CC BY
120
УДК 621.527.4 + 621.51 + 621.69
ПУТИ ОПТИМИЗАЦИИ РАБОТЫ ВОДОВОЗДУШНОГО СТРУЙНОГО ВАКУУМНОГО НАСОСА В СИСТЕМАХ ВАКУУМИРОВАНИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК
© 2012 Е.К. Спиридонов, А.Р. Исмагилов
Южно-Уральский государственный университет, г. Челябинск
Поступила в редакцию 05.03.2012
Проанализированы пути оптимизации работы водовоздушного струйного вакуумного насоса на основе экстремальных характеристик. Показано, что предпочтительным параметром для изменения режима работы эжектора является давление за установкой. Рассмотрены мероприятия по изменению противодавления, в результате чего уменьшаются расходы воды и энергии.
Ключевые слова: струйный насос, степень сжатия, противодавление, коэффициент эжекции, экстремальные характеристики
Водовоздушные струйные насосы и системы на их основе находят широкое применение в энергетике, на транспорте, химической, нефтяной и газовой промышленности в качестве газоотводя-щих аппаратов, вакуумных насосов, насосов-смесителей жидких и газообразных сред, гидрокомпрессоров. Широкое распространение струйных насосов в технике обусловлено их конструктивной простотой, отсутствием подвижных частей, возможностью размещения в труднодоступных местах, а также возможностью использования различных вариантов компоновки. Например, на тепловых электростанциях водовоздушные насосы используют для отсоса воздуха из конденсатора и уплотнений паровой турбины, а также из циркуляционной системы [1].
При использовании в качестве вакуумного насоса водоструйных эжекторов реализуется одноступенчатая система вакуумирования (см. рис. 1). Насос подает активную среду - воду на эжектор. Далее струя воды, формируемая соплом 1, с большой скоростью устремляется в рабочую камеру 3 и увлекает за собой воздух из приемной камеры 2, соединенной с конденсатором паровой турбины. По мере продвижения вдоль рабочей камеры струя частично или полностью дробится на капли, которые, обмениваясь количеством движения с эжектируемым воздухом, распределяются по поперечному сечению камеры. После рабочей камеры квазиоднородная водовоздушная смесь поступает в диффузор 4, где часть кинетической энергии потока смеси преобразуется в потенциальную. После диффузора смесь подается в сливную линию.
Обычно рабочий процесс таких установок сопровождается большими расходами воды и
Спиридонов Евгений Константинович, доктор технических наук, профессор. E-mail: ggps@susu.ac.ru Исмагилов Александр Рашидович, аспирант. E-mail: shura. ismagilov@yandex.ru
энергии, что обусловлено невысокой эффективностью эксплуатации эжекторов. Анализ их работы на основе экстремальных характеристик показал, что на многих тепловых электрических станциях потенциальные возможности воздухо-отсасывающих струйных насосов не исчерпаны [2]. Одним из путей повышения эффективности рабочего процесса является модернизация проточной части аппарата с таким расчетом, чтобы реализовать все возможности рабочего процесса, не изменяя собственный режим работы. Такая модернизация была осуществлена путем увеличения числа струй воды, формируемых сопловым устройством, и сокращением числа поверхностей, оказывающих влияние на соосность сопловых отверстий и камеры смешения [3]. Это позволило минимизировать расходы воды и энергии. Так, усовершенствование конструкции, позволило уменьшить расход воды на эжектор на 25% [4].
Сливная линия
Рис. 1. Одноступенчатая система вакуумирования: 1 - сопло; 2 - приемная камера; 3 - рабочая камера; 4 - диффузор
Другим путем совершенствования рабочего процесса струйного вакуумного насоса может быть изменение режима работы эжектора, например, изменением степени сжатия е52. В системах вакуумирования энергетических установок потребные степени сжатия е52=р5/р2 достаточно велики и составляют £52=20-30. При таких степенях сжатия е52 к.п.д. п водовоздушного эжектора
невелик. Об этом свидетельствует график (рис. 2), из которого следует, что уменьшением степени сжатия е52 можно повысить к.п.д. п аппарата
[5].
