蒸汽壓力對蒸汽噴射泵凝結水率的影響研究及應用

陳奇，馮潤松，李小平

(中核四川環保工程有限責任公司，四川 廣元 628000)

0 引言

蒸汽噴射泵是一種以蒸汽為動力源的機械設備。蒸汽作為一種能源，普遍應用在電力、紡織、印刷、化工、冶金等諸多行業中，無論是重工業生產還是民用生產都有著不同的貢獻與作用[1]。我國在工業發展之初把蒸汽噴射技術引入國內，由于其具備良好的性能，故逐漸獲得國內多個行業的認可和青睞[2]。蒸汽噴射泵在進行轉運過程中，使用的動力是水蒸汽，在泵內利用壓力差將貯罐內的液體吸入到泵內，跟著水蒸汽一起進入中轉槽。此過程中水蒸汽也會和吸上來的廢液混合，水蒸汽凝結成水，一起進入中轉槽等待處理。蒸汽在完成做功過程或加熱過程放出汽化潛熱后，會形成高溫冷凝水，因此，水蒸汽的凝結量對后續的蒸發濃縮處理量起著至關重要的作用。為保證后續蒸發濃縮的經濟性，在蒸汽噴射泵轉水過程中，凝結水量越少越有利于生產線的經濟效益的提升。根據長期生產運行經驗，發現蒸汽壓力對凝結水率影響很大。為了降低凝結水量，減少后期處理費用，研究蒸汽噴射泵的蒸汽壓力對凝結水率的影響十分必要。

1 蒸汽噴射泵簡介

蒸汽噴射泵是一種真空獲得設備，是射流技術在傳熱領域的應用。蒸汽噴射泵具有結構簡單，檢修成本低，抽取量大，對被抽介質沒有嚴格要求等優勢[3]，它的內部構件主要由拉瓦爾噴嘴和擴壓器組成，其工作原理是利用水蒸汽射流來抽取真空[4]。蒸汽通過拉瓦爾噴嘴，減壓增速，壓力能轉化為速度能，以極高的速度進入擴壓器，同時工作蒸汽的壓力在噴嘴出口處下降，形成真空把槽內的蒸殘液吸入，蒸汽和殘液在擴壓器喉部完成混合，進行能量交換，兩種物質達到同一速度，經過擴壓器后，混合后物質速度降低，壓力進一步上升，在擴壓器出口達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行中會產生的大量凝結水，而這些凝結水未得到有效利用[6]，大部分工廠往往是通過生產加工流程直接排放，造成大量水資源浪費[7]。在某些特殊行業，產生的大量凝結水對環境有污染不能直接排放，需要經過特殊無害化處理，因此凝結水量會影響后續處理成本。

2 蒸汽噴射泵運行現狀

在工藝運行過程中，用蒸汽噴射泵抽取02/2V號儲罐中液體輸送到中轉槽12V號儲槽，運行中蒸汽會在過程中冷凝并隨著抽取的液體一同進入12V號儲槽，因此12V號儲槽中液體來源于抽取的蒸殘液和蒸汽冷凝后產生的凝結水。由于行業的特殊性，12V號儲槽中的水需要經過后期處理，因此，蒸汽冷凝后進入12V號儲槽中的凝結水越少越好，凝結水量直接影響著后續的廢水處理成本。若凝結水率(凝結水率=(接收蒸殘液量-轉出蒸殘液量)/接收蒸殘液量)高，增加廢水量，進而增加后續處理成本，故公司規定凝結水率不得高于10%。

3 實驗部分

擬用02/2V罐內編號為6P和8P兩臺蒸汽噴射泵進行實驗，啟動6P操作如下：依次開啟蒸汽進口閥門Q04/503，Q04/501，Q04/601，Q04/602，蒸殘液出口閥Q1201。

啟動8P操作如下：依次開啟蒸汽進口閥門Q04/701，Q04/801，Q04/802，Q04/802，蒸殘液出口閥Q1201。觀察02/2V槽內和12V槽內液位變化情況并記錄，實驗過程中，每5 min分鐘記錄一次蒸汽壓力的平均值。為減少誤差，實驗過程每組進行5次實驗，取平均值。

