射器模型在中轴线上的压力分布吻合良好，两者的内部流动特性一致，采用 模型进行引射器性能预测时有较高可靠性。故考虑计算效率，选取 轴对称模型进行几何建模。网格划分采用四面体结构网格，可在速度梯度较大区域（如喷嘴喉部）和近壁面处采用等比网格适当加密以提高计算精度，具体划分结构见图。图蒸汽引射器 与 模型 图蒸汽引射器网格划分 采用 湍流模型，进行计算，动力蒸汽和吸入蒸汽均设置为压力入口边界条件，中压蒸汽设置为压力出口边界条件，固体壁面采用绝热无滑移壁面，流动工质为水蒸气，按理想气体处理。相应的模型及算法取值见表。为确保数值模拟结果的准确性和稳定性，避免网格数对数值模拟结果产生影响，对该模型进行了网格 无 关 性 验 证，分 别 选 取 网 格 数 为 、和 进行模拟，结果见图。当网格数达到 以上时，引射系数为 表计算模型及相应算法取值 项目算法及取值模型 求解方法压力速度耦合算法 能量方程离散格式二阶迎风格式动量方程离散格式二阶迎风格式连续项收敛精度 图网格无关性验证 并趋于稳定。考虑到网格数过多会大大增加计算时间，兼顾计算效率和准确性，本文蒸汽引射器数值模型网格数取 。利用数值模拟对引射器性能进行预测时，需对数值模型的精度进行验证，选取文献 中蒸汽引射器并在组工况下进行模拟，将模拟所得引射系数与文中实验结果对比，结果如图所示，模拟值与实验结果的相对误差在 以内，说明采用该数值模型对蒸汽引射器性能进行预测精度较高。图引射系数模拟值与实验结果对比 动力工程学报第 卷引射器结构优化分析蒸汽引射器的工作性能与其结构参数密切相关，为提高引射器引射系数，本节从单参数优化和多参数优化两方面入手，对引射器结构优化展开研究。单参数结构优化分析单参数结构优化是指改变引射器单一结构参数，保持其他结构参数为设计值不变，利用数值模拟研究单一结构参数对给定工况下引射器性能的影响，分别改变等截面混合腔直径、喉嘴距、混合腔入口倾角和等截面混合腔长度等个结构参数，分析各结构参数对蒸汽引射器工作性能的影响。.等截面混合腔直径对引射器性能的影响等截面混合腔直径对两股流体的混合和壅塞的产生有直接影响，保持其他结构参数不变，使蒸汽引射器等截面混合腔直径在 变化，步长取，图为给定工况下等截面混合腔直径对引射器性能的影响。图（）中引射系数随等截面混合腔直径增大而增大，当由 增至 时，引射系数近似线性增大，继续增大至 ，引射系数增长幅度明显减小。从图（）速度云图和图（）性能 曲 线 可 以 看 出，当在 时，引射器处于临界模式运行，引射器内部出现双激波，此时动力蒸汽与吸入蒸汽分别在喷嘴喉部和等截面混合腔某一位置出现壅塞现象，蒸汽流量仅与其流通截面积相关，吸入蒸汽流量随等截面混合腔直径增大而增大，故引射系数近似线性增大，当增至 时，引射器变为亚临界模式运行，二次激波消失，此时吸入蒸汽未达到临界状态，流动速度有所降低，故引射系数增幅下降。从图（）还可以看出，引射器临界背压随着等截面混合腔直径增大而不断降低，对应云图中激波链长度不断缩短。在实际工作过程中，需保证引射器在临界模式运行，兼顾引射器引射系数和运行稳定性，等截面混合室直径应取 。（）引射系数（）速度云图（）引射器性能曲线图等截面混合腔直径对引射器性能的影响 喉嘴距对引射器性能的影响喉嘴距为喷嘴出口到等截面混合腔入口的距离，会影响两股蒸汽在渐缩段的混合过程。保持其他结构参数不变，使喉嘴距在 变化，步长取 。图为给定工况下喉嘴距对引射器性能的影响。如图（）所示，引射系数随喉嘴距增大先增后减，当为 时，引射系数达到最大值。由图（）速度云图可知，蒸汽引射器内部均存在双激波，处于临界模式运行，当较小时，动力蒸汽与吸入蒸汽接触时间短，混合不充分，速度不均匀，导致能量损失较大，引射系数较小。当过大时，两股蒸汽可充分混合，但混合边界层长度增长，摩擦损失增大，从而引射系数减小。可见在给定工况下，喉嘴距为 时，引射器引射系数最大。混合腔入口倾角对引射器性能的影响混合腔入口倾角会影响吸入蒸汽的加速过程，进而影响两股流体的混合。保持其他结构参数不变，使混合腔入口倾角在 变化，步长取，图 为给定工况下混合腔入口倾角对引射器性能的影响。由图（）可知，引射系数随增大先增后降，当为 时，引射系数达到最大。