海水淡化压缩器研究

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在海水淡化领域中，如何在制淡水量相同的情况下消耗更少的蒸汽和电能，已成为各国研究的重点。而海水淡化装置中的大型蒸汽喷射压缩器（TVC泵）则是节约蒸汽的关键设备。海水淡化装置根据季节和用水时段的不同，还要求制淡水量在40%~110%之间可以调节，这就要求TVC泵具有调节蒸汽流量的功能。国内对用于海水淡化的大型蒸汽喷射压缩器（TVC泵）一直缺乏工程应用方面的深入研究，与此相关的关键技术一直被西方少数几家大公司所垄断。

1海水淡化技术与TVC泵介绍

淡水资源短缺已经成为21世纪人类社会发展的三大环境问题之一，海水淡化和海水直接利用技术已经成为各国非常重视的高新技术。目前各国投入商业运行的海水淡化方法主要为多级闪蒸(MSF)、低温多效蒸发(LT-MED)、压汽蒸馏(VC)、反渗透(RO)和电渗析法(ED)，而适用于万吨级以上的大型的海水淡化方法只有多级闪蒸(MSF)、低温多效蒸发(LT-MED)和反渗透(RO)[1、2]。表1归纳了这3种海水淡化方法的特性[3]。高能耗成为制约海水淡化技术发展的主要瓶颈，由于低温多效蒸发(low-temperaturemulti-effectdistillation，LT-MED)海水淡化技术可以与电厂有机结合，充分利用电厂余热和机组乏汽，有效降低造水成本，已成为大型海水淡化技术的发展方向之一。在利用机组乏汽作为热源的低温多效蒸发海水淡化装置中，为了能进一步降低系统消耗的能量，将蒸汽喷射压缩器（TVC泵）技术与LT-MED系统耦合已成为一种发展趋势[4]。蒸汽喷射压缩器又称蒸汽热力压缩器（thermalvaporcompressor）、TVC泵等，是低温多效蒸馏海水淡化装置中的关键设备。海水淡化装置最重要的一个指标就是单位蒸汽造水比（GOR）。如何在制淡水量相同的情况下，消耗更少的蒸汽和电能成为各国研究的重点。而海水淡化真空装置中的大型蒸汽喷射压缩器（TVC泵）则是节约蒸汽的关键设备，它的工作原理为：用生蒸汽做动力，将多效蒸发器中某一效组中的热能（乏汽）抽出，混合成一定热力参数的混合蒸汽，供应到一效加热海水。图1为TVC泵在第四效抽气的六效低温多效蒸发海水淡化装置示意图。海水淡化装置根据季节和用水时段的不同，要求制水量在40%~110%之间可以调节，这就要求TVC泵具有调节蒸汽流量的功能。本项目采用缩器（专利号：ZL201020174563.X）作为TVC泵，通过芯棒的前后移动，来控制通过喷嘴喉径的蒸汽流量，达到调节的目的。图2为喷嘴可调式的蒸汽喷射压缩器（TVC泵）结构示意图。对于蒸汽喷射压缩器的数值计算和模拟研究，在海水淡化应用领域相对较少，而在制冷领域得到了比较多的研究。为适应低温多效蒸发海水淡化技术发展的需要，国内外已有不少学者在此基础上提出了改进型热力学法，取得了较为满意的效果[5~9]。本文通过对用于万吨级海水淡化的大型蒸汽喷射压缩器（TVC泵）进行模拟工作环境的实物试验，研究操作工况及喷嘴结构参数对喷射泵性能的影响规律，为设计适用于低温多效蒸发海水淡化工程工况的性能优良和喷嘴可调式的蒸汽喷射压缩器，提供了有益的设计验证和试验研究。

2本次试验的设计参数

(1)工作蒸汽压力Pp：0.68MPaG；温度：170℃；流量：420kg/h(2)引射蒸汽压力Ph：15kPaA；温度：54℃；流量：380kg/h(3)混合蒸汽压力Pc：34KpaA；(4)引射系数μ：0.905(5)喉面比At：48.3(6)喷嘴喉部面积：104mm2；出口面积：855mm2(7)芯棒调节喷嘴喉部面积可调节范围：0～125mm2(8)扩压管喉部面积：5024mm2；入口面积：12860mm2(9)喷嘴自由流速面积可调节范围：8490mm2~7386mm2；对应喷嘴距：50mm~-50mm(10)喷嘴自由流速直径与扩压管喉部直径的比值As：1.3~1.21

