一种零耗能直接混合降低气汽混合物温度装置的制作方法

1.本发明涉及环保节能技术领域，尤其涉及一种零耗能直接混合降低气汽混合物温度装置。


背景技术：

2.当前我国电厂的冷端系统绝大部分存在着能耗偏高的问题。北方地区冬夏季及昼夜温差很大，导致空冷凝汽器中应抽出的气汽混合物容积流量相差很大，如果抽真空系统不能及时将气汽混合物抽出，会大大降低空冷凝汽器的换热效果。最为显著的是，凝汽器作为冷端系统的重要设备，人们往往会低估类似因抽真空设备引起真空恶化对能耗产生的影响，而更多地去关注蒸汽参数对机组的热效率的影响。据统计，在我国电厂中，30万的机组凝汽器真空偏低的问题是最为严重的，较设计值相比还要低3％～6％。此外，机组容量越大，冷端系统改进产生的效益就越明显。
3.目前电厂常用的抽真空设备是水环真空泵，水环式真空泵的工作出力很大一部分取决于工作水温度，同时受到“极限抽吸压力”的影响，容易在运行中发生叶轮表面局部气锤现象，运行噪音大且并使叶片产生很大的拉应力，长时间运行易造成叶片的断裂，威胁机组的安全运行。真空泵的工作水温升高导致真空降低的主要原因有：真空泵从凝汽器抽取的混合气体是由高温蒸汽和不凝气体组成的，混合气体进入真空泵被压缩做功过程中凝结放热，引起真空泵的工作水温度过高，同时形成较大量溢流水。
4.现有系统中，通过直接降低工作水的温度、增设或增开水环式真空泵、降低真空泵抽吸的混合气体温度、在真空泵的入口处串联大气喷射器都能提高凝汽器真空，如中国专利201220340726.6提供了一种凝汽器抽真空冷却装置，包括凝汽器，其特征在于，在凝汽器的抽真空管道的竖直向下拐弯处连接设有抽真空冷却装置，所述的抽真空冷却装置设有壳体，壳体上设有气汽进口和出水管口，壳体内设有一组螺旋式换热管。从凝汽器的抽空气管道中抽出的气汽混合物通过气汽进口进入真空冷却装置，通过螺旋式换热管在真空冷却装置的管体内壁螺旋式旋转，与从补水管路中的水逆流接触，进行换热，使气汽混合物中的蒸汽凝结并疏出，减少了蒸汽在水环真空泵中的凝结放热，使工作水温度降低，防止汽蚀，提高真空泵的抽吸能力。
5.上述凝汽器抽真空冷却装置虽然在一定程度上克服了现有技术的不足，提高了凝汽器真空度，但气汽混合物与补水管路中的水不是直接接触换热，而且通过螺旋式换热管时增加了部分气阻，效果并不理想。
6.为此，我们提出一种零耗能直接混合降低气汽混合物温度装置来解决上述问题。


技术实现要素：

7.本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的一种零耗能直接混合降低气汽混合物温度装置。
8.为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
9.一种零耗能直接混合降低气汽混合物温度装置，包括高效射流卷吸机构、不凝气体分液器、气液二次分离器和抽真空设备，所述高效射流卷吸机构和不凝气体分液器装设在抽真空设备前端，所述抽真空设备中设置有抽真空设备管道，且高效射流卷吸机构和不凝气体分液器直接串入抽真空设备管道中，所述抽真空设备管道与外部的凝汽器出口连接，所述高效射流卷吸机构的输入端连接有化补水管道，且化补水管道来的化补水在高效射流卷吸机构内与凝汽器出口来的气汽混合物进行动态充分直接混合降温，所述不凝气体分液器通过气液二次分离器与外部的凝汽器底部热井连接。
10.在上述的零耗能直接混合降低气汽混合物温度装置中，所述高效射流卷吸机构包括冷却水水腔室、射流卷吸射头群、射流卷吸混合腔、特种输出管道、抽真空管道和冷却水管道，所述冷却水管道与冷却水水腔室顶部相连，所述抽真空管道与射流卷吸混合腔侧面上部相连，所述特种输出管道与射流卷吸混合腔底部相连，所述射流卷吸射头群设置于射流卷吸混合腔腔内上部。
