离心式热水循环泵汽蚀原因及解决方法

ZHAIWEIWEI

在轮胎硫化过程中，内压过热水的稳定供给与循环是极其重要的。在其完整的闭路循环系统中，热水循环泵如同人体的心脏一样重要，不可须央出现故障。但是，实际的情况难免意外。仅汽蚀来说，不仅造成水泵的损伤，尤其能导致循环系统产生大的压力波动，甚至顿时失压，对初硫化期间的轮胎造成了致命伤。由此可见，认清汽蚀原因，采取有效防范或妥善解决措施是十分必要的。
1 汽蚀原因分析
1 Q( b9 j- X: Y) S% n1 P1.1 定性分析
水泵吸入口处的水因汽化成汽泡，这些汽泡在水泵排出口之前被高压挤碎(水的质点在叶轮流道上运动时，是不断增大能量的，汽泡被挤碎的位置也是唯一的)，由于汽泡的占空突然“消失”，引起了水质点的强烈冲击，造成对泵叶轮的汽蚀破坏，同时使泵出水压力波动，严重时产生失压。
% O  h( @- J! C9 i, Q! S7 {水泵吸入口处水的汽化条件是:其压力突然低于该处水温对应的饱和蒸汽压力。一个正在稳定运行的供热系统，压力、水温、流量稳定，在遇到下列情况(之一)时，就会使水泵入口处的水压降低。
(1)供入除氧器的蒸汽压突然降低；
+ G& w. o, Q; v/ D: b. P4 j' F* W(2)供入除氧器的蒸汽温度突然降低；
0 Q2 ^+ h$ I0 U% X6 F) R(3)大量地向除氧器中补充较低温度的凉水；
% P7 A- u- Y! E$ X. j(4)硫化车间用水量突然加大；
(5)泵出口以外直至循环回除氧器管网中管路阻力突然大幅度减小；
6 @) u, Z$ u* {5 g(6)泵出口以外直至循环回除氧器管网中突然有大量的泄漏。
' ~# @( z/ i4 @! s* a7 H1 X4 r  k  u一旦因上述情况使泵入口处压力降至低于饱和蒸汽压，就会产生汽蚀。
1.2 定量分析
附图是除氧加热系统简图。取除氧器内液面作基准高度，定义为“1-1”界面。水泵入口处为“2-2”界面。
(1)安装高度计算
Hg=P0/ρg-P饱/ρg -Δh-Σhf(1-2) (1)
式中Hg——计算安装高度，m；
P0——除氧器内汽压，Pa；
P饱——热水泵入口处，即“2-2”界面处水的饱和汽压，Pa；
* F, i) Q+ w* G5 O. D8 cρ——液体密度，kg/m3；
0 D7 y& Q8 H. A( i" o$ ^g——重力加速度，m/S2；
6 M+ R# F( n0 j6 s: J7 u/ BΔh——泵的汽蚀余量，m；
Σhf(1-2)——热水自除氧器流至水泵入口处的阻力损失，m。
0 m! @9 u2 a# I4 d& v热水自除氧器流至水泵入口处时，可以忽略水温的变化，即认为P饱=P0，泵的汽蚀余量Δh，随泵资料给出为3.9m水柱高。
输入侧管道阻力损失Σhf(1-2)估计为1.1m水柱高。
/ q) y" n. b# k, r8 h5 d0 }8 t( t于是，由(1)式计算:
Hg′=-3.9-1.1=-5m水柱高
这是按20℃水计算结果，折成170℃水时:
Hg=ρ20gHg′/ρ170g=998.2×(-5)/897.3=-5.5m水柱高
就是说，热水泵的安装高度至少要比除氧器最低运行液位低5.5m。
实际例子是低10m，安装高差尚有4.5m的裕量(按170℃水计算所得)。
(2)除氧器内压变化多少可发生汽蚀
2 Q6 Z6 e7 W4 i/ U& C2 k己处于稳定运行状态的除氧动力系统，除氧器内汽压、水温，水泵入口处的压力和水温都是相对稳定的。假定这时P0突然降低，则系统平衡便被破坏。但在P0降低的同时，水泵入口处的水温是绝对不会立即下降的，现有10m170℃水所形成的压力是:
h′=10×897.3/998.2≈9m水柱高
1 M3 f2 m0 Q. s( a- o用(1)式计算P0的下降量:
6 {% y4 `) m3 l8 [, N1 j# X+ w! x令[(P0-ΔP)-P饱]/ρg一Δh-Σhf(1-2)+h′=0
(P0-ΔP)-P饱=[-h′+ h+Σhf(1-2)]ρg=[-9+3.9+1.1]×998.2×9.8=-39129.44Pa
∵P0=ΔP -P饱= P饱-ΔP -P饱=-ΔP
  L5 Z$ Q+ p, |9 h8 O4 R- Z0 A∴ΔP=39129Pa
即，若水温在170℃，即饱和蒸汽压(表压)为0.678MPa状态下稳态运行，当汽压突然降到表压0.639MPa以下时，就有可能造成汽蚀。
(3)补水量达到多少可致汽蚀发生
. N$ ~8 ], h9 s2 h/ m2 y! n: g管网中一旦发生较大泄漏，系统平衡破坏，除氧器水位就会快速下降，于是就需要快速大量地补入相对低温的软水。
