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更新時(shí)間：2025-03-07
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在穩(wěn)定狀態(tài)下運(yùn)行良好的離心泵在工作模式發(fā)生轉(zhuǎn)換時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)汽蝕。解決瞬態(tài)汽蝕問(wèn)題似乎很困難，因?yàn)樯婕霸S多熱力學(xué)和尺寸因素。本文將幫助讀者了解泵瞬態(tài)汽蝕的原因，介紹一種識(shí)別不良設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)單篩選技術(shù)，并描述應(yīng)采取的糾正措施。
當(dāng)吸入壓力下降至液體汽化壓力以下時(shí)，就會(huì)形成蒸汽汽泡，當(dāng)它們進(jìn)入泵的高壓區(qū)域時(shí)會(huì)劇烈內(nèi)爆 - 發(fā)生汽蝕現(xiàn)象。這會(huì)產(chǎn)生噪音、點(diǎn)蝕、腐蝕、閃蒸和振動(dòng)。如果汽泡聚集并形成蒸汽腔，當(dāng)蒸汽腔坍塌時(shí)，泵就會(huì)經(jīng)歷水錘。這些短期瞬態(tài)事件造成的累積損害最終可能導(dǎo)致災(zāi)難性的泵故障。
任何測(cè)量過(guò)泵尺寸的人都應(yīng)該熟悉術(shù)語(yǔ)“凈正吸入壓頭（NPSH）"。簡(jiǎn)而言之，泵的NPSH就是施加在泵吸入口上的多余壓頭（或壓力），以防止液體汽化。泵的可用NPSH（NPSHa，即裝置汽蝕余量）以絕對(duì)英尺為單位，定義如下：
NPSHa = (HP – HVPA) + (HST – HFS)
其中，HP是泵上游液體源表面的絕對(duì)壓力，轉(zhuǎn)換為揚(yáng)程（單位）；HVPA是泵吸入口絕對(duì)蒸汽壓力（特定溫度下液體開(kāi)始汽化時(shí)的壓力），轉(zhuǎn)換為揚(yáng)程（單位）；HST是泵吸入口的靜壓頭（液體源低液位與泵葉輪中心線之間的垂直距離）；HFS是最大流量下吸入管道中摩擦造成的壓頭損失。請(qǐng)注意，在討論NPSH時(shí)，通常同時(shí)使用揚(yáng)程和壓力術(shù)語(yǔ)。使用液體比容（V）（單位為 ft3/lb），將單位為英尺的揚(yáng)程轉(zhuǎn)換為單位為psi 的壓力：
psi = feet / (144 x V)
制造商通過(guò)用水對(duì)泵進(jìn)行穩(wěn)態(tài)測(cè)試來(lái)確定泵的必需NPSH（NPSHr），單位為英尺絕對(duì)值。NPSHr隨著流量的增加而增加，通常表示由于汽蝕導(dǎo)致泵揚(yáng)程下降（輸出損失）3%的點(diǎn)（稱為NPSH3）。遺憾的是，制造商有時(shí)會(huì)使用1%或0%的標(biāo)準(zhǔn)，有時(shí)泵的NPSHr曲線包括制造商的裕量。如果你的NPSHr曲線的依據(jù)不明確，應(yīng)要求制造商澄清其代表的意義。
如果要求泵在不產(chǎn)生任何汽蝕損失的情況下提供全部設(shè)計(jì)流量，則NPSHa必須超過(guò)NPSHr適當(dāng)?shù)脑Ａ浚篘PSHa ≥ 裕量 x NPSHr。補(bǔ)償3%揚(yáng)程下降所需的裕量可按下式計(jì)算：
裕量 = [(斜率 x QFW x 3) / (NPSHr x 100)] + 1.0