由图（）可知，在研究范围内，引射器均处于临界模式运行，较小时，工作流体与混合室壁面形成的渐缩通道对吸入蒸汽的加速效果较好，两股流体混合均匀，但过小的倾角会导致混合室入口总流通面积减小，吸入第期庞敬帅，等：用于热电联产的蒸汽引射器结构优化研究（）引射系数（）速度云图图喉嘴距对引射器性能的影响 （）对引射系数的影响（）速度云图图 混合腔入口倾角对引射器性能的影响 蒸汽通道变小，不利于吸入蒸汽的流动，引射系数减小。较大时，吸入蒸汽在负压腔内通流面积大，加速不明显，且动力蒸汽射流核心与壁面距离过远致使其卷吸夹带作用减弱，引射系数减小。对于给定工况，混合腔入口倾角取 时引射系数最大。等截面混合腔长度对引射器性能的影响等截面混合腔长度会影响混合腔内激波的扩展。保持其他结构参数不变，使等截面混合腔长度在 变 化，步 长 为 。图 为给定工况下等截面混合腔长度对引射器性能的影响。由图（）可知，引射系数随增大而增大，但增长幅度较小，仅从 增大至 。从图（）速度云图可知，不同混合腔长度下，引射器均处于临界模式运行且内部流动情况类似，随增大，动力蒸汽与吸入蒸汽在混合腔内能量交换更充分，二次激波强度略微减小，引射系数略有增大，但总体上等截面混合腔长度对引射系数影响较小，考虑材料及加工成本，给定工况下等截面混合腔长度选 。（）引射系数（）速度云图图 等截面混合腔长度对引射器性能的影响 单参数结构优化结果表为给定工况下单参数结构优化结果，将上述单参数结构优化结果组合到一起，得到优化后的引射器，利用本文数值模型对优化后引射器进行模拟，给定工况下得到引射系数为 ，相比优化前的 提升 ，结构优化对引射器性能提升效果显著。动力工程学报第 卷表单参数结构优化结果 结构名称设计值单参数优化值等截面混合腔直径 喉嘴距 混合腔入口倾角（）等截面混合腔长度 引射系数 多参数结构优化分析单参数结构优化结果是在给定工况下仅改变单一结构参数的情况下获得的，当其他结构参数同时发生改变时，其优化结果未必能取得最优值，故需对蒸汽引射器进行多参数结构优化分析。正交试验是研究多因素多水平的一种设计方法，根据正交性选出具有代表性的点进行试验，可减少试验次数，提高试验效率，因其高效性和经济性常被用来分析多参数变量问题。蒸汽引射器多参数结构优化可基于正交试验展开 。正交试验根据正交表进行设计，通常用（）表示正交表，其中表示试验次数，表示水平，表示影响因子，一般。由单参数结构优化结果可知，个结构参数中，等截面混合腔直径、喉嘴距和等截面混合腔入口倾角对引射系数影响较大，故选择上述结构参数为影响因子进行正交试验。每个影响因子的水平数应不超过因子总数，根据单参数结构优化分析，、分别选取个水平，正交表应选（），相关正交水平列表和正交表见表和表。表（）正交水平列表 （）水平（）通过极差分析法得到正交试验结果，极差代表同一影响因子下不同水平之间最大和最小平均值之差，一般用表示，计算公式如下：（，）（，）式中：表示影响因子下水平测量结果的平均值。越大说明该影响因子对测量结果的影响越显著，测量结果对该因子的变化越敏感。根据表中数据对组引射器进行建模和模拟，得到正交试验结果，如表所示。表（）正交表 （）工况 表正交试验结果分析表 工况（）引射系数 .敏感性分析多参数优化结果取水平，取水平，取水平多参数优化结构参数 ，正交试验结果中表示某影响影子水平下引射系数的总和，为对应水平下引射系数的平均值，最大值对应该影响因子下的最优水平。由表可知，引射器多参数结构优化结果为取水平，取水平，取水平，对应结构参数为 ，。通过各个结构敏感性分析得出，等截面混合腔直径对引射系数影响最大，为实际生产中引射器的结构优化提供了理论指导。第期庞敬帅，等：用于热电联产的蒸汽引射器结构优化研究表对比了给定工况下不同优化方法引射器的引射系数。多参数结构优化后引射器引射系数为 ，相比设计值提升了 ，高于单参数优化结果，进一步提升了引射器性能，另一方面也佐证了正交试验用于引射器结构优化的可靠性。表不同优化方法引射系数对比 优化方法引射系数设计值 单参数优化 多参数优化 为进一步验证多参数优化结果对工程应用中引射器的适用性，对多参数结构优化后引射器进行 建模。表对比了给定工况下优化前后 与 模型的引射系数。由表可以看出，多参数优化后 与 模型引射系数均明显提升，但由于吸入蒸汽入口的简化，模型的引射系数略低于 模型。