' {) [0 M2 R- s+ p0 t/ S3 `' u+ J; `设除氧器稳态运行存水量为:
  M3 T+ Q* U9 K, \0 ~) @25m3(容积)×0.7(占空率)=17.5m3
在某较短时间内，因水位突降，存水量减少了Vm3，于是补入低温水Vm3。
" ?  r4 B3 S: u8 M' w- Z1 A2 }在补入低温水时，P0也会降低，蒸汽的流量会增大，携入热量速率会大于原先稳态运行时。为简化推导，在此仅考虑冷热水的热交换对P0的影响，忽略增大的蒸汽流量的热交换作用。
1 d$ S3 r- @/ Q$ I0 i4 a( I设补充水温为60℃;稳态运行时水温为170℃;170℃的(17.5m3-Vm3)水同60℃的V m3水相混合(忽略混合后总体积与17.5 m3的差异):
. u( o) }- a; n1 y2 i' ZΔQ1=m1(TCP12-60CP11)
" X- ~0 N, {, m; `/ u- IΔQ2=m2(170CP21-TCP22)
7 Z" [( h7 T0 u" H8 g& bm1=Vρ60 =983.2V
m2=ρ170(17.5-V)=897.3(17.5-V)
- D: b! C3 n8 `2 y饱和蒸汽的绝对压力为0.7377MPa时见前面计算，T取168.13℃。
CP11=0.988；CP12=CP22=1.0445；CP21=1.046
6 B, D7 i7 M2 u  i- G# D1 e令ΔQ1=ΔQ2，代入各参数数值:
983.2V(1.0445×168.13-60×0.998)=897.3（17.5-V)×(170×1.046-1.0445×168.13)
解出V=0.31m3
加入冷水时，P0降低，蒸汽流量会加大，不单纯是两种温度的水混合。可以放宽估计，当短时间内加60℃的补水达1m3时，可能引起汽蚀。
. K; }- a- H1 I2 J2 E& }$ K(4)泵出口流量增加多少时可引起汽蚀
当生产负荷突然加大，管网上管阻突然减少或管网上有大量泄漏，都会导致泵出口流量增大。
这些情况发生时，会使稳态运行中的除氧器液位突然降低，同时有冷水补入。冷水补入的影响，前边已讨论过，在此不考虑这一因素，只按流量增大所引起的泵入水口处静压降低来推敲。
流量突然加大，泵进水管内流速加大，水的漏流程度提高，动压头和阻力损失都会加大，所增大的部分要由静压头转换。
在流量为150m3/h，原输入侧管路损失:
Σhf(1-2)=1.1m水柱高，据Σhf=ξu2/2
U=Q/S=150÷3600/π÷4×0.082≈8.29m/S
5 T( X5 u! q8 w( Jξ=2Σhf/U2≈0.032
前面已知现有10m的安装高差，相当于9m水柱高，这9m水柱高扣除汽蚀余量及原有阻力损失计5m水柱高，剩4m水柱高。
! k+ P% t+ P5 V' t令ΔU2/2+ξΔU2 /2=4
/ f6 _- V( V# h8 q. t+ k得ΔU ≈2.784m/s
又ΔQ=ΔUS=2.784×π/4×0.082=0.014m3/S=50.38m3/h
! m! ?% `* T0 O- Z. w- {即流量突然增加大于等于50.38 m3/h 情况下，有产生汽蚀的可能。
( y6 I' O  s) |: S9 w可以用一句话来概括三项定量分析结论:半个汽压壹方水、五十流量可捣鬼。
. ]' b7 w5 e, E; l. i2 预防和消除汽蚀的对策
据上述分析，汽蚀的原因就在于除氧器内汽压的突然降低、水温的突然降低或泵流量的突然增加。由此，提出以下对策:
(1)若汽源压力和供应能力皆富裕，应设置除氧压力自控装置，保证P0的稳定。
(2)若汽源压力和供应量不富裕，应在提压增量后再配压力自控装置，保证P0的稳定。
(3)减少硫化机、罐同时入线台数，即减小流量增长率。
0 _( h4 s* ?4 x+ O7 H% K& ^(4)减少以致杜绝管线泄漏。
(5)提高补水水源水温。
(6)在保证最有效除氧换热效果前提下，除氧器液位控制点尽量设高。
9 }0 h' f% \4 ^; z3 |5 X% |(7)水泵的供水能力要大于生产最大负荷，以考虑局部泄漏问题。
3 K% N( t$ X+ l. J( p(8)在水泵出口设置排汽阀门，当汽蚀发生时，开阀排放所生成的汽体。或可同时提高除氧器供汽压力。
* N$ C/ c, ~  y' Z( l/ {(9)设置除氧器内汽压同水泵入口水压之间的差压测量显示仪表，以监视其变化。若该差压大于某一数值，则预警汽蚀的发生(此差压不是定值，水温愈高、流量愈大，差值愈小)。
(10)发生大量跑水时，增加供水泵台数，这样，每台泵的流量就会小些，泵入口处静压损失也会小些。
' ^, o4 W, f$ Z9 B文章关键词： 水泵、机械、阀门、维修