科技日报记者 韩荣
不久前，在山西吕梁，我国首台百吨级乏汽引射器完成首个运行周期。这台重器将晋能大土河热电有限公司发电产生的海量余热，高效回收用于供暖。
长期以来，我国火电、热电行业如同巨型“散热场”，大量低温乏汽直接排空，不仅造成能源白白损耗，还持续推高碳排放。乏汽引射器是余热回收领域的核心关键装备，其中百吨级产品设计制造技术壁垒高、攻关难度大，相关技术长期受制于国外，成为行业节能降碳进程中亟待攻克的“硬骨头”。太原理工大学马素霞教授团队潜心钻研，成功突破系列关键技术瓶颈，实现百吨级乏汽引射器自主研发与国产化替代。
量化神秘“卷吸力”
乏汽是指从汽轮机等设备中排出、已经做过功的蒸汽。乏汽引射器，可说是工业热电领域的“智能热量搬运工”。它以汽轮机抽汽为动力，把原本直接排空的乏汽收回，加热热网循环水后输送至用户，全程无需额外耗能。
2020年，马素霞教授团队承担国家重点研发计划项目，向百吨级乏汽引射器的技术壁垒发起攻坚。彼时，国内该领域处于无成熟产品、无系统设计体系、无工程应用参考的“三无”状态。
初期，团队依托仿真模拟开展理论研发。在仿真世界里，各项指标近乎完美，但按照方案试制出第一台样机时，却给所有人泼了一盆冷水：实际运行性能断崖式下滑，离指标差得太远。
团队成员张小贤解释，论文中的引射器尺寸太小，这就像用玩具车的模型去造重型卡车。在参数放大几百倍后，原本忽略不计的误差，成了难以跨越的鸿沟。
既然国际论文的参数“水土不服”，团队便彻底摒弃参照论文、复刻经典的捷径思维，死磕基础机理，从底层原理开始攻坚。
为了量化“卷吸力”，团队把引射器拆解成喷管、混合段、扩压段，进行了上万次CFD（流体动力学）模拟。“我们把它拆碎了磨。”张小贤说，团队像调显微镜一样不断调整各个零件的尺寸、角度等细节，最终发现喷管出口直径哪怕是0.1毫米的变化，都会影响那股神秘的“卷吸力”。
有了这个新发现，团队随即研究定义了引射器中的“混合层”，并依据上万次的模拟数据推导出了“工作蒸汽卷吸率计算式”，构建了《高温高压可调蒸汽引射器全尺寸设计方法》。从小试到百吨级工程，这条尺度鸿沟，他们填上了。
调控汽量“操盘手”
设备刚投用调试，新的问题就来了。
热电联产机组运行工况复杂，昼夜间负荷波动大，乏汽量时高时低。这就要求乏汽引射器具备极强的自适应调节能力。无论负荷高低、工况切换，它都能平稳调控蒸汽流量、稳定引射性能。而调节锥体的结构构型和参数设计，直接决定了其能力的高低。
“最初我们用的是行业沿用多年的直筒式平直锥体，但这种老式锥体调节方式十分生硬，就像老式水龙头，要么开太大导致流量溢出、引射过载，要么开太小乏力不足，始终找不到精准平衡点。”马素霞说，一旦热电厂遭遇极端寒潮或是机组启停切换，设备极易出现流态失稳、引射失效。
粗放式结构设计跟不上实际工程需求，团队做了一个大胆决定：给引射器的这颗“心脏”做一次极致精细的“解剖术”——从根源上重构调节锥体设计逻辑。
“这不是简单的机械加工，而是一场多维度的数学博弈。”团队成员郭文龙说。
为算出参数之间的最优解，团队用正交优化的方法，不断排列组合试错：他们先对8个锥体参数、7个喷管参数做独立单因素分析，摸清每一个变量对流场、引射系数、调节灵敏度的影响规律；再开展多变量耦合联动分析，统筹兼顾各项性能指标，寻求全局最优结构方案。
历经数十轮仿真迭代、多轮样机报废重构、上百组工况实验比对，一款全新流线型曲面可调节锥体最终定型。相较于传统直筒结构，新型锥体线型过渡顺滑，流道布局合理，如同一位沉稳老练的“能量操盘手”，只需微小轴向位移，便能在毫秒间精准调控动力蒸汽通量，完美应对高低负荷、初末寒期、极端天气等各类复杂运行场景。
这项成果获得多项国家发明专利，不仅补齐了国产引射器变工况适配的短板，更建立起一套自主可控的可调喷管优化设计体系，让百吨级装备具备全天候、全工况稳定运行的硬核实力。
跨越工程“鬼门关”
技术突破了，工程的“鬼门关”——密封，又横亘在团队面前。
高压引射器一旦漏汽，轻则造成能源浪费、设备受损，重则引发安全事故，影响整个区域民生用电用热。
作为设备里唯一可活动的核心部件，可调节锥体的薄弱点位非常多。轴向移动频繁、工况变化剧烈，动静部件间隙处极易发生蒸汽泄漏。
“在实验室阶段，我们简单密封这些薄弱点位就能做实验，但庞大的工程设备投入热电厂运行后，短板就会暴露无遗。”马素霞说，热电联产机组承担着城市保供电、保供热的民生职责，全年检修次数屈指可数，其余时间必须连轴转。密封系统容不得半点设计疏漏与工艺瑕疵。
为解决这一问题，团队先后向太原锅炉厂、哈尔滨滨大阀门制造厂等有实际生产经验的单位取经，对密封材料和结构展开探讨。看着设计图纸，工程师们争论不休：“这里受力太大，杆会弯”“这里活动太频繁，垫圈撑不住，还是会出现泄漏情况”……
经过多重讨论，团队最终确定了方案：给调节锥加上特殊支撑结构，防止它在高压下变形折断，同时利用石墨烯材料的特性，设计多重密封结构，既严丝合缝，又保证调节时顺滑不卡涩。
在密封结构的极限稳定性与耐久寿命测试中，全程无蒸汽泄漏、无部件卡滞、无明显形变，调节锥体进退顺滑、密封性能稳定。
该设备的实战表现也超出预期。晋能大土河热电有限公司发电部副部长李泽军介绍，应用乏汽引射器后，供暖水温从此前的70℃提高到了81℃，完全满足了初末寒期的供热需求量。据测算，该技术若在全国火电行业推广应用，每年可节约标煤数千万吨，减少碳排放超亿吨。
“十五五”规划纲要提出，加快绿色低碳技术装备创新应用。马素霞表示：“我们将持续深化乏汽余热回收技术的迭代升级，联合更多能源企业开展跨行业示范应用，把高效蒸汽引射器的技术优势延伸到化工、制冷等领域，助力更多高耗能行业实现节能降碳。”
