蒸汽壓力對(duì)蒸汽噴射泵凝結(jié)水率的影響研究及應(yīng)用

陳奇，馮潤(rùn)松，李小平

(中核四川環(huán)保工程有限責(zé)任公司，四川 廣元 628000)

0 引言

蒸汽噴射泵是一種以蒸汽為動(dòng)力源的機(jī)械設(shè)備。蒸汽作為一種能源，普遍應(yīng)用在電力、紡織、印刷、化工、冶金等諸多行業(yè)中，無(wú)論是重工業(yè)生產(chǎn)還是民用生產(chǎn)都有著不同的貢獻(xiàn)與作用[1]。我國(guó)在工業(yè)發(fā)展之初把蒸汽噴射技術(shù)引入國(guó)內(nèi)，由于其具備良好的性能，故逐漸獲得國(guó)內(nèi)多個(gè)行業(yè)的認(rèn)可和青睞[2]。蒸汽噴射泵在進(jìn)行轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程中，使用的動(dòng)力是水蒸汽，在泵內(nèi)利用壓力差將貯罐內(nèi)的液體吸入到泵內(nèi)，跟著水蒸汽一起進(jìn)入中轉(zhuǎn)槽。此過(guò)程中水蒸汽也會(huì)和吸上來(lái)的廢液混合，水蒸汽凝結(jié)成水，一起進(jìn)入中轉(zhuǎn)槽等待處理。蒸汽在完成做功過(guò)程或加熱過(guò)程放出汽化潛熱后，會(huì)形成高溫冷凝水，因此，水蒸汽的凝結(jié)量對(duì)后續(xù)的蒸發(fā)濃縮處理量起著至關(guān)重要的作用。為保證后續(xù)蒸發(fā)濃縮的經(jīng)濟(jì)性，在蒸汽噴射泵轉(zhuǎn)水過(guò)程中，凝結(jié)水量越少越有利于生產(chǎn)線的經(jīng)濟(jì)效益的提升。根據(jù)長(zhǎng)期生產(chǎn)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)蒸汽壓力對(duì)凝結(jié)水率影響很大。為了降低凝結(jié)水量，減少后期處理費(fèi)用，研究蒸汽噴射泵的蒸汽壓力對(duì)凝結(jié)水率的影響十分必要。

1 蒸汽噴射泵簡(jiǎn)介

蒸汽噴射泵是一種真空獲得設(shè)備，是射流技術(shù)在傳熱領(lǐng)域的應(yīng)用。蒸汽噴射泵具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，檢修成本低，抽取量大，對(duì)被抽介質(zhì)沒(méi)有嚴(yán)格要求等優(yōu)勢(shì)[3]，它的內(nèi)部構(gòu)件主要由拉瓦爾噴嘴和擴(kuò)壓器組成，其工作原理是利用水蒸汽射流來(lái)抽取真空[4]。蒸汽通過(guò)拉瓦爾噴嘴，減壓增速，壓力能轉(zhuǎn)化為速度能，以極高的速度進(jìn)入擴(kuò)壓器，同時(shí)工作蒸汽的壓力在噴嘴出口處下降，形成真空把槽內(nèi)的蒸殘液吸入，蒸汽和殘液在擴(kuò)壓器喉部完成混合，進(jìn)行能量交換，兩種物質(zhì)達(dá)到同一速度，經(jīng)過(guò)擴(kuò)壓器后，混合后物質(zhì)速度降低，壓力進(jìn)一步上升，在擴(kuò)壓器出口達(dá)到大氣壓力把蒸殘液排出[5]。原理如圖1所示。

圖1 蒸汽噴射泵原理圖

然而蒸汽噴射泵在運(yùn)行中會(huì)產(chǎn)生的大量凝結(jié)水，而這些凝結(jié)水未得到有效利用[6]，大部分工廠往往是通過(guò)生產(chǎn)加工流程直接排放，造成大量水資源浪費(fèi)[7]。在某些特殊行業(yè)，產(chǎn)生的大量凝結(jié)水對(duì)環(huán)境有污染不能直接排放，需要經(jīng)過(guò)特殊無(wú)害化處理，因此凝結(jié)水量會(huì)影響后續(xù)處理成本。