由表可知，多参数优化前后 与 模型引射系数最大相对误差不超过，因此采用 轴对称模型进行结构优化分析可以较准确地反映引射器性能特性。表与模型引射系数的对比 引射器模型优化前优化后 模型 模型 变化值 变工况适应性分析结构优化后的引射器在设计工况引射性能提升显著，但在实际运行过程中，热电联产机组常因供热负荷改变或调峰的影响而处于变工况运行，此时引射器偏离设计工况运行。本节通过改变动力蒸汽、吸入蒸汽和引射器出口压力，探究多参数优化引射器对变工况的适应性。动力蒸汽压力对引射器性能的影响图 给出了动力蒸汽压力对引射器性能的影响，当其他运行参数不变时，初步设计和多参数优化后引射器引射系数均随着动力蒸汽压力升高先增大后减小，存在个最佳动力蒸汽压力使引射系数最大。当动力蒸汽压力较小时，喷嘴出口的动力蒸汽速度较小，对吸入蒸汽的卷吸夹带作用较弱，引射系数较小，随着动力蒸汽压力的升高，引射系数不断增大，在动力蒸汽压力为设计值 时达到最大，继续增大动力蒸汽压力会导致喷嘴出口动力蒸汽与吸入蒸汽之间的压差减小，引射性能恶化，另一方面，过高的动力蒸汽压力会使喷嘴出口激波增强，流动损失增大。从图 还可以看出，多参数优化后在动力蒸汽压力高于 时，引射器引射系数一直大于设计引射器，当动力蒸汽压力低于 时，引射系数小于设计引射器，当动力蒸汽压力为 时甚至会发生回流。多参数优化后，引射器在实际运行过程中应尽量避免动力蒸汽压力低于设计值，为保证引射器高效运行，推荐动力蒸汽运行压力为 。图 动力蒸汽压力对引射系数的影响 吸入蒸汽压力对引射器性能的影响图 给出了吸入蒸汽压力对引射系数的影响。由图 可以看出，当其他运行参数不变时，初步设计和多参数优化后引射器引射系数均随着吸入蒸汽压力的升高而增大。当吸入蒸汽压力升高时，两股蒸汽开始混合时的压差增大，吸入蒸汽更易被卷吸夹带，引射系数增大，当吸入蒸汽压力升高时，吸入蒸汽携带能量增多，对应的引射器临界背压增大，对出口背压的适应性随之增强。在吸入蒸汽压力变化图 吸入蒸汽压力对引射系数的影响 动力工程学报第 卷范围内，多参数优化后引射器引射系数一直高出初始设计引射系数 左右，性能提升显著。在实际供热系统中，吸入蒸汽为高背压机组低压缸排汽，考虑汽轮机末级叶片和机组安全运行，压力不宜过大，实际运行中，通过提高吸入蒸汽压力来提升引射器性能的可操作性不强。出口背压对引射器性能的影响图 为引射器出口背压对引射系数的影响，与上文分析的引射器运行特性一致，初步设计和多参数优化后引射器均存在个临界背压，分别为 和 ，对应回流背压为 和 ，优化后引射器临界背压略有降低，临界模式运行时，引射系数由原来的 增大至 。在实际运行过程中，应尽量避免引射器在性能较差或无法工作的亚临界模式或回流模式运行，多参数优化后引射器出口背压应不超过 。图 出口背压对引射系数的影响 结论（）采用气体动力学函数法设计引射器结构，建立数值模型并完成验证。通过单参数结构优化分析，引射器在给定工况下临界模式运行时，等截面混合腔直径、喉嘴距、入口倾角和等截面混合腔长度均存在个最佳值，单参数优化后引射器引射系数可达 。（）采用正交试验进行多参数结构优化分析，发现等截面混合腔直径对引射系数影响最大，喉嘴距次之，混合腔入口倾角影响最小，得到多参数结构优化组合，即为 ，为 ，为 。多参数优化后引射器引射系数可达 ，相比优化前的 增幅达 。优化前后引射器 与 模型所得引射系数相对误差均不超过，满足工程精度要求。（）当引射器吸入蒸汽压力和出口背压不变时，初步设计和多参数优化后引射器引射系数均随着动力蒸汽压力升高先增后减，压力为 时取得最大值。为保证优化后引射器高效运行，动力蒸汽推荐运行压力为 。（）当引射器动力蒸汽和吸入蒸汽压力不变时，初步设计和多参数优化后引射器引射系数随出口背压的变化趋势类似，优化后引射器临界背压略微降低，但引射系数提升明显。此外，提高吸入蒸汽压力可有效提升引射器性能，但在实际运行中，通过此方法进行优化的可操作性不强。参考文献：国家统计局中国统计年鉴 北京：中国统计出版社，李沛峰，杨勇平，陈玉勇，等热电联产供热系统节能分析及改进工程热物理学报，（）：，（）：戈志华，陈玉勇，李沛峰，等基于当量抽汽压力的大型热 电 联 产 供 热模式 研 究 动 力 工 程 学 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