11.在上述的零耗能直接混合降低气汽混合物温度装置中，所述射流卷吸射头群由多个射流卷吸射头组成，且冷却水通过冷却水管道进入射流卷吸射头群再通过射流的方式将冷却水射入射流卷吸混合腔。
12.在上述的零耗能直接混合降低气汽混合物温度装置中，所述射流卷吸混合腔直接串联于抽真空管道上，所述射流卷吸射头群将冷却水射入射流卷吸混合腔时形成卷吸效应，且卷吸效应将抽真空管道中由水蒸汽和不凝结气体组成的气汽混合物径向吸入射流卷吸混合腔。
13.在上述的零耗能直接混合降低气汽混合物温度装置中，所述特种输出管道将射流卷吸混合腔中形成的气汽水混合物排出，所述气汽水混合物由温度降低的不凝结气体、温度降低的水蒸气、冷却水以及水蒸汽被冷凝产生的凝结水组成。
14.在上述的零耗能直接混合降低气汽混合物温度装置中，所述化补水管道的侧壁上分别连接有化补水管道电动调节阀和化补水流量，所述化补水管道电动调节阀对化补水流量进行基于模型预测的智能pid自动调节，且化补水管道电动调节阀和化补水流量均与外部的自动控制系统电连接。
15.在上述的零耗能直接混合降低气汽混合物温度装置中，所述不凝气体分液器的侧壁上设置有与特种输出管道连接的不凝气体进口，所述不凝气体分液器的侧壁上设置有不凝气体出口，且不凝气体出口的外侧连接有去抽真空设备管道，所述不凝气体分液器的侧壁上还连接有热水出口，且热水出口通过气液二次分离器将升温的化补水及水蒸气被冷凝的水送入外部的凝汽器热井管道中，所述升温的化补水、水蒸气被冷凝的水、动力蒸汽被冷凝的水均能实现回收利用。
16.与现有技术相比，本一种零耗能直接混合降低气汽混合物温度装置的优点在于：
17.1)增加对不凝结气体的抽吸量：零耗能提高真空装置投入后，混合气体温度下降，其中的可凝结部分就会提前在高效射流卷吸机构内凝结，被凝结的水蒸气的体积由后续气汽混合物递进补充，达到新的动态平衡，从而增加了抽真空设备对不凝结气体的抽吸量。
18.2)降低抽真空设备的吸入口压力：由于将蒸汽凝结，在抽真空管道入口压力与抽真空设备进气口之间压差不变的情况下，势必会增加抽出不凝气体的量，从而提高了凝汽器的真空。
19.3)有利于气汽混合物的流动：零耗能提高真空装置投入后的气体温度下降，根据气体状态方程可知，高效射流卷吸机构的容积不变，高效射流卷吸机构内的压力随着温度的降低而降低，有利于凝汽器内不能凝结的蒸汽和漏入的空气排向高效射流卷吸机构。
20.4)回收凝结水和潜热：零耗能提高真空装置投入后，抽真空管道中混合气体的大量水蒸气被凝结，水蒸气中的潜热被回收。同样的，真空发生器中用作动力源的高温蒸汽也被大量凝结和回收潜热，最终都汇流到凝汽器底部的热井，实现水资源与热能的多重回收。
附图说明
21.图1为本发明提出的一种零耗能直接混合降低气汽混合物温度装置的系统框图；
22.图2为本发明提出的一种零耗能直接混合降低气汽混合物温度装置的高效射流卷吸机构结构图；
23.图3为本发明提出的一种零耗能直接混合降低气汽混合物温度装置的cfd模型尺寸立体图；
24.图4为本发明提出的一种零耗能直接混合降低气汽混合物温度装置的；
25.图5为本发明提出的一种零耗能直接混合降低气汽混合物温度装置的；
26.图6为本发明提出的一种零耗能直接混合降低气汽混合物温度装置的。