其中，泵的最大流量（QFW） 時(shí)泵的NPSHr曲線的斜率為 ?H/?Q。該裕量通常約為1.2倍。
美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)（ANSI）/水力學(xué)會(huì)（HI）標(biāo)準(zhǔn) ANSI/HI 9.6.1-2017“Rotodynamic Pumps Guideline for NPSH Margin"根據(jù)泵的使用情況給出了使用裕量的建議。此外，一些工程公司根據(jù)他們的經(jīng)驗(yàn)針對(duì)不同的應(yīng)用使用不同的裕量。例如，在確定 FW 泵的尺寸時(shí)，設(shè)計(jì)點(diǎn)的裕量可能為1.8，最大運(yùn)行點(diǎn)（Runout點(diǎn)）的裕量為1.5。
請(qǐng)注意，裕量建議并沒(méi)有考慮特別的運(yùn)行工況或設(shè)備布置。如果設(shè)計(jì)中存在不確定因素，可能會(huì)增加瞬態(tài)汽蝕的可能性，則需要更大的裕量。在檢查是否有足夠的NPSHa時(shí)，請(qǐng)使用適用于泵服務(wù)的最大裕量。
當(dāng)NPSHa表達(dá)式中的變量在泵運(yùn)行狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換過(guò)程中發(fā)生變化時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)NPSH瞬態(tài)。由于變量通常不會(huì)以相同的速率變化，因此NPSHa可能會(huì)在轉(zhuǎn)換期間暫時(shí)降至NPSHr以下。
從理論上講，任何液體泵都可能出現(xiàn)NPSH瞬態(tài)變化。不過(guò)，泵送低壓、高溫液體的系統(tǒng)最有可能出現(xiàn)這種問(wèn)題。例如：
■ 從裝有高溫水的低壓除氧器儲(chǔ)罐中抽吸的FW泵，在汽輪機(jī)降負(fù)荷期間極有可能經(jīng)歷NPSH瞬態(tài)。
■ 在聯(lián)合循環(huán)（CC）電廠中，除氧器配置有很多種。有些沒(méi)有單獨(dú)的除氧器，而是依靠冷凝器進(jìn)行除氧。有些除氧器在真空條件下運(yùn)行。許多電站都有一個(gè)與熱回收蒸汽發(fā)生器（HRSG）集成的除氧器，其中除氧器蒸汽來(lái)自低壓蒸汽包，而不是汽輪機(jī)。有些裝置使用從中壓蒸汽包中提取的固定蒸汽作為備用蒸汽供應(yīng)，供汽輪機(jī)抽汽壓力低時(shí)使用。由于HRSG是比汽輪機(jī)更穩(wěn)定、更可靠的除氧蒸汽源，因此只要HRSG操作正確，CC FW 泵通常不太可能經(jīng)歷NPSH瞬變。
■ 加熱器疏水泵運(yùn)行時(shí)NPSHa很小且溫度較高，因此易受瞬變影響。
■ 冷凝水泵輸送來(lái)自冷凝器熱井的低壓高溫冷凝水。它們通常不易受瞬變影響，因?yàn)闊峋械拇罅坷淠煞€(wěn)定溫度、壓力和液位波動(dòng)。此外，通常使用立式筒袋泵來(lái)提供足夠的NPSHa所需的浸沒(méi)深度。
從20世紀(jì)50年代到70年代，I.J. Karassik和G.S. Liao等著名的泵研究人員一直在關(guān)注FW泵中 NPSH瞬態(tài)形成的問(wèn)題?？的螤柎髮W(xué)的Rodney S. Thurston于1961年撰寫了一篇美國(guó)機(jī)械工程師協(xié)會(huì)（ASME）論文，題為“Design of Suction Piping and Deaerator Storage Capacity to Protect Feed Pumps"。在論文中，Thurston推導(dǎo)出了一個(gè)簡(jiǎn)單的表達(dá)式，用于評(píng)估FW泵對(duì)NPSH瞬態(tài)的敏感性。
