某核设施蒸汽喷射泵送料的缺陷与优化

某核设施蒸汽喷射泵送料的缺陷与优化

苗建军

中核四川环保工程有限责任公司

摘要：某核设施废液贮槽在使用蒸汽喷射泵输送废液时，蒸汽凝结水量约占废液输送总量的11%~13%左右（体积比），凝结水量占比的设计理论值为0.8%（体积比），数据显示实际凝结水量占比较高。开展原因分析，发现主要原因为：蒸汽喷射泵工作蒸汽压力不足，导致喷射泵运行实际膨胀比115达不到设计值200。解决措施为提高喷射泵运行膨胀比，可从提高工作蒸汽压力、降低喷嘴出口压力两方面入手，针对工作压力提出相应缓解措施，针对出口压力提出2种优化帕瓦尔喷嘴结构的方法。分别提升实际膨胀比至200和250，对喷嘴喉径和出口直径进行优化设计，拉瓦尔喷嘴结构优化后，凝结水量占废液输送总量的理论值分别为0.71%和0.69%（体积比），低于优化前凝结水占比值0.8%（体积比），表明优化均具有一定的效果。同时，膨胀比越高时，蒸汽喷射泵的工作效率越高。

关键词：蒸汽喷射泵；拉瓦尔喷嘴；膨胀比

1 前言

某核设施设有废液贮槽，用于废液的接收、贮存及输送，其中废液输送属于阶段性工作，后续工号需要废液时再向其送料。根据送料系统的设计，废液输送需要使用蒸汽喷射泵和磁力泵。蒸汽喷射泵用于将废液由贮槽输送至废液中转槽，磁力泵用于将废液由中转槽输送至目标工号。

蒸汽喷射泵是一种利用水蒸汽高速射流来抽取低压流体的真空泵，具有结构简单、成本低、工作可靠等优点，应用较广。废液输送时，使用饱和蒸汽作为动力源，利用蒸汽的抽力将废液从贮槽中吸取并输送出去，因蒸汽与废液直接接触，故在废液输送过程中，蒸汽将与废液混合并凝结成水，后续的磁力泵所输送的废液中包含了一部分蒸汽凝结水。根据表2-1蒸汽喷射泵的设计值，可得蒸汽凝结水量占废液输送总量的理论值为0.8%（体积比），而从2年多的送料情况来看，蒸汽凝结水量占比约为11%~13%左右（体积比），占比较高，无形中增加了废液总量，增大了处理成本。

鉴于此，有必要对蒸汽喷射泵送料情况进行分析，查找送料时蒸汽凝结水量较大的具体原因，找到解决的措施或方法，提高蒸汽喷射泵的送料效率。

2 蒸汽喷射泵

2.1 蒸汽喷射泵原理

蒸汽喷射泵主要包括接受室、混合室、扩压器三部分，如图2-1。

图2-1 蒸汽喷射泵结构示意图

蒸汽喷射泵的工作原理是以消耗高压蒸汽为代价，利用自身的结构特点来提高低压流体压力。具体过程是：高压工作蒸汽通过拉瓦尔喷嘴时，由于喷嘴截面积的变化，蒸汽的运动状态会经历亚音速、音速和超音速的变化过程；工作蒸汽从喷嘴排出后继续膨胀，形成高速低压区域，在内外压差的驱动下，引射流体被吸进泵内，并依靠工作蒸汽膨胀核边界层的粘性力作用，被引入混合室内并加速，蒸汽的潜热被废液吸收而温度升高，高速蒸汽流的动能传递给废水，使混合流体速度升高，气液两相流体充分混合后进入扩压器减速增压，在出口以一定压力排出喷射泵，以此实现废液抽吸和输送的目的[1]。

图2-2 蒸汽喷射泵内部压力、速度变化示意图

图2-2为蒸汽喷射泵内部压力、速度变化示意图。工作蒸汽以较高压力、较低流速进入喷射器，经喷嘴减压增速后变为较低压力、较高流速；废液以较低压力、较高流速进入喷射泵，经喷嘴减压增速后变为较低压力、较高流速；两者在混合室进行动量、热量交换，混合流体变为较高压力、较高流速进入扩压器，经减速增压后变为较高压力、较低流速排出喷射器。

2.2 蒸汽喷射泵布局

每个贮槽共有4台蒸汽喷射泵，型号为PSB-ZS-10-5-20,分两层布置于废液贮槽内，每层2台，第一层泵吸液口距底5mm，第二层泵吸液口距底3500mm。蒸汽喷射泵在贮槽内的布局示意图如2-3。

