蒸汽噴射器算法優化及試驗研究*

尚迎春，肖 難，賈金釗，王唯威，劉治川，劉孝弟

(1.北京航天動力研究所 北京 100076；2.中國電子工程設計院，北京市低溫多效熱法海水淡化工程技術研究中心 北京 100142)

蒸汽噴射器算法優化及試驗研究*

尚迎春1，肖 難1，賈金釗1，王唯威1，劉治川2，劉孝弟1

(1.北京航天動力研究所 北京 100076；2.中國電子工程設計院，北京市低溫多效熱法海水淡化工程技術研究中心 北京 100142)

在索科洛夫噴射器設計理論的基礎上，結合IAPWA- IF97水和水蒸氣物性參數計算模型，對蒸汽噴射器的設計算法進行了優化，并通過試驗驗證了算法的準確性，同時通過試驗分析了噴射器關鍵幾何尺寸及工藝運行參數對噴射系數的影響。優化算法能較大幅度地提升蒸汽噴射器的整體性能，有效減少動力蒸汽的消耗，大幅降低設備的運行成本，可以作為判定工程裝置運行性能是否優化的準則。

蒸汽噴射器；噴射系數；算法優化；試驗研究

噴射器具有結構簡單、維護成本低等特點，被廣泛應用于各種工業裝置中，并在許多系統中替代了傳統的機械真空泵[1]。噴射器的動力介質可以使用液體、氣體或蒸汽，引射介質可以使用液體、氣體或蒸汽、固體，在尿素裝置的真空濃縮系統中常用的噴射器為水力噴射器和蒸汽噴射器。研究和優化噴射器的算法及結構設計，盡可能提高噴射器的工作效率，對工業生產具有一定的現實意義。

目前，關于蒸汽噴射器工程應用中較為成熟的計算方法主要有索科洛夫法(簡稱索氏法)、奧芳夫法(簡稱奧氏法)、維里捷爾法(簡化計算法)和高島氏圖表計算法(簡稱圖表法)[2]。計算精度較高的是索氏法和奧氏法，為了簡化計算過程，一般將氣(汽)體介質假設為理想氣體，但由于水蒸氣的物理性質與理想氣體具有一定的偏離，因此，通常情況下采用索氏法或奧氏法計算會引起一定的誤差。

筆者在噴射器應用于化肥裝置的結構設計和計算方法方面開展過一些研究工作，利用索氏法的基本理論對應用于二氧化碳汽提法尿素裝置中的高壓甲銨噴射器的性能進行了分析優化，得到了較好的效果[3]。為此，再次以索氏法為基礎，對蒸汽噴射器的性能進行算法優化和試驗研究，主要研究內容如下：

(2)搭建1套小負荷試驗裝置，制作不同的試驗件，通過一系列的試驗取得相關數據，以期發現各型面結構形式和工作參數對蒸汽噴射器整體性能的影響規律。

(3)綜合整理試驗數據并與優化算法進行對比分析，根據試驗數據對算法進行合理修正，以期為工程設計提供可靠的設計準則。

1 算法優化

現有的設計計算方法在計算氣體介質時，大多采用了一定理想性質的假設，計算過程中需引用部分經驗參數，而為了保證噴射器實際運行的可靠性，這些經驗參數的選取一般比較保守，往往會導致動力流體的能量利用效率偏低，無形中增大了裝置的運行成本。

基于索氏法的計算方法和流程，引入IAPWS- IF97水蒸氣物性參數計算模型，對蒸汽噴射器工藝計算過程中噴射器出口壓縮蒸汽溫度、絕熱指數、臨界速度的參數取值與算法進行了優化，并形成了一整套優化算法，利用優化算法重新設計了乏汽回收蒸汽噴射器并與原索氏法進行對比。設計條件：動力蒸汽壓力3.50 MPa(表壓)，溫度350 ℃；低壓乏汽(引射介質)為壓力0.08 MPa(表壓)的飽和蒸汽，流量4.5 t/h，出口壓力要求為0.45 MPa(表壓)。優化算法與原索氏法計算結果對比見表1。