27.图中，1高效射流卷吸机构、2不凝气体分液器、3气液二次分离器、4化补水管道、5抽真空设备管道、6不凝气体进口、7不凝气体出口、8去抽真空设备管道、9热水出口、10凝汽器热井管道、11化补水管道电动调节阀、12化补水流量、13冷却水水腔室、14射流卷吸射头群、15射流卷吸混合腔、16特种输出管道、17抽真空管道、18冷却水管道。
具体实施方式
28.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
29.实施例
30.参照图1
‑
6，一种零耗能直接混合降低气汽混合物温度装置，包括高效射流卷吸机构1、不凝气体分液器2、气液二次分离器3和抽真空设备，高效射流卷吸机构1和不凝气体分液器2装设在抽真空设备前端，抽真空设备中设置有抽真空设备管道5，且高效射流卷吸机构1和不凝气体分液器2直接串入抽真空设备管道5中，抽真空设备管道5与外部的凝汽器出口连接，高效射流卷吸机构1的输入端连接有化补水管道4，且化补水管道4来的化补水在高效射流卷吸机构1内与凝汽器出口来的气汽混合物进行动态充分直接混合降温，水蒸气不断被凝结而减少，使抽真空管道中气汽混合物组成成分发生改变，从而增加了不凝气体含量，增加不凝气体含量的所采用的技术方式为零耗能直接混合降温，不凝气体分液器2通过气液二次分离器3与外部的凝汽器底部热井连接。
31.其中，高效射流卷吸机构1包括冷却水水腔室13、射流卷吸射头群14、射流卷吸混合腔15、特种输出管道16、抽真空管道17和冷却水管道18，冷却水管道18与冷却水水腔室13顶部相连，抽真空管道17与射流卷吸混合腔15侧面上部相连，特种输出管道16与射流卷吸混合腔15底部相连，射流卷吸射头群14设置于射流卷吸混合腔15腔内上部，具体的，射流卷吸射头群14由多个射流卷吸射头组成，且冷却水通过冷却水管道18进入射流卷吸射头群14
再通过射流的方式将冷却水射入射流卷吸混合腔15，更具体的，射流卷吸混合腔15直接串联于抽真空管道17上，射流卷吸射头群14将冷却水射入射流卷吸混合腔15时形成卷吸效应，且卷吸效应将抽真空管道17中由水蒸汽和不凝结气体组成的气汽混合物径向吸入射流卷吸混合腔15，特种输出管道16将射流卷吸混合腔15中形成的气汽水混合物排出，气汽水混合物由温度降低的不凝结气体、温度降低的水蒸气、冷却水以及水蒸汽被冷凝产生的凝结水组成。
32.其中，化补水管道4的侧壁上分别连接有化补水管道电动调节阀11和化补水流量12，化补水管道电动调节阀11对化补水流量12进行基于模型预测的智能pid自动调节，且化补水管道电动调节阀11和化补水流量12均与外部的自动控制系统电连接。
33.其中，所述不凝气体分液器2的侧壁上设置有与特种输出管道16连接的不凝气体进口6，不凝气体分液器2的侧壁上设置有不凝气体出口7，且不凝气体出口7的外侧连接有去抽真空设备管道8，不凝气体分液器2的侧壁上连接有热水出口9，且热水出口9通过气液二次分离器3将升温的化补水及水蒸气被冷凝的水送入外部的凝汽器热井管道10中，升温的化补水、水蒸气被冷凝的水、动力蒸汽被冷凝的水均能实现回收利用。
34.本发明的特点和进一步改进在于：
35.喷射装置比传统混合设备更易设计、制造和控制，能以较低的能耗达到更好的混合状态。在实际应用中，除了常见的平面和轴对称射流外，还有方形、矩形、椭圆形及三角形等喷嘴射出的三维自由射流和三维壁面射流。射流卷吸在湍流流场的混合和燃气轮机燃烧室的燃烧中都起重要作用。
36.计算流体力学方法具有投资小和精度易提高等特点，是研究流体流动的有效方法。对圆形、椭圆形、正方形、十字形、三角形5种形状喷嘴的射流流动与卷吸特性未见系统比较。本发明采用rngk
‑
ε模型对上述5种喷嘴进行数值模拟，通过分析不同形状喷嘴的轴向射流速度衰减、射流穿透深度、速度半值宽和卷吸率分布，比较不同形状喷嘴的射流流动与卷吸特性。