图2-3 蒸汽喷射泵布局示意图

2.3 蒸汽喷射泵参数

蒸汽喷射泵设计/运行参数如表2-1。

表2-1 蒸汽喷射泵设计/运行参数表

3 原因分析及解决措施

3.1 原因分析及解决思路

3.1.1 原因分析

蒸汽喷射泵膨胀比指的是喷嘴前工作压力与喷嘴出口压力之比[2]，用来评价蒸汽喷射泵拉瓦尔喷嘴对工作蒸汽减速增压的性能，如公式（1）。

                                  (1)

式中：——喷嘴前工作压力，MPa；

      ——喷嘴出口压力，MPa。

从蒸汽喷射泵工作原理的角度看，喷嘴出口压力与废液引射压力之间形成的压力差为驱动力，将废液吸入混合室内，喷嘴出口压力越低，压力差越大，驱动力越强，对应喷射泵膨胀比越大，废液的吸入量自然越多，所以喷射泵输送流量越大、效率越高。查阅相关资料表明[1]:在废液比热容和最小截面积不变的前提下，混合室内最大流量正比于工作蒸汽压力

。工作压力降低，混合室最大流量减小，表明废液的最大吸入量下降，相当于废液压力差减小、喷嘴出口压力升高而膨胀比相对降低。

已知设计蒸汽压力为0.7MPa、喷射泵设计膨胀比为200，则喷嘴出口设计压力为0.0035MPa；目前送料所使用的的蒸汽压力为0.4MPa，喷嘴出口压力为0.0035MPa，则喷射泵实际膨胀比为115，小于设计膨胀比。结果表明，在实际运行中，蒸汽喷射泵受工作蒸汽压力低的限制，工作效率有所下降，这也是蒸汽凝结水量占废液输送总量比重较大的原因。

3.1.2 解决思路

蒸汽喷射泵运行中，实际膨胀比小于设计膨胀比，只要想方设法将实际膨胀比提高、达到或超过设计膨胀比，就能提升喷射泵工作效率，降低蒸汽凝结水量。

喷射泵膨胀比与工作蒸汽压力、喷嘴出口压力有直接关系，凡是能提高工作蒸汽压力，或降低喷嘴出口压力的方法，都能提高实际膨胀比。由此，提高膨胀比可从提高工作压力、降低出口压力两个方面入手。

3.2 解决措施

3.2.1 提高工作压力

毫无疑问，最简单有效的方法是提高工作蒸汽压力，当蒸汽压力越接近0.7MPa时，蒸汽喷射泵运行时膨胀比越高。有资料表明[1]，当工作蒸汽压力达到0.9MPa时，蒸汽喷射泵引射系数最大，此时膨胀比已超过设计值，工作效率最高。

目前蒸汽管网总压最大值约为0.7MPa，若想达到0.9MPa需增设增压设施，同时蒸汽喷射泵设计蒸汽压力为0.7MPa，故此工作压力以0.7MPa为宜。从实际情况来看，该核设施内蒸汽管网经过分汽缸后共有4个去向，分别为废水蒸发、废液输送、暖风通风、淋浴水加热。若在废水蒸发系统运行的同时再输送废液，蒸汽压力很难保持在0.7MPa，一般只有0.4MPa左右。

综上所述，当前情况下，提高工作蒸汽压力很难达到设计要求。因此，可以考虑提高引射压力、降低出口压力的方法。

3.2.2 降低出口压力

当工作蒸汽压力一定时，降低喷嘴出口压力，既可以增大喷射泵膨胀比，又可以增加出口压力与引射压力之差，增强废液引射驱动力，提高喷射泵的工作效率。

降低出口压力，实际上是根据调整后的实际膨胀比进行蒸汽喷射泵喷嘴结构优化，以适应实际工作蒸汽压力的运行情况。调整膨胀比，可以有两种方式：实际膨胀比达到设计值200、实际膨胀比超过设计值200。

已知饱和蒸汽相关参数如表3-1，拉瓦尔喷嘴结构如图3-3。

表3-1 饱和蒸汽相关参数表

图3-3 拉瓦尔喷嘴结构简图

（1）实际膨胀比等于设计值

已知蒸汽喷射泵出口管尺寸为φ57×3mm，管道内径51mm，取拉瓦尔喷嘴出口直径最大值为51mm，若将实际膨胀比提高至设计值200，则拉瓦尔喷嘴优化尺寸计算如下。