通過表1數據對比可發現，優化算法較原索氏法有效提高了噴射系數，明顯降低了動力蒸汽耗量，設備實際的運行參數表明優化算法的計算結果是可靠的。之后，筆者采用優化算法設計了其他參數的蒸汽噴射器，結果噴射器的運行性能及能量利用效率均明顯優于同類型的其他噴射器。

表1 優化算法與原索氏法計算結果對比

注：1)噴射系數為引射流體流量與動力流體流量的比值

2 試驗研究

為了驗證優化算法的準確性，設計并搭建了試驗平臺，用于研究分析噴射器關鍵幾何結構尺寸及工藝運行參數的變化與噴射系數的關系。

應利用壓縮空氣往回吹掃，能輕易地除去安全防爆膜內的干性臟物；拆洗網格襯墊或采用超聲波浴清潔，可清除粘附有顆粒和泥漿狀的油性臟物；確保燒嘴回火過濾網套夾固定支座安裝到位，緊固情況良好，且將螺牙維護列入月修項目，安裝時更換螺牙磨損夾套，將夾套安裝至最低位置上緊固，可大幅降低防爆膜爆炸次數。

2.1 試驗裝置的設計

整套試驗裝置按功能可分為5個模塊：①動力蒸汽供應模塊，由蒸汽鍋爐及其附件、分汽包等構成，其功能是為試驗模塊提供動力汽源；②水處理模塊，由給水泵、冷凝器循環泵、全自動軟水器、軟水箱及其附屬設施構成，其功能是為燃氣鍋爐和試驗模塊提供滿足一定溫度和壓力要求的合格品質的水；③燃氣供應模塊，主要由主控制設備、流量表、減壓閥及其附屬設施構成，其功能是為燃氣鍋爐穩定提供所需的燃氣；④數據采集模塊，配備1套數據采集系統，通過電腦實時監測記錄試驗數據，以便后續進行數據分析；⑤試驗模塊，由2臺噴射器、2臺緩沖罐、1臺減溫器、1臺消音器及附屬設施構成。

試驗裝置流程如圖1所示，其中一級噴射器作為試驗研究對象，為滿足不同試驗工況要求，需對其內部結構進行特殊處理；二級噴射器用于保證一級噴射器的出口壓力，其吸入口設置調節管路，以保證其吸入壓力穩定在設定值的范圍內。

2.2 試驗噴射器的結構設計

為便于試驗的進行，設計了1臺試驗用蒸汽噴射器以滿足不同試驗工況要求，其結構如圖2所示。

手輪組件和調節桿與噴嘴采用螺紋連接，通過轉動手輪可以調整噴嘴軸向位置；擴壓器組件與噴射器本體采用螺栓連接，可根據試驗需要方便地更換不同內部型面的擴壓器組件。

2.3 試驗研究內容

噴射器最佳性能的實現與噴射器的幾何尺寸密切相關，故試驗研究了喉嘴距(噴嘴出口截面至擴壓器入口截面的距離)和面積比(擴壓器喉管截面積與動力蒸汽噴嘴臨界截面積的比值)與噴射系數的關系，進而得出噴射系數最大時的最佳幾何尺寸，以驗證優化算法的準確性。同時，工藝條件也會影響噴射器的工作性能，故對排出壓力和吸入壓力變化對噴射系數的影響進行了研究。

圖1 試驗裝置流程

1.手輪組件 2.調節桿 3.動力室 4.接受室 5.噴嘴 6.擴壓器組件圖2 試驗噴射器結構

2.3.1 喉嘴距和面積比對噴射系數的影響

考察喉嘴距對噴射系數的影響時，保持動力蒸汽參數、噴射器吸入壓力和溫度及排出壓力不變，通過轉動調節手輪改變喉嘴距，以觀察吸入流量的變化。考察面積比對噴射系數的影響時，保持動力蒸汽參數、噴射器吸入壓力和溫度及排出壓力、喉嘴距不變，通過改變擴壓器的喉道直徑尺寸或噴嘴的直徑尺寸以觀察吸入流量的變化。試驗參數：動力蒸汽為0.40 MPa(表壓)的飽和蒸汽，吸入蒸汽為15 kPa(絕壓)的飽和蒸汽，排出壓力為40 kPa(絕壓)，動力蒸汽流量為70 kg/h。喉嘴距和面積比對噴射系數的影響分別如圖3和圖4所示。