37.1、数值模型
38.1.1物理模型
39.连续性与动量方程中瞬时变量经雷诺平均后在笛卡儿坐标系下写成如下的张量形式：
[0040][0041][0042]
为了封闭方程(2)，采用boussinesq假设对雷诺应力进行模拟，即认为雷诺应力与平均速度梯度成正比：
[0043][0044]
重整化群k
‑
ε模型中湍动能与耗散率方程满足：
[0045][0046][0047]
1.2几何模型构建
[0048]
为了更好地验证本数值模型的正确性，具体模型参数如图3所示。特征模型尺寸的长
×
宽
×
高＝2500mm
×
400mm
×
600mm.喷嘴位置距底面高度为250mm。长方体水槽右侧壁面上方100mm
×
400mm的流体出口为自由流出口。圆形喷嘴直径选取d＝15和10mm两种，通过将d＝15mm，u0＝4.50m/s的圆形喷嘴模拟数据进行对比，验证本数值模型的正确性。
[0049]
在喷射口流量和喷嘴面积相同的前提下，选取图4所示5种轴对称型喷嘴，研究其在0.65，1.10，2.13，3.29，4.11，4.50m/s6个不同出口速度下射入静止流体的卷吸特性，其中射流流体工质为水，密度ρ＝998kg/m3。
[0050]
1.3湍流模型选取
[0051]
采用4种不同湍流模型对d＝15mm，u0＝4.50m/s的圆形喷嘴模型进行模拟计算，4种不同湍流模型在z
‑
z0＝21cm处的轴向速度如图5所示，可见采用rngk
‑
ε数值模拟所得轴向速度最接近实验值，4种不同数值标准k
‑
ε，rngk
‑
ε，sstk
‑
ω及标准k
‑
ω模型计算的最大轴向速度与实验值的误差分别为67.5％，5.75％，53.8％，57.7％。其他轴向位置rngk
‑
ε模型与实验值的误差均较小，考虑到rngk
‑
ε模型适宜处理高应变率和流线弯曲程度较大的流动，因此，本工作选用rngk
‑
ε模型。
[0052]
1.4网格有效性验证
[0053]
网格疏密程度对数值模拟的精度及计算时间都有一定影响，但对于一个给定的具体问题，网格的密度达到一定程度时，其对结果的影响可忽略，进一步加密网格反而会延长计算时间。为了使研究更精确，本发明对喷嘴前方长
×
宽
×
高＝600mm
×
200mm
×
200mm的长方体区域进行网格细化，分别对网格尺寸为4，5，6mm的3种不同精度的网格模型进行rngk
‑
ε数值模拟，其对应的网格数和网格扭曲率分别为2633161，1103114，786003和0.7725，0.7726，0.7854，符合网格质量要求。图6为3种不同网格精度下rngk
‑
ε模型模拟所得射流轴向速度分布。从图可看出，网格尺寸为5和6mm的结果接近，且与网格尺寸为4mm的结果的最大误差分别为3.85％和10.56％.综合考虑计算精度及计算时间，采用rngk
‑
ε模型模拟时选取网格尺寸为5mm。
[0054]
本发明在使用时，将抽真空设备管道5与凝汽器出口相连，化补水管道4来的化补水在高效射流卷吸机构1内与凝汽器来的气汽混合物进行动态充分直接混合降温，水蒸气不断被凝结而减少，使抽真空管道中气汽混合物组成成分发生改变，从而增加了不凝气体含量。经过不凝气体分液器2后，已改变了组成成分的不凝气体进入抽真空设备管道5，由后续的抽真空设备抽走，升温的化补水及水蒸气被冷凝的水通过热水出口9经气液二次分离器3送入凝汽器热井管道10。
[0055]
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。