2 蒸汽噴射泵運(yùn)行現(xiàn)狀

在工藝運(yùn)行過(guò)程中，用蒸汽噴射泵抽取02/2V號(hào)儲(chǔ)罐中液體輸送到中轉(zhuǎn)槽12V號(hào)儲(chǔ)槽，運(yùn)行中蒸汽會(huì)在過(guò)程中冷凝并隨著抽取的液體一同進(jìn)入12V號(hào)儲(chǔ)槽，因此12V號(hào)儲(chǔ)槽中液體來(lái)源于抽取的蒸殘液和蒸汽冷凝后產(chǎn)生的凝結(jié)水。由于行業(yè)的特殊性，12V號(hào)儲(chǔ)槽中的水需要經(jīng)過(guò)后期處理，因此，蒸汽冷凝后進(jìn)入12V號(hào)儲(chǔ)槽中的凝結(jié)水越少越好，凝結(jié)水量直接影響著后續(xù)的廢水處理成本。若凝結(jié)水率(凝結(jié)水率=(接收蒸殘液量-轉(zhuǎn)出蒸殘液量)/接收蒸殘液量)高，增加廢水量，進(jìn)而增加后續(xù)處理成本，故公司規(guī)定凝結(jié)水率不得高于10%。

3 實(shí)驗(yàn)部分

擬用02/2V罐內(nèi)編號(hào)為6P和8P兩臺(tái)蒸汽噴射泵進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，啟動(dòng)6P操作如下：依次開(kāi)啟蒸汽進(jìn)口閥門Q04/503，Q04/501，Q04/601，Q04/602，蒸殘液出口閥Q1201。

啟動(dòng)8P操作如下：依次開(kāi)啟蒸汽進(jìn)口閥門Q04/701，Q04/801，Q04/802，Q04/802，蒸殘液出口閥Q1201。觀察02/2V槽內(nèi)和12V槽內(nèi)液位變化情況并記錄，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，每5 min分鐘記錄一次蒸汽壓力的平均值。為減少誤差，實(shí)驗(yàn)過(guò)程每組進(jìn)行5次實(shí)驗(yàn)，取平均值。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 結(jié)果分析

按照實(shí)驗(yàn)過(guò)程，記錄原始實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 噴射泵轉(zhuǎn)殘液原始數(shù)據(jù)記錄表

根據(jù)數(shù)據(jù)分析，6P實(shí)驗(yàn)的第2組數(shù)據(jù)時(shí)間很短，這是由于在啟動(dòng)6P泵之前，懷疑同組的另一臺(tái)5P泵堵塞，提高了蒸汽壓力，用蒸汽對(duì)5P泵進(jìn)行了反吹，理論上壓力提高，會(huì)縮短抽料時(shí)間，并且反吹的蒸汽冷凝進(jìn)入了02/2V，造成了記錄的液位不準(zhǔn)確，所以此組數(shù)據(jù)作廢，不作實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析。

觀察此表中實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)有凝結(jié)水率為負(fù)的現(xiàn)象，實(shí)際是不可能存在這種情況的，分析其中可能的原因有：兩個(gè)計(jì)量槽靈敏度較低，液位要達(dá)到最低靈敏度才能被觀察和記錄，液位變化如在靈敏度之內(nèi)則無(wú)法記錄準(zhǔn)確液位，造成液位記錄有誤差。因此，為符合生產(chǎn)實(shí)際，需要將凝結(jié)水率修正。對(duì)6P的有效四組數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，修正原則有二：一是保證負(fù)數(shù)凝結(jié)水率為正，二是修正后的凝結(jié)水率和生產(chǎn)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)接近，按照以上原則，此次修正值為5%，得到修正后的凝結(jié)水率如表2所示。