Thurston并未詳述推導(dǎo)的細(xì)節(jié)，但他表明，如果在除氧器中儲(chǔ)存了低質(zhì)量的FW，就不會(huì)發(fā)生NPSH 瞬態(tài)汽蝕。通過(guò)重新排列他的公式，可以定義一個(gè)“瞬態(tài)系數(shù)"（FT），其值等于或大于1.0表示可以接受的設(shè)計(jì)。該公式為：
FT = (M / m) x ln[(h1 – hC) / (h2 – hC)]
其中，M是除氧器儲(chǔ)罐中的FW質(zhì)量（lbm）；m為吸入管道中的FW質(zhì)量；hC為停留時(shí)間內(nèi)進(jìn)入除氧器的冷凝水的最小焓值（Btu/lb）；h1是飽和水的焓值，基于瞬態(tài)開(kāi)始時(shí)除氣器中的壓力（P1）；h2是飽和水的焓值，基于停留時(shí)間結(jié)束時(shí)除氣器中的壓力（P2）。P2的計(jì)算公式如下：
P2 = P1 + (NPSHr – HST + HFS) / (144 x V1)
液體比容是瞬態(tài)開(kāi)始時(shí)除氧器內(nèi)飽和壓力的函數(shù)。高P1值將給出更保守的解決方案，因此，通常使用安全閥壓力。
進(jìn)入除氧器的最小冷凝水焓值（hC）對(duì)解決方案至關(guān)重要。進(jìn)入除氧器的冷凝水溫度越低，壓力衰減越快。假設(shè)一些低壓（LP）FW 加熱器在瞬態(tài)開(kāi)始時(shí)停止工作，會(huì)給計(jì)算結(jié)果增加一些緩沖。Thurston建議使用溫度低的FW加熱器的出口焓。
如果計(jì)算出的瞬態(tài)系數(shù)小于1.0，則基于更少簡(jiǎn)化假設(shè)的更嚴(yán)格評(píng)估可能會(huì)表明設(shè)計(jì)是可接受的。執(zhí)行此評(píng)估的一些技巧如下：
■ 使用管道流動(dòng)建模程序來(lái)確定管道流動(dòng)壓力損失。
■ 使用電子表格收集數(shù)據(jù)并進(jìn)行NPSHa計(jì)算。列中應(yīng)包含計(jì)算瞬態(tài)時(shí)間內(nèi)NPSHa所需的參數(shù)。
■ 電子表格行應(yīng)表示時(shí)間的遞增，并應(yīng)涵蓋瞬態(tài)的整個(gè)持續(xù)時(shí)間。一些流動(dòng)建模軟件具有通過(guò)組合多個(gè)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的結(jié)果來(lái)模擬時(shí)間的功能。這種軟件功能可以消除或減少電子表格所需的計(jì)算。
■ 蒸汽屬性函數(shù)可用于許多商業(yè)電子表格程序，用于簡(jiǎn)化工作。
■ 代表瞬態(tài)前后存在的靜態(tài)運(yùn)行條件的輸入數(shù)據(jù)應(yīng)與項(xiàng)目熱平衡一致。
■ 輸入構(gòu)成NPSHa的每個(gè)變量在瞬態(tài)期間如何變化的描述。理想情況下，變化率應(yīng)基于實(shí)際瞬態(tài)期間收集的儀器數(shù)據(jù)。但是，如果沒(méi)有數(shù)據(jù)，則需要做出假設(shè)。這通常包括假設(shè)除氧器中的液體焓衰減遵循指數(shù)函數(shù)。