3试验结果整理与分析

我们在大型试验平台上对喷射压缩器（TVC泵）进行模拟工作环境的实物试验，并将试验记录的数据整理成不同的图表。图3给出了喷嘴距不同时，即不同的喷嘴自由流速直径与扩压管喉部直径的比值时，保持喷射器各参数在设计条件下，喷嘴自由流速直径与扩压管喉部直径的比值As与引射系数μ的关系。从图3可以看出，As=1.28（对应喷嘴距25mm时），μ值最大，达到了最佳设计值，其余距离时的μ值均小于该设计值。因此本次试验用的喷射器，喷嘴距25mm是最佳的工作点。根据喷射器设计遵循相似性理论的特点，该设计条件状态下的喷射器设计时，As取1.28最佳。本次试验的后续部分内容，均在喷嘴距为25mm的条件下进行。以下试验通过采集可调式喷射器的调节芯棒在3个典型位置处的工作参数，讨论喷嘴调节对喷射器参数的影响。文中调节芯棒的位置分别取为：L1，调节芯棒顶端位于喉口下游3mm处，即喷嘴喉部面积为94mm2；L2，调节芯棒顶端位于喉口下游2mm处，即喷嘴喉部面积为104mm2；L3，调节芯棒顶端位于喉口下游1mm处，即喷嘴喉部面积为115mm2。图4给出调节芯棒在不同位置下，工作压力Pp=0.68MPa，引射压力Ph=15kPa时，引射系数μ与出口压力Pc之间的关系。总的来看，当调节芯棒位置固定时，喷射器的引射系数在一定的出口压力范围内基本保持不变；当出口压力达到临界值时，喷射器的喷射系数急剧下降。引射系数可用来表征喷射器性能，它是引射蒸汽流量与工作蒸汽流量的比值。由图4可以看出，随着调节芯棒沿轴向移向上游，即喷嘴喉部面积增大，喷射器的引射系数减小。当喷嘴喉部面积为94mm2时，引射系数约为1.2；当喷嘴喉部面积为115mm2时，喷射系仅为0.56。在上述3个调节芯棒位置下，出口流量分别是836kg•h-1、800kg•h-1、720kg•h-1。虽然喷射器的引射系数随着喷嘴喉部面积的缩小而提高，由于工作蒸汽流量的锐减，出口流量呈现下降趋势。调节锥在L3位置，即喷嘴喉口截面积为115mm2时，是该喷射器整体结构所对应的最大尺寸，此时喷射器具有最大的升压能力，出口压力可达39.5kPa；当调节芯棒进入喷嘴使得喷嘴喉部面积缩小时，虽然喷射器的引射系数提高，但其升压能力降低，调节锥位于L1位置，即喷嘴喉部面积为94mm2时，引射系数虽然提高到1.2，但其最大出口压力降至32.5kPa。图5给出了保持相应的引射压力不变，在不同的调节芯棒位置时，喷射器出口压力与工作蒸汽压力的关系。由图5可见，可调式喷射器的出口压力随工作压力的升高略有提高。随着调节芯棒向上游移动，喷嘴喉部面积增大，出口压力有较大幅度提高。当工作蒸汽压力为0.78MPa，调节锥由位置L1移动到L3时，出口压力由35kPa升至46kPa，变化幅度达到31.4%。可调式喷射器流量、引射系数等性能参数的变化也引起喷射器出口温度的变化。对于海水淡化装置应用的喷射器来说，出口蒸汽温度的高低影响着装置调节设施的设计。从图6的实验结果趋势来看，可调式喷射器的出口温度Tc随工作压力的升高而略有升高。当调节锥分别在L1、L2、L3位置，工作蒸汽压力由0.55MPa到0.78MPa时，出口温度变化分别为2.3%、1.5%和2.8%。但与对应压力下的饱和温度相比，出口蒸汽有14.6℃~19.1℃的过热度,调节锥在位置X1时，得到最大过热度19.1℃.

4试验结论

(1)可调式喷射器通过改变喷嘴喉部面积，流量的范围可有较大幅度的变化。(2)可调式喷射器的喷嘴喉部面积减小时，压缩压力范围变窄，引射系数提高。(3)保持工作压力0.68MPa，引射压力15kPa不变，喷射器喷嘴喉部面积由115mm2减小到94mm2，出口流量由720kg/h变化到836变化幅度16.1%；出口压力由46kPa减少至35kPa；喷射系数由0.56提高至1.2。