表2 6P泵蒸汽壓力與凝結(jié)水率數(shù)據(jù)表

根據(jù)表中的數(shù)據(jù)繪出壓力和凝結(jié)水率關(guān)系如圖2所示。同理，對(duì)8P泵實(shí)驗(yàn)的5組有效數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，修正原則不變，修正值為5%，修正后凝結(jié)水率數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 8P泵蒸汽壓力與凝結(jié)水率數(shù)據(jù)表

圖2 6P泵蒸汽壓力和凝結(jié)水率關(guān)系圖

從圖2和圖3中分析，6P和8P泵兩組數(shù)據(jù)都得出，凝結(jié)水率隨著蒸汽壓力增大呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢(shì)。在前半段，隨著蒸汽壓力的增加，凝結(jié)水率降低，主要原因是蒸汽壓力增加，在通過(guò)蒸汽噴射泵拉瓦爾噴嘴處使得吸口處壓力和抽取液體壓力差增大，吸力增強(qiáng)，在抽取同樣體積的蒸殘液時(shí)，所用的蒸汽量少，凝結(jié)水率低。后半段蒸汽壓力過(guò)大，凝結(jié)水率反而增大，主要原因是：一方面是超過(guò)一定的蒸汽壓力，吸口處的壓力差達(dá)到極限，再增加蒸汽壓力不能使吸入量增加，反而造成蒸汽浪費(fèi)，蒸汽壓力大，進(jìn)入蒸汽噴射泵的蒸汽量多，冷凝過(guò)程中產(chǎn)生的凝結(jié)水增多，凝結(jié)水率高；另一方面，根據(jù)PV=nRT得出，在管道體積恒定時(shí)，壓力P越大，蒸汽量越多，產(chǎn)生的凝結(jié)水率越高。

圖3 8P泵蒸汽壓力和凝結(jié)水率關(guān)系圖

生產(chǎn)過(guò)程中要求產(chǎn)生的凝結(jié)水率不能超過(guò)10%，從圖2中分析得出，兩個(gè)臨界點(diǎn)分別為0.682、10%和0.781、10%，因此壓力在0.682～0.781 MPa間都能使凝結(jié)水率滿足要求。通過(guò)圖3中分析，兩個(gè)臨界點(diǎn)分別為0.692、10%和0.775、10%，因此壓力在0.692～0.775 MPa之間凝結(jié)水率滿足要求。綜上，蒸汽噴射泵在轉(zhuǎn)蒸殘液過(guò)程中要滿足凝結(jié)水率不超過(guò)10%，應(yīng)控制蒸汽壓力在0.692～0.775 MPa之間。

4.2 驗(yàn)證與應(yīng)用

通過(guò)以上實(shí)驗(yàn)，在保障工作正常運(yùn)轉(zhuǎn)下，按實(shí)驗(yàn)結(jié)論給出的壓力值范圍0.692～0.775 MPa，將壓力控制在0.7 MPa左右，驗(yàn)證此壓力下凝結(jié)水率是否符合要求，得出實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 壓力和凝結(jié)水率關(guān)系表

根據(jù)表4中數(shù)據(jù)可知，在選取的壓力值下抽取蒸殘液，凝結(jié)水率都可滿足要求在10%以下，進(jìn)一步驗(yàn)證了實(shí)驗(yàn)結(jié)果推薦的壓力值范圍的可行性。

5 結(jié)語(yǔ)

此次研究中，探究了蒸汽噴射泵運(yùn)行中不同的蒸汽壓力對(duì)凝結(jié)水率的影響規(guī)律，優(yōu)選出了蒸汽壓力范圍值為0.692～0.775 MPa，并在優(yōu)選出的壓力范圍值下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，確保實(shí)驗(yàn)優(yōu)選壓力值范圍的可行性，保證了凝結(jié)水率不高于10%，達(dá)到了企業(yè)生產(chǎn)要求，為降低后期凝結(jié)水的處理成本提供了保障。