Рис. 2. Зависимость к.п.д. водовоздушного эжектора от степени сжатия
Численным исследованием рабочего процесса на основе математической модели, приведенной в трудах [2, 6], были получены экстремальные режимы работы в виде графиков зависимостей атах=/(р5) и тв=/(р5) (см. рис. 3, 4). Здесь атах - максимальный достижимый объемный коэффициент эжекции, равный отношению объемных расходов газа Qг при давлении всасывания р2 к объемному расходу воды Qв; тв=р$в - массовый расход воды; р5 - давление за установкой (противодавление); рв - плотность воды.
а 9
ПШЛ
\
Л
\
gsP-
'"Па
КПа
01 з*ю4
4*10 5x10 6x10
7x10 8x10 9*10 МО 1,1x10
р5, Па
графика amax=f(p5) на рис. 3 при соответствующих противодавлениях p5.
При численном исследовании учитывалось условие, что скорость эжектируемого газа иг не превышает скорости активной струи Ue. В расчетах принималось иг<0,85 UB [2, 6]. Также на графиках (рис. 3, 4) изображены линии ограничительных условий по предельному объемному коэффициенту эжекции a [2, 6]. Рабочие параметры установки будут достижимыми, если ветвь кривой amax=f(p5) на рис. 3 будет ниже линии ограничительного условия по a , а ветвь кривой mB=f(p5) на рис. 4 будет выше линии ограничительного условия по a . Сравнительный анализ кривых на рис. 2, 3 и 4 показывает, что при постоянном давлении всасывания p2 с уменьшением противодавления p5 степень сжатия е52 уменьшается, к.п.д. установки п и максимально достижимый объемный коэффициент
max
эжекции a возрастают, а массовый расход воды тв на эжектор уменьшается.
Рис. 3. Влияние давления питания на экстремальные характеристики эжектора
Семейства кривых атах=/(р5) и тв=/(р5) построены для эжектора без диффузора при давлениях питания р1=300 кПа; 400 кПа; 500 кПа; давлении всасывания р2=3,5 кПа и массовом расходе газа тг=р^г=30 кг/ч, где рг - плотность газа при давлении всасывания р2. Кривые на графике тв=/(р5) (рис. 4) являются собирательными в том смысле, что каждой точке кривой соответствует экстремальный режим работы установки со своим значением максимального объемного коэффициента эжекции атах, который определяется из
Рис. 4. Массовый расход воды на эжектор в зависимости от противодавления при нескольких давлениях питания
Таким образом, снижение противодавления p5 является фактором снижения расхода воды и энергии на эжектор установки. Реализовать это направление можно двумя мероприятиями: размещением за водовоздушным струйным насосом вертикального участка сливного трубопровода или скомпоновав эжек-тор по многоступенчатой схеме с равномерным распределением степени сжатия е52 между ступенями. При реализации первого мероприятия на выходе из эжектора возникнет столб водовоздушной смеси с плотностью чуть меньшей плотности воды, вследствие этого давление за эжектором уменьшится на величину близкую весовому давлению столба во-довоздушной смеси. В котлотурбинных цехах теплоэлектростанций высота помещения позволяет установить вертикальный участок сливного трубопровода длиной 2-2,5 м. В этом случае противодавление p5 уменьшится на 17,5-24,5 кПа. Так, при абсолютном давлении питания p;=400 кПа снижение давления за эжектором p5 с давления 105 кПа на 17,5 кПа (рис. 4) позволяет уменьшить массовый расход воды с 417 т/ч до 310 т/ч, т.е. на 25,6%.