圖3 喉嘴距對噴射系數的影響

圖4 面積比對噴射系數的影響

從圖3可看出：對于其他結構一定的噴射器存在1個最佳喉嘴距，使得噴射系數在運行參數下達到最大值；當喉嘴距小于最佳值時，噴射系數緩慢減小；當喉嘴距大于最佳值時，噴射系數降低得較快，且喉嘴距大至某一值時就不會產生抽吸作用，此時噴射系數為0.0。這表明在進行噴射器結構設計時，適當縮小喉嘴距并不會使噴射器性能大幅下降，有利于噴射器的結構尺寸優化和穩定運行。

圖4中橫坐標表示面積比相對設計值的比值，比值為1.0就是利用優化算法的計算結果所設計的結構尺寸，比值為0.9表示面積比縮小了10%，以此類推。從試驗結果看，優化算法的面積比所對應的噴射系數最大，試驗結果和優化算法計算結果具有很好的一致性，驗證了優化算法的準確性。

2.3.2 排出壓力、吸入壓力對噴射系數的影響

考察排出壓力對噴射系數的影響時，保持動力蒸汽參數、噴射器吸入壓力和溫度、喉嘴距等不變，改變噴射器排出壓力(調節閥自動調節)，觀察吸入流量的變化，考察排出壓力的變化對噴射系數的影響。試驗參數：動力蒸汽為0.40 MPa(表壓)的飽和蒸汽，吸入蒸汽為15 kPa(絕壓)的飽和蒸汽，動力蒸汽流量為70 kg/h，喉嘴距保持不變，面積比分別選取1.3，1.2，1.1，1.0，0.9，0.8和0.7。考察吸入壓力對噴射系數的影響時，保持動力蒸汽參數、排出壓力、喉嘴距等不變，通過改變噴射器吸入壓力(調節閥自動調節)，觀察吸入流量的變化，考察吸入壓力的變化對噴射系數的影響。試驗參數：動力蒸汽為0.40 MPa(表壓)的飽和蒸汽，排出壓力為40 kPa(絕壓)，流量為70 kg/h；喉嘴距保持不變，面積比為設計值。排出壓力以及吸入壓力對噴射系數的影響分別如圖5和圖6所示。

圖5 排出壓力對噴射系數的影響

圖6 吸入壓力對噴射系數的影響

從圖5可看出：面積比為1.0時，當排出壓力小于設計值(40 kPa，絕壓)時，噴射系數基本保持不變；當排出壓力大于設計值時，噴射系數出現拐點，迅速減小；當排出壓力為42.2 kPa(絕壓)時，噴射器不再產生抽吸作用，此時噴射系數為0.0，噴射器只起到對動力蒸汽的節流降壓作用。由此可見，40 kPa(絕壓)是個轉折點，也就是設計最優點。

從圖5還可看出，隨著面積比的增大，噴射器拐點沿橫坐標后移，噴射器最優設計點對應的排出壓力降低。此變化規律為試驗驗證最佳面積比提供了一種方法，也可以用來檢驗設計值是否為最優設計。

從圖6可看出：對于其他結構及運行參數固定的噴射器，如排出壓力一樣，吸入壓力的設計值也明顯存在一個轉折點，當吸入壓力大于設計值(15 kPa)時，噴射系數基本隨著吸入壓力的增加按正比增加；當吸入壓力小于設計值時，噴射系數下降較快。

通過對噴射器的喉嘴距、面積比以及排出壓力、吸入壓力與噴射系數關系的試驗研究，驗證了優化算法的準確性，同時得出以下結論可用于對噴射器進行定性分析。

(1)對于運行在某種參數下的噴射器來說，存在著一個最優的喉嘴距，使得噴射器的噴射系數最大。

(2)對于運行在某種參數下的噴射器來說，存在著一個最優的面積比，使得噴射器的噴射系數最大。

(3)對于最優設計的噴射器，在動力蒸汽參數和吸入蒸汽參數不變的情況下，當排出壓力小于設計值時，噴射系數基本保持不變；當排出壓力大于設計值時，噴射系數迅速降低。

(4)對于最優設計的噴射器，在動力蒸汽參數和排出壓力不變的情況下，當吸入壓力大于設計值時，噴射系數基本上隨著吸入壓力的增加按正比增加；當吸入壓力小于設計值時，噴射系數下降較快。