已知喷嘴出口直径计算公式[2]为

                      (2)

式中：——喷嘴出口直径，mm；

      ——喷嘴喉径，mm；

      ——喷射泵膨胀比。

优化后的喷嘴喉径为

（2）实际膨胀比高于设计值

已知帕瓦尔喷嘴设计喉径为9.37mm、设计出口直径为46.04mm，若将出口直径提高至最大值51mm，则最大设计膨胀比可由公式（2）计算得出。使用试算法，设计膨胀比最大值为257。

若将实际膨胀比提高至250，超过设计值并低于最大值，则拉瓦尔喷嘴优化尺寸计算如下。

优化后的喷嘴喉径为

在工作蒸汽压力为0.4MPa时，按照膨胀比为200或250对拉瓦尔喷嘴分别进行优化，优化前后尺寸对照如表3-2。

表3-2 拉瓦尔喷嘴优化前后对比表

3.2.3 效果评估

（1）实际膨胀比等于设计值

已知蒸汽喷射泵实际工作压力0.4MPa、实际膨胀比为200，拉瓦尔喷嘴优化后，工作蒸汽理论耗量计算如下。

喷嘴喉径计算公式[2]为

                            (3)

式中：——喷嘴喉径，mm；

      ——饱和蒸汽系数，1.32；

      ——工作蒸汽绝对压力，MPa；

      ——工作蒸汽比热容，m3/Kg；

      ——工作蒸汽耗量，Kg/h。

优化后的蒸汽耗量理论值为

蒸汽耗量为57Kg/h，凝结成水为0.57m3/h，送料量为8m3/h，则优化后的凝结水量占废液输送总量的理论值为0.71%（体积比），低于优化前凝结水占比值0.8%（体积比）。

（2）实际膨胀比高于设计值

已知蒸汽喷射泵实际工作压力0.4MPa、实际膨胀比为250，拉瓦尔喷嘴优化后，工作蒸汽理论耗量计算如下。

优化后的蒸汽耗量理论值为

蒸汽耗量为48Kg/h，凝结成水为0.48m

3/h，送料量为7m3/h，则优化后的凝结水量占废液输送总量的理论值为0.69%（体积比），低于优化前凝结水占比值0.8%（体积比），表明拉瓦尔喷嘴优化具有一定的效果，提高了以0.4MPa蒸汽为动力的蒸汽喷射泵的工作效率。

（3）两者对比

综上所述，实际膨胀比为200时，凝结水量占废液输送总量的理论值为0.71%（体积比）；实际膨胀比为250时，凝结水量占比理论值为0.69%（体积比）。两者均低于优化前凝结水占比值0.8%（体积比），表明拉瓦尔喷嘴优化均具有一定的效果；膨胀比越高时，拉瓦尔喷嘴喉径越小，故送料量越低，但凝结水量占比越小，表明蒸汽喷射泵的工作效率越高。

4 结论

某核设施废液贮槽在使用蒸汽喷射泵输送废液时，蒸汽凝结水量占总送料量比重较高，为降低蒸汽凝结水量，减少不必要的废液量，提高蒸汽喷射泵工作效率，开展了蒸汽凝结水量大的原因分析工作。对送料时凝结水量大的原因进行分析，针对蒸汽喷射泵送料的实际膨胀比小于设计膨胀比的情况，提出相应的预防及解决措施，对蒸汽喷射泵拉瓦尔喷嘴结构进行两种优化设计，以适应现有的工作蒸汽压力。通过分析和计算得到以下几个结论：

（1）蒸汽凝结水量大的主要原因为蒸汽喷射泵实际工作蒸汽压力不足，导致喷射泵运行膨胀比115，达不到设计值200。

（2）提高膨胀比可从提高工作压力、降低出口压力两方面入手。

（3）拉瓦尔喷嘴结构优化后，凝结水量占废液输送总量的理论值分别为0.69%和0.71%（体积比），低于设计凝结水占比值0.8%（体积比），表明优化均具有效果。

（4）膨胀比越高时，拉瓦尔喷嘴喉径越小，故送料量越低，但凝结水量占比越小，表明蒸汽喷射泵的工作效率越高。

参考文献

[1]王俏，三喷嘴蒸汽喷射泵的数值模拟研究与分析[D]，河北工业大学，2014.6

[2]魏博，廖国进等，水蒸汽喷射泵结构尺寸计算系统的建立[J]，辽宁工业大学学报（自然科学版），2016，33（4）：277-280

作者简介：苗建军，男，汉族，1975年7月出生，高级工程师。