■ 繪制NPSHa和NPSHr在瞬態(tài)過(guò)程中的變化情況，以證明始終存在足夠的裕量。
作為參考，Thurston方程基于以下簡(jiǎn)化假設(shè)：
■ 瞬態(tài)開(kāi)始時(shí)吸入管中的FW體積在通過(guò)系統(tǒng)時(shí)保持恒定的蒸汽壓力。
■ 離開(kāi)除氧器的所有FW都是飽和液體。
■ 進(jìn)入除氧器的冷凝水流量等于FW流出量，并且是恒定的。
■ 除氧器中的所有流體混合。
■ 瞬態(tài)期間，不會(huì)有抽取蒸汽流向LP FW加熱器或除氧器。
■ 瞬態(tài)期間，不會(huì)有FW再循環(huán)或高壓加熱器排液流入除氧器。
■ 忽略泵、管道、除氧器和FW加熱器金屬體的保溫。
關(guān)于最后一個(gè)假設(shè)，補(bǔ)充幾句話可能會(huì)有所幫助。停機(jī)后，泵的金屬體往往會(huì)儲(chǔ)存熱量。因此，它所含的FW的溫度（和蒸汽壓力 HVPA）將高于除氧器中的FW溫度。當(dāng)泵重新啟動(dòng)時(shí)，吸入口的壓力會(huì)突然下降，熱的FW可能會(huì)閃蒸成蒸汽。這與NPSH瞬態(tài)不同，因?yàn)閴毫ψ兓怯杀靡鸬?，因此被稱為“熱啟動(dòng)"瞬態(tài)事件。
如果在高海拔地區(qū)有較長(zhǎng)的水平吸入管道，則可能會(huì)發(fā)生額外的蒸汽閃蒸情況。這些管道容易發(fā)生閃蒸，因?yàn)闆](méi)有增加靜壓頭來(lái)補(bǔ)償除氧器中的壓力衰減和FW通過(guò)管道時(shí)發(fā)生的摩擦損失。避免以這種方式布置管道。
最常推薦的防止FW泵瞬態(tài)（瞬變）的方法是通過(guò)冷卻泵入口處的FW或增加除氧器壓力來(lái)消除泵和除氧器之間的蒸汽壓力差。
泵入口冷卻。通過(guò)在泵入口附近注入少量較冷的冷凝液可以增加NPSHa?？煽俊⒆罾涞睦淠簛?lái)源是冷凝器熱井?？梢园惭b旁通管線（旁路）以從熱井中抽取一部分（約 10%）冷凝水來(lái)冷卻泵入口。混合后所需的最小流量（QB，lb/min）和新泵入口溫度（TFW，°F）為：
QB = [1 – e^(–m / M)] x QFW
和
TFW = T1 + [(QB / QFW) x (TB – T1)]
其中TB是旁通源的溫度，T1是瞬態(tài)前吸入管中飽和FW的溫度。
控制系統(tǒng)可以設(shè)計(jì)為監(jiān)測(cè)除氧器和泵入口壓力，并在需要時(shí)旁通足夠的冷凝水，以充分降低泵的蒸汽壓力，從而為NPSHr留出裕量。其它控制選項(xiàng)也是可能的。例如，一個(gè)更簡(jiǎn)單但不太準(zhǔn)確的系統(tǒng)是使用一個(gè)旁通閥，該旁通閥帶有一個(gè)全開(kāi)/全閉執(zhí)行機(jī)構(gòu)，可響應(yīng)控制抽汽流向FW加熱器的汽輪機(jī)信號(hào)相同的信號(hào)。旁通將是一個(gè)低溫低壓系統(tǒng)，可以使用標(biāo)準(zhǔn)壁厚的碳鋼管道。
此選項(xiàng)的主要缺點(diǎn)是它會(huì)增加FW中的氧氣含量。為了最大限度地減少這種影響，旁路的設(shè)計(jì)應(yīng)只考慮必要的最小流量。另一個(gè)問(wèn)題是確保冷凝水的注入不會(huì)引起過(guò)高的熱應(yīng)力。如果可能的話，應(yīng)將注入點(diǎn)與泵保持安全距離，并在吸入管中安裝靜態(tài)混合器以確保的熱混合?；旌掀鞯膲侯^損失不得過(guò)高，因?yàn)槟Σ翐p失會(huì)降低NPSHa。