3 海水淡化中試裝置中蒸汽噴射器運行情況

根據試驗結果，利用該優化算法對3倍濃縮35 kt/d低溫多效海水淡化中試裝置中的蒸汽噴射器(TVC)進行設計，設計條件及要求：動力蒸汽壓力0.500 MPa(絕壓)，吸入口壓力0.015 MPa(絕壓)，出口排汽壓力0.036 MPa(絕壓)，要求確保噴射系數大于0.7，以滿足裝置造水比16的設計目標。該設備現已成功運行，噴射系數最佳值可達0.939，超出設定值34%。同時監測了TVC周圍1 m處的噪聲，結果在69～81 dB，完全滿足設計要求。

4 結語

通過對現有噴射器計算方法的分析比較，提出了蒸汽噴射器的優化算法，并通過試驗驗證了算法的準確性，同時分析了噴射器關鍵幾何尺寸及工藝運行參數對噴射系數的影響。優化算法能較大幅度地提升蒸汽噴射器的整體性能，有效減少動力蒸汽的消耗，大幅降低設備的運行成本，可以作為判定工程裝置(包括尿素真空濃縮系統)運行性能是否優化的準則。

[1] 索科洛夫 E Я，津格爾 H M．噴射器[M].黃秋云，譯．北京：科學出版社，1977.

[2] 李光祺．水蒸汽噴射泵常用計算方法的分析比較[J]．重型機械，1981(5)：3- 9.

[3] 尚迎春，張范.高壓甲銨噴射器的性能分析及優化設計[J].化肥工業，2017(2)：31- 34.

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《化肥工業》雜志是經原國家科委、原化工部批準，由上海化工研究院編輯出版的全國性刊物，主要報道內容有：氮肥、甲醇、煤化工、磷肥、鉀肥和鉀鹽、復混肥(專用肥)、新型功能性肥料企業的技術改造、節能降耗、生產管理、應用等方面的經驗；國內外化肥工業現狀和有關的科研成果及發展趨勢綜述；化肥企業開展多種經營、搞活企業的成功經驗；化工機械、儀器儀表、計算機應用；化學分析、科學施肥、安全生產、三廢治理及其綜合利用等。《化肥工業》連續多次被選列為全國中文核心期刊和中國科技核心期刊。美國《化學文摘》從1996年開始摘錄本刊內容。

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《化肥工業》編輯部

AlgorithmOptimizationandExperimentalStudyofSteamEjector

SHANG Yingchun1, XIAO Nan1, JIA Jinzhao1, WANG Weiwei1, LIU Zhichuan2, LIU Xiaodi1

(1.Beijing Aerospace Propulsion Institute, Beijing 100076, China；2.China Electric Engineering Design Institute, Beijing Low Temperature Multi- Efficiency Desalt Engineering Technology Research Center, Beijing 100142, China)

Based on design theory of Sokolov ejector, combined with IAPWA- IF97 computation model of physical property parameters of water and steam, the design algorithm of steam ejector is optimized, and the accuracy of the algorithm is verified by experiments, at the same time, the effects of key geometric dimensions of steam ejector and process operation parameters on entrainment ratio are analyzed through experiments. Algorithm optimization can improve the overall performance of steam ejector significantly, decrease the consumption of power steam and reduce equipment operating costs remarkable. It can be used as criterion for judging whether the optimal operation of engineering plant is realized or not.

steam ejector; entrainment ratio; algorithm optimization; experimental study

國家科技支撐計劃(2015BAB08B00)；國家開發投資公司科研開發項目(10001) 作者簡介：尚迎春(1984—)，碩士研究生，工程師，主要從事噴射器設備的設計工作 通信作者：劉孝弟(1958—)，男，博士，研究員；liuxd2006@126.com

TB75

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：1006- 7779(2017)03- 0034- 05

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