Пути оптимизации работы водовоздушного струйного вакуумного насоса в системах вакуумирования энергетических установок

Водовоздушные струйные насосы и системы на их основе находят широкое применение в энергетике, на транспорте, химической, нефтяной и газовой промышленности в качестве газоотводящих 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

энергии, что обусловлено невысокой эффективностью эксплуатации эжекторов. Анализ их работы на основе экстремальных характеристик показал, что на многих тепловых электрических станциях потенциальные возможности воздухоотсасывающих 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].

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 ε52. В системах вакуумирования энергетических установок потребные степени сжатия ε52=р5/р2 достаточно велики и составляют ε52=20-30. При таких степенях сжатия ε52 к.п.д. η водовоздушного эжектора невелик. Об этом свидетельствует график (рис. 2), из которого следует, что уменьшением степени сжатия 852 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 a^max = f(p₅) и т в = f(p₅) (см. рис. 3, 4). Здесь а^тш - максимальный достижимый объемный коэффициент эжекции, равный отношению объемных расходов газа Q_r при давлении всасывания р₂ к объемному расходу воды Q_B ; m_B=p_BQ_e - массовый расход воды; р₅ - давление за установкой (противодавление); р в - плотность воды.

Рис. 3. Влияние давления питания на экстремальные характеристики эжектора

Семейства кривых amax =fр)5) и тв=f(p5) построены для эжектора без диффузора при давлениях питания р1=300 кПа; 400 кПа; 500 кПа; давлении всасывания p2=3,5 кПа и массовом расходе газа mr=prQr=30 кг/ч, где рг - плотность газа при давлении всасывания р2. Кривые на графике тв=f(P5) (рис. 4) являются собирательными в том смысле, что каждой точке кривой соответствует экстремальный режим работы установки со своим значением максимального объемного коэффициента эжекции αmax, который определяется из графика amax=f(p5) на рис. 3 при соответствующих противодавлениях р5.

При численном исследовании учитывалось условие, что скорость эжектируемого газа и г не превышает скорости активной струи U в . В расчетах принималось и г <0,85 и в [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 a^max = ^р₅) на рис. 3 будет ниже линии ограничительного условия по α^* , а ветвь кривой т в = 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 р₂ с уменьшением противодавления р₅ степень сжатия 8 52 уменьшается, к.п.д. установки п и максимально достижимый объемный коэффициент эжекции a^m<“ возрастают, а массовый расход воды т_в на эжектор уменьшается.

Рис. 4. Массовый расход воды на эжектор в зависимости от противодавления при нескольких давлениях питания

Таким образом, снижение противодавления р₅ 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 8₅₂ 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 водовоздушной смеси. В котлотурбинных цехах теплоэлектростанций высота помещения позволяет установить вертикальный участок сливного трубопровода длиной 2-2,5 м. В этом случае противодавление р₅ уменьшится на 17,5-24,5 кПа. Так, при абсолютном давлении питания р 1 = 400 кПа снижение давления за эжектором р₅ 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 водовоздушных струйных насосов при степенях сжатия ε 52 = 3-6 (рис. 2). Таких степеней сжатия можно достичь, скомпоновав эжектор по многоступенчатой схеме. На рисунке 5 изображена схема водовоздушного 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 водовоздушный 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 p 21 в приемной камере 2 до величины промежуточного давления p₅₁ = p₂₂ .

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 водовоздушной смеси происходит высоконапорной 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 p22 до давления за установкой p51.

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 ∑m_в=m_в1+ m_в2 от промежуточного давления p 51 (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 водовоздушной смеси. Семейства кривых ∑m_в = f(p₅₁) построены для эжектора при давлениях питания на первую и вторую ступень p^II 11 =p^II 12 = 300 кПа; 400 кПа; 500 кПа; давлении всасывания p 2 = 3,5 кПа, массовом расходе газа m г = 30 кг/ч; давлении за установкой p 52 = 105 кПа. Кривые на графике ∑m в = f(p 51 ) (рис. 7) являются собирательными в том смысле, что каждой точке кривой соответствует экстремальный режим работы установки со своим значением максимального объемного коэффициента эжекции α^max для первой ступени, который определяется из графика α^max = f(p 51 ) на рис. 3 при соответствующих промежуточных давлениях p 51 , а также со своими относительными площадями сопел первой Ω^I 03 и второй ступени Ω^II 03 , которые определяются из графика Ω 03 =f(p 51 ) на рис. 6.

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 p5=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= pII12=300 кПа массовый расход воды одноступенчатого эжектора составляет mIв=809 т/ч, а в двухступенчатом варианте исполнения – mIIв=646 т/ч; при pI1=pII11=pII12=400  кПа – mIв=417 т/ч и mIIв=376 т/ч; при pI1=pII11=pII12=500 кПа – mIв=293 т/ч и mIIв=268 т/ч. Как видно, раз-в         I        II в ница между m в и m в 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 p 5 можно двумя мероприятиями: 1) установкой за водовоздушным струйным насосом вертикального

• 4.    Сравнительный анализ различных способов повышения эффективности работы водовоздушного 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.

участка сливного трубопровода; 2) применением многоступенчатого сжатия газа.