除氧器壓力控制。瞬態(tài)的起始原因是抽汽損失造成的除氧器壓力下降?？梢酝ㄟ^(guò)向除氧器提供額外的蒸汽來(lái)補(bǔ)償抽汽損失，以增加泵的NPSHa。蒸汽包或再熱系統(tǒng)可用作補(bǔ)充蒸汽源。
控制系統(tǒng)可以設(shè)計(jì)為監(jiān)測(cè)除氧器內(nèi)部壓力和泵入口壓力。補(bǔ)充蒸汽供應(yīng)管線上的減壓控制閥只能根據(jù)需要注入足夠的蒸汽以維持除氧器的壓力。此選項(xiàng)沒(méi)有泵入口冷卻方案的含氧水、熱沖擊和壓降等缺點(diǎn)。
該選項(xiàng)的缺點(diǎn)是需要適用于蒸汽服務(wù)的堅(jiān)固組件?？刂崎y上的壓降也會(huì)非常高，需要使用嚴(yán)苛檢修閥?？刂葡到y(tǒng)將比入口冷卻選項(xiàng)所需的控制系統(tǒng)更復(fù)雜。例如，在負(fù)荷減少的情況下，必須允許除氧器壓力最終降至與新負(fù)荷相關(guān)的水平。此外，當(dāng)FW系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，補(bǔ)充蒸汽源也必須處于運(yùn)行狀態(tài)。
附加選項(xiàng)。以下選項(xiàng)是可靠的，因?yàn)樗鼈儾灰蕾囉诳刂葡到y(tǒng)的運(yùn)行。但是，它們可能難以在現(xiàn)有安裝中實(shí)施且成本高昂，或者只能提供適度的NPSHa增加。無(wú)論如何，遇到的每種情況都會(huì)有所不同，因此請(qǐng)記住以下備選方案：
泵規(guī)格。確認(rèn)泵NPSHr曲線的基礎(chǔ)。詢問(wèn)制造商所使用的汽蝕水平基礎(chǔ)，以及是否包括制造商裕量。請(qǐng)制造商確定對(duì)泵進(jìn)行改造的可行性，例如增加一只誘導(dǎo)輪或改變?nèi)~輪材料以增加其抗汽蝕能力?？紤]降低泵轉(zhuǎn)速以降低NPSHr。
減小吸入管直徑。減少吸入管中儲(chǔ)存的FW質(zhì)量將有利于減少停留時(shí)間。但遺憾的是，這會(huì)增加管道的流動(dòng)阻力。然而，研究表明，管道尺寸略有減小，通常是利大于弊。
增加儲(chǔ)存在除氧器中的FW量。除氧器中的大量FW會(huì)儲(chǔ)存熱量。增加質(zhì)量會(huì)減緩壓力和焓的衰減速度。增加除氧器的儲(chǔ)存容量通常比減小吸入管道尺寸更有利。如果無(wú)法增加儲(chǔ)存容量，請(qǐng)嘗試提高低水位。
提高除氧器高度或降低泵的安裝高度。在新工廠設(shè)計(jì)中，通常將除氧器放置在泵上方盡可能高的位置，以最大限度地提高泵吸入口處的靜壓頭。遺憾的是，重新安置現(xiàn)有的除氧器不太現(xiàn)實(shí)。
減少吸入管的長(zhǎng)度。通過(guò)減少管道壓降可以增加NPSHa。此外，減少管道長(zhǎng)度可以減少管道中的FW體積，從而減少瞬時(shí)停留時(shí)間。嘗試重新布置吸入管道以減少其長(zhǎng)度、閥門數(shù)量和急彎。在可能的情況下，用45 度向下傾斜的管道代替水平管道。
增加一臺(tái)增壓泵。安裝在FW泵上游的低速、低揚(yáng)程、單級(jí)增壓泵將增加其NPSHa。然而，增壓泵也容易受到NPSH汽蝕的影響。因此，它還需要對(duì)其進(jìn)行瞬態(tài)評(píng)估。
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