4 實驗結果分析

4.1 結果分析

按照實驗過程，記錄原始實驗結果如表1所示。

表1 噴射泵轉殘液原始數據記錄表

根據數據分析，6P實驗的第2組數據時間很短，這是由于在啟動6P泵之前，懷疑同組的另一臺5P泵堵塞，提高了蒸汽壓力，用蒸汽對5P泵進行了反吹，理論上壓力提高，會縮短抽料時間，并且反吹的蒸汽冷凝進入了02/2V，造成了記錄的液位不準確，所以此組數據作廢，不作實驗數據分析。

觀察此表中實驗數據有凝結水率為負的現象，實際是不可能存在這種情況的，分析其中可能的原因有：兩個計量槽靈敏度較低，液位要達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則無法記錄準確液位，造成液位記錄有誤差。因此，為符合生產實際，需要將凝結水率修正。對6P的有效四組數據進行修正，修正原則有二：一是保證負數凝結水率為正，二是修正后的凝結水率和生產運行經驗數據接近，按照以上原則，此次修正值為5%，得到修正后的凝結水率如表2所示。

表2 6P泵蒸汽壓力與凝結水率數據表

根據表中的數據繪出壓力和凝結水率關系如圖2所示。同理，對8P泵實驗的5組有效數據進行修正，修正原則不變，修正值為5%，修正后凝結水率數據如表3所示。

表3 8P泵蒸汽壓力與凝結水率數據表

圖2 6P泵蒸汽壓力和凝結水率關系圖

從圖2和圖3中分析，6P和8P泵兩組數據都得出，凝結水率隨著蒸汽壓力增大呈現先下降后上升的趨勢。在前半段，隨著蒸汽壓力的增加，凝結水率降低，主要原因是蒸汽壓力增加，在通過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，在抽取同樣體積的蒸殘液時，所用的蒸汽量少，凝結水率低。后半段蒸汽壓力過大，凝結水率反而增大，主要原因是：一方面是超過一定的蒸汽壓力，吸口處的壓力差達到極限，再增加蒸汽壓力不能使吸入量增加，反而造成蒸汽浪費，蒸汽壓力大，進入蒸汽噴射泵的蒸汽量多，冷凝過程中產生的凝結水增多，凝結水率高；另一方面，根據PV=nRT得出，在管道體積恒定時，壓力P越大，蒸汽量越多，產生的凝結水率越高。

圖3 8P泵蒸汽壓力和凝結水率關系圖

生產過程中要求產生的凝結水率不能超過10%，從圖2中分析得出，兩個臨界點分別為0.682、10%和0.781、10%，因此壓力在0.682～0.781 MPa間都能使凝結水率滿足要求。通過圖3中分析，兩個臨界點分別為0.692、10%和0.775、10%，因此壓力在0.692～0.775 MPa之間凝結水率滿足要求。綜上，蒸汽噴射泵在轉蒸殘液過程中要滿足凝結水率不超過10%，應控制蒸汽壓力在0.692～0.775 MPa之間。

4.2 驗證與應用

通過以上實驗，在保障工作正常運轉下，按實驗結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，驗證此壓力下凝結水率是否符合要求，得出實驗數據如表4所示。

表4 壓力和凝結水率關系表

根據表4中數據可知，在選取的壓力值下抽取蒸殘液，凝結水率都可滿足要求在10%以下，進一步驗證了實驗結果推薦的壓力值范圍的可行性。

5 結語

此次研究中，探究了蒸汽噴射泵運行中不同的蒸汽壓力對凝結水率的影響規律，優選出了蒸汽壓力范圍值為0.692～0.775 MPa，并在優選出的壓力范圍值下進行實驗驗證，確保實驗優選壓力值范圍的可行性，保證了凝結水率不高于10%，達到了企業生產要求，為降低后期凝結水的處理成本提供了保障。