Как было сказано выше, наибольшей эффективностью отличается работа водовоздуш-ных струйных насосов при степенях сжатия е52=3-6 (рис. 2). Таких степеней сжатия можно достичь, скомпоновав эжектор по многоступенчатой схеме. На рисунке 5 изображена схема во-довоздушного струйного насоса с двухступенчатым сжатием газа. Как видно, обе ступени объединены в одном корпусе с питанием от общего источника - насоса. Это позволит снизить потери энергии между ступенями, повысить надежность установки и уменьшить ее габариты. В такой конструкции первой ступенью является водовоз-душный эжектор, на сопловой диск 1, которого подается активная среда - вода. Далее высоконапорная струя увлекает через радиальные отверстия воздух из приемной камеры 2, соединенной с конденсатором паровой турбины. После этого водовоздушная смесь движется в рабочей камере 3 ко второй ступени. На этом этапе происходит повышение давления от величины давления всасывания р21 в приемной камере 2 до величины промежуточного давления р51=р22.
водой, истекающей из сопла второй ступени 4. Через конфузор 5 водовоздушная смесь попадает в рабочую камеру второй ступени 6 и далее после диффузора 7 поступает в сливную линию. При протекании водовоздушной смеси через вторую ступень происходит повышение давления с величины р22 до давления за установкой Р51.
Численным исследованием эжекторной установки с двухступенчатым сжатием газа по авторским методикам на основе оригинальных технических решений [2, 6, 7] были получены предельные режимы работы в виде графика зависимости суммарного массового расхода воды на обе ступени Хтв=тв1 + тв2 от промежуточного давления р51 (рис. 7).
При расчете для второй ступени учитывались условия, ограничивающие реальный диапазон работы аппарата, а именно достижения коэффициентом скольжения фаз на входе в рабочую камеру 6 значений близких единице, запирания канала подвода пассивной среды смеси и перехода к пенному режиму эжектируемой водо-воздушной смеси. Семейства кривых Xтв=/(р51) построены для эжектора при давлениях питания на первую и вторую ступень р1111=р1112=300 кПа; 400 кПа; 500 кПа; давлении всасывания р2=3,5 кПа, массовом расходе газа тг=30 кг/ч; давлении за установкой р52=105 кПа. Кривые на графике Xтв=/(р51) (рис. 7) являются собирательными в том смысле, что каждой точке кривой соответствует экстремальный режим работы установки со своим значением максимального объемного коэффициента эжекции ата для первой ступени, который определяется из графика атах=/(р51) на рис. 3 при соответствующих промежуточных давлениях р51, а также со своими относительными площадями сопел первой О!03 и второй ступени О!103, которые определяются из графика ^оз=/(р51) на рис. 6.
0,25
0,15
Рис. 5. Водовоздушный струйный насос с двухступенчатым сжатием газа: 1 - сопловой диск; 2 - приемная камера; 3 - рабочая камера первой ступени; 4 - сопло второй ступени; 5 -конфузор; 6 - рабочая камера второй ступени; 7 -диффузор
Вторая ступень представляет собой струйный насос, эжектирующий водовоздушную смесь с выхода первой ступени. Увлечение водо-воздушной смеси происходит высоконапорной
/ //
о» 03, (<Ю0 к
)
о>> "■С о а
"»,.(500 кПа)5^
40
50
60
70
80
р5|. кПа
90
100
Рис. 6. Относительные площади сопла первой и второй ступени в зависимости отпротиводавления
Сравнительный анализ на рис. 4 и 7 показывает, что при одинаковых давлениях за установкой р5=105 кПа в одноступенчатом и двухступенчатом вариантах исполнениях массовый расход воды на водовоздушный струйный насос
при двухступенчатом сжатии газа меньше, чем при одноступенчатом. Так, при давлениях питания перед эжектором в одноступенчатом варианте исполнения и перед каждой ступенью двухступенчатого эжектора равными pI1=pII11 = p 12=300 кПа массовый расход воды одноступенчатого эжектора составляет mIe=809 т/ч, а в двухступенчатом варианте исполнения -mIIe=646 т/ч; при pI1=pII11=pII12=400 кПа -mIe=417 т/ч и mIIe=376 т/ч; при pI1=pII11=pII12=500 кПа - mIe=293 т/ч и mIIe=268 т/ч. Как видно, разница между mIe и mIIe уменьшается при увеличении давлений питания перед ступенями и составляет 20,1%; 8,6% и 8,5%, соответственно.
