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
9 S$ M1 K" u0 d+ s8 x5 W1.1 定性分析
, P/ R: `+ G. A7 R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。
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；
$ y& F! v3 ?* e+ K(2)供入除氧器的蒸汽温度突然降低；
(3)大量地向除氧器中补充较低温度的凉水；
7 M8 \( c3 X6 D, I(4)硫化车间用水量突然加大；
: Z" c% X) o' Q) N% W0 ^( 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；
+ G+ v" a# }5 u# S3 x% ]2 o(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。
2 l' u4 r1 K+ b- S" ]$ e' J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。
( g# g: L2 }; P( g  E. p1.2 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。
  @0 t' A; F2 h$ r (1)安装高度计算
+ [) X& C. n) Q2 tHg=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；
8 i( E9 e4 V: ^- A3 I" {  Pg——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。
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。
/ O7 S4 U) K$ b7 @3 _7 w0 ~于是，由(1)式计算:
; W6 u( B: }" }- z" lHg′=-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
/ _, G8 C1 [$ Z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。
6 ^2 ^0 U7 n; x! m  _$ M7 X  h2 p1 ]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)。
) }" ^6 x  Z, p. w(2)除氧器内压变化多少可发生汽蚀
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
用(1)式计算P0的下降量:
+ B, T% g; X2 s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
- F" R+ R0 C$ o, M; |∵P0=ΔP -P饱= P饱-ΔP -P饱=-ΔP
. x4 ]6 w& c4 b' b∴ΔP=39129Pa
; [( t: J, _! L4 |7 ~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。
. [' m" [" ?, x: ~5 U(3)补水量达到多少可致汽蚀发生
2 g' a" P' k0 ]: @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:
25m3(容积)×0.7(占空率)=17.5m3
& L9 S6 Q6 Y& L) G# V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。
* v$ \. L! M. ^7 `; w) q3 F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。
2 R+ \* V) u- [5 E! c0 |" I/ k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):
ΔQ1=m1(TCP12-60CP11)
ΔQ2=m2(170CP21-TCP22)
, C1 G9 ?$ Y/ B% Um1=Vρ60 =983.2V
  \2 F; Z+ y6 @) tm2=ρ170(17.5-V)=897.3(17.5-V)
/ ^2 [: W. ~( d% M% H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
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)
5 C- Q, Y- ?) B" [+ Q解出V=0.31m3
! n% s! c" V0 W5 v* m5 ^* O1 x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。
(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。
. o1 i# k0 d; f, j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。
) j  u: o, I7 h+ T: M' P& {5 K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:
2 T, W, a$ V: T% F3 k+ K; n4 X5 [Σhf(1-2)=1.1m水柱高，据Σhf=ξu2/2
  F% q7 w' D2 P$ d6 U8 OU=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。
令ΔU2/2+ξΔU2 /2=4
得ΔU ≈2.784m/s
; }3 ^: \9 @9 t又ΔQ=ΔUS=2.784×π/4×0.082=0.014m3/S=50.38m3/h
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。
2 K" E# w; V5 Q8 v% o3 V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。
6 r  E) Q& F. s6 R# u5 L2 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。
+ S% }; V7 T6 m/ u- o(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。
(4)减少以致杜绝管线泄漏。
. b" C; k3 O( v/ l+ A: w(5)提高补水水源水温。
1 d* t- z* U! Y1 _/ s) E/ F  ?. a(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。
8 b: Z1 L6 I9 @* v(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。
(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。
文章关键词： 水泵、机械、阀门、维修