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
5 T0 h8 k2 N- z; c; T) Z% r/ |1.1 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。
5 S# {; ^* y+ g6 l" F, A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；
7 f) E+ `6 t. p(2)供入除氧器的蒸汽温度突然降低；
  `: k8 q$ f: i" ?: P(3)大量地向除氧器中补充较低温度的凉水；
( O3 y$ m: o/ g8 c- X- h5 ](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；
3 Y1 z6 n/ B8 ^; l" S6 k1 h(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。
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。
8 k, I+ u5 _- T2 {% ~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)
' g5 D1 ]+ q5 t式中Hg——计算安装高度，m；
P0——除氧器内汽压，Pa；
2 w5 R. g) Q4 GP饱——热水泵入口处，即“2-2”界面处水的饱和汽压，Pa；
: H9 \' O, V' E: B  N  x7 dρ——液体密度，kg/m3；
g——重力加速度，m/S2；
2 D3 _. Z( l4 t+ wΔh——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 S5 p" v- K7 T( `# i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。
于是，由(1)式计算:
Hg′=-3.9-1.1=-5m水柱高
4 P1 H% J' J4 T8 w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
2 c9 [, z( q/ T- R: F8 E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)。
1 \* o& m& Y! Q: ?5 s6 U  t(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:
/ T- F" B' G* ]2 Ph′=10×897.3/998.2≈9m水柱高
' m! ~$ ]" @9 ~1 [" ~用(1)式计算P0的下降量:
令[(P0-ΔP)-P饱]/ρg一Δh-Σhf(1-2)+h′=0
2 _4 U% t$ Q3 X* S0 f' `- `+ D(P0-ΔP)-P饱=[-h′+ h+Σhf(1-2)]ρg=[-9+3.9+1.1]×998.2×9.8=-39129.44Pa
5 }; ^& Y9 }  M, h" O- N5 b/ W∵P0=ΔP -P饱= P饱-ΔP -P饱=-ΔP
∴ΔP=39129Pa
$ L! _4 _1 H* [: E+ D& e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
1 r  F, Y6 |) d# o; t8 f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。
) g, p1 J7 h1 J7 t& f2 Z  L设除氧器稳态运行存水量为:
( P0 n0 [/ b1 h! N! m25m3(容积)×0.7(占空率)=17.5m3
9 H& q1 h) G+ j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。
3 s3 w4 O0 `( V4 t) z, B4 p& b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)
, P- X* Q, ~) N' ]- P# qΔQ2=m2(170CP21-TCP22)
m1=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℃。
CP11=0.988；CP12=CP22=1.0445；CP21=1.046
令ΔQ1=ΔQ2，代入各参数数值:
+ t+ r+ _/ Z; z1 _: Z" N  M6 y983.2V(1.0445×168.13-60×0.998)=897.3（17.5-V)×(170×1.046-1.0445×168.13)
* j6 M4 s" }& @0 p* o& C* E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。
+ a' j. T- D$ Q9 U5 ~  n+ ^0 E( D" \7 E(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。
! v. f! s( a' C$ v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 W6 ^$ i' [% U" c. D( s7 YΣhf(1-2)=1.1m水柱高，据Σhf=ξu2/2
U=Q/S=150÷3600/π÷4×0.082≈8.29m/S
: z* U' u5 ^, H) a8 gξ=2Σhf/U2≈0.032
0 I& y$ b7 n9 A/ _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。
; A9 f+ {, O% {: n7 u- D8 @2 d9 T0 S令ΔU2/2+ξΔU2 /2=4
* E; _: ]" t, C: x* z得ΔU ≈2.784m/s
又ΔQ=ΔUS=2.784×π/4×0.082=0.014m3/S=50.38m3/h
5 G5 P0 n6 u) E- f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。
# f2 r- l+ j( ?2 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:
: r9 a& I; S) H, g& G& O(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。
) M, H+ f5 ^# \$ C3 ], u% Z. @6 p* I(3)减少硫化机、罐同时入线台数，即减小流量增长率。
4 N4 M+ ~6 Y. E' G- ?(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。
(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。
& ^" }% X; }: Q  ]2 U(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)。
0 S  O3 F2 i" H(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