Рис. 7. Массовый расход воды на эжектор с двухступенчатым сжатием газа в зависимости от противодавления при нескольких давлениях питания
Выводы:
1. Повысить эффективность рабочего процесса водовоздушного струйного насоса можно путем внесения конструкционных изменений либо изменением рабочего режима эжектора.
2. Для повышения эффективности работы эжектора предпочтительным параметром для изменения режима работы установки является снижение противодавления p5.
3. Уменьшить противодавление p5 можно двумя мероприятиями: 1) установкой за водо-воздушным струйным насосом вертикального
участка сливного трубопровода; 2) применением многоступенчатого сжатия газа.
4. Сравнительный анализ различных способов повышения эффективности работы водовоз-душного струйного вакуумного насоса показал, что применение этих мероприятий позволяет уменьшить расход воды на 20-26%.
5. Выбор способа повышения эффективности рабочего процесса водовоздушного струйного вакуумного насоса определяется конкретными условиями эксплуатации эжектора.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
1. Соколов, Е.Я. Струйные аппараты / Е.Я. Соколов, Н.М. Зингер. - 3-е изд. - М.: Энергоатомиздат, 1989. 352 с.: ил.
2. Спиридонов, Е.К. Исследование экстремальных характеристик водовоздушного эжектора / Е.К. Спиридонов, В.К. Темное // Динамика пневмогид-равлических систем: Тем. сб. науч. тр. - Челябинск: ЧПИ, 1983. С. 62-75.
3. Спиридонов, Е.К. Конструкции жидкостногазовых струйных насосов, состояние и перспективы // Вестник ЮУрГУ. Серия «Машиностроение». 2005. №1. С. 94-104.
4. Спиридонов Е.К. Испытание водовоздушного струйного насоса ЮУрГУ в системах вакуумирова-ния паровых турбин // Вестник ЮУрГУ. Серия «Машиностроение». 2005. №1. С. 120-125.
5. Спиридонов, Е.К. Анализ эффективности работы жидкостногазового эжектора в системах вакууми-рования / Е.К. Спиридонов, В.К. Темнов, А.Б. Шитов // Автоматизация энергосистем и энергоустановок промышленных предприятий: Тематич. сб. научн. трудов - Челябинск: ЧПИ, 1989. С. 135-140.
6. Спиридонов Е.К. Теоретические положения оптимального синтеза жидкостногазовых струйных аппаратов и систем на их основе // Наука и технологии. Труды XXIII Российской школы. Специальный выпуск, посвященный 60-летию Южно-Уральского государственного университета. - М.: РАН, 2003. С. 414-431.
7. Спиридонов, Е.К. Энергетические характеристики процесса эжектирования газожидкостных сред в струйном аппарате / Е.К. Спиридонов, А.В. Подзер-ко // Доклады секции «Гидравлика и гидропневмо-системы» 50-й юбилейной НТК 14-16 апреля 1998 г. - Челябинск: Изд-во ЮУрГУ, 1998. С. 115-118.
WAYS OF OPTIMIZATION THE OPERATION OF WATER AIR JET
VACUUM PUMP IN VACUUM SYSTEMS OF POWER PLANTS
© 2012 E.K. Spiridonov, A.R. Ismagilov South Ural State University, Chelyabinsk
Ways of optimization the operation of water air jet vacuum pump on the basis of extreme characteristics are analysed. It is shown, that preferable parameter for changing the behaviour mode of ejector is pressure behind the apparatus. Actions for changing the backpressure, therefore water rates and energy are diminished, are considered.
Key words: jet pump, compression ratio, backpressure, ejection coefficient, extreme characteristics
Evgeniy Spiridonov, Doctor of Technical Sciences, Professor. E-mail: ggps@susu.ac.ru Alexander Ismagilov, Post-graduate Student. E-mail: shura.ismagilov@yandex.ru
