离心式热水循环泵汽蚀原因及解决方法

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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
1.1 定性分析
( P; Q) w; O% {" @  B" ?6 N% M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。
, ?% d% o  k7 A, f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；
8 h3 _3 E) C3 g7 n+ v/ q6 p, G(2)供入除氧器的蒸汽温度突然降低；
& `( H( ~+ n5 l: I! {(3)大量地向除氧器中补充较低温度的凉水；
9 l6 b: u4 K1 _2 L* @9 p(4)硫化车间用水量突然加大；
, ~* \& W1 {; R( m/ [8 L3 k(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；
* M% f, p! I# S(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。
0 l  v3 o8 W$ h) C  J7 ^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。
/ \+ N8 N; ^% U5 p8 R+ u1.2 定量分析
, g# q1 q5 |0 e/ g3 `; G% P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；
ρ——液体密度，kg/m3；
g——重力加速度，m/S2；
Δh——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。
6 ^  M. |' Y6 T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。
( U: o$ e4 j. M' e! {输入侧管道阻力损失Σhf(1-2)估计为1.1m水柱高。
于是，由(1)式计算:
Hg′=-3.9-1.1=-5m水柱高
$ y( r9 J, y0 T$ c: _. `这是按20℃水计算结果，折成170℃水时:
* n4 i! ]8 m, @8 x( m0 `- K& q' L' \Hg=ρ20gHg′/ρ170g=998.2×(-5)/897.3=-5.5m水柱高
0 i6 m1 T3 Y8 ]9 m! J( @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。
  L! \- f( M9 K6 E$ N: O  N, ^+ N- s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)。
) d. }9 ^7 [  W8 Z' `(2)除氧器内压变化多少可发生汽蚀
: [) ~& I! O* 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:
0 }/ j& i4 K, a3 ?$ V7 l* xh′=10×897.3/998.2≈9m水柱高
用(1)式计算P0的下降量:
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
' B4 {3 y1 m8 x+ s* l; ]9 s8 S9 n∴ΔP=39129Pa
7 m3 y* [3 L( @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
! _& @6 l- l$ W; v; O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。
设除氧器稳态运行存水量为:
" p- n/ D  p5 m0 S6 R25m3(容积)×0.7(占空率)=17.5m3
  f: n  @9 q. O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。
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。
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):
) R( P/ [9 X2 |6 B2 J1 XΔQ1=m1(TCP12-60CP11)
; ]7 ^4 ?1 u, uΔQ2=m2(170CP21-TCP22)
, h' ^. _' r6 r; h, q% am1=Vρ60 =983.2V
m2=ρ170(17.5-V)=897.3(17.5-V)
饱和蒸汽的绝对压力为0.7377MPa时见前面计算，T取168.13℃。
. T" s! b' [3 ACP11=0.988；CP12=CP22=1.0445；CP21=1.046
令ΔQ1=ΔQ2，代入各参数数值:
6 h; }' g/ Y. R) b( e+ h5 N8 k) }4 P983.2V(1.0445×168.13-60×0.998)=897.3（17.5-V)×(170×1.046-1.0445×168.13)
解出V=0.31m3
0 k: z; q* e4 R" D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。
$ s* O4 K! d; Q7 ^( r3 y! l) T6 j(4)泵出口流量增加多少时可引起汽蚀
/ j8 H+ r" t& d0 T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。
+ i$ h0 }9 s2 d7 C0 h% f6 a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:
8 F; J4 C, R7 _& _2 NΣhf(1-2)=1.1m水柱高，据Σhf=ξu2/2
# F8 @" d4 p% I* rU=Q/S=150÷3600/π÷4×0.082≈8.29m/S
ξ=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。
1 b0 E4 Z( w3 [: t9 c令ΔU2/2+ξΔU2 /2=4
得ΔU ≈2.784m/s
- q0 x2 W3 ]: T又ΔQ=ΔUS=2.784×π/4×0.082=0.014m3/S=50.38m3/h
4 P( p( p  g" |5 ~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。
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。
9 D' N4 W2 d% J5 q& O+ d2 预防和消除汽蚀的对策
) U& K- W8 b5 G6 @8 m  e- X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。
4 s" d9 D* J* G. R( L(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。
7 ^/ }' Z" X' _(3)减少硫化机、罐同时入线台数，即减小流量增长率。
(4)减少以致杜绝管线泄漏。
(5)提高补水水源水温。
4 R7 G' p% s: W0 j(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。
(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。
! [1 ~6 c3 R; [(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。
0 d1 i1 R% o  o( ~5 z" p(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)。
4 I  D# ^. A4 j! U% c+ c9 u/ I(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。
- n5 j- C4 y* y, R( g- m0 J文章关键词： 水泵、机械、阀门、维修