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给水泵汽化现象解析

    　一、 概述

    　　给水泵是蒸汽锅炉系统最重要的设备之一，其作用是向锅炉不间断地提供高温、高压的水，以维持装置的热力循环。我们通常称给水泵为锅炉的心脏。因此，准确、全面地把握给水泵的运行特性，具有十分重要的意义。

    　　给水泵的有关参数：

    　　泵型号：HGB4/9（9级）；

    　　额定流量（Q）：151.8 m3/h；

    　　进口压力：236 kPa；

    　　出口压力（H）：13 120 kPa；

    　　输入功率：704 kW；

    　　转速（n）：2 984 r/min；

    　　再循环管流量：28.1 t/h；

    　　实际运行时进口压力：850 kPa；

    　　实际运行时出口压力（H）：15 000 kPa；

    　　给水温度（160～170）℃。原理性热力系统见图1。

    　　图1 锅炉给水泵原理性热力系统图

    　　二、 给水泵的运行状况

    　　我公司给水泵于2000年投入使用，运行几年来，出现如下几种现象：（1）由于驱动机紧急停机，除氧器汽源被切断，造成除氧器自生沸腾，使给水泵在汽化工况下运行；（2）检修后的启动过程，由于锅炉给水流量小，即使锅给水泵循环阀全开，运行一段时间（约10min）后，由于泵的流量小，泵运转的机械能大部分转变为泵中流体（给水）的热能，从而引起泵中给水温度过高，当高于给水压力所对应的饱和温度时引起汽化；（3）在备用泵的正常转换操作中，也会发生汽蚀现象，2004年3月16日，将A给水泵转换成B给水泵运行时，发现B泵出口压力从149kPa突降至30 kPa，电机电流从40A降至29A，泵进口压力也剧烈波动，噪音、振动明显。

    　　3 对泵汽蚀性能进行校核计算

    　　引起泵汽蚀的原因很多，既有泵本身设计方面的，如级数过多、叶片宽度过窄等，又有安装方面的，如安装高度不足、进口管道阻力过大等这些因素，最终反映在比转数、汽蚀余量等性能参数上。

    　　3.1 比转数

    　　比转数是在泵与风机的设计选择及研究中一个包括流量Q，能头H及转速n等设计参数在内的综合相似特征数，比转数分动力比转数和运动比转数。这是由于比转数在表达上的不同而区分的动力比转数的表达式中出现了动力量，因而称为动力比转数，而运动比转速的表达式中只有运动量，所以，称为运动比转数。国内对比转数这一性能参数的描述，习惯于采用动力比转数，而国外习惯于采用运动比转数，不管如何，两者反映的本质是一致的，只是表达的方式不同而已。下面采用动力比转数进行分析。根据实际的运动参数，热电二期锅炉给水泵的动力比转数ns为：

    　　ns=3.65n Q0.5/H0.75=48.1

    　　按设计参数计算，则ns=52.8，国内资料介绍，ns＜30，采用容积泵，30＜ns＜300则采用离心泵，且离心泵的最佳比转数为90～300之间。显然，实际泵的比转数是偏低的，大量资料表明，比转数越低的水泵越容易发生汽蚀，甚至发生断裂工况（即流量增加到一定程度时扬程急剧下，降见图2），使泵无法继续工作。

    　　图2 泵的扬程曲线

    　　由图2可知，泵只能在低于Q1流量下运行，若流量继续有所增加，扬程曲线就急剧下降，这表明汽蚀已达到使水泵不能工作的严重程度。由试验可知，当ns＜105时，因汽蚀所引起的扬程曲线的断裂工况具有急剧下降的趋势，这就验证了2004年3月16日 转换泵时发生的现象。可以说，此种泵设计的比转数偏低，不能适应大的负荷变化要求，至于低比转数离心泵为何如此，多数认为：由于比转数低，结构上必然采取多级叶轮，由于叶片数较多，叶片宽度较小，流道窄且长，发生汽蚀后，大量汽泡很快就布满流道，影响流体的正常流动，造成断流，使扬程、效率急剧下降。比转数大的离心泵，叶片宽度较大，流道宽且短，因此，汽泡产生后，不会立即布满流道，因而对性能曲线上的断裂工况点的影响就比较缓和，在高比转速的轴流泵中由于叶片数少，流道宽，汽泡发生后，不可能布满流道从而不会造成断流，也即是不会出现断裂工况，但仍有“潜伏”汽蚀的存在。

    　　3.1 有效汽蚀余量与必须汽蚀余量

    　　泵的有汽蚀余量Δhe表达式为：

    　　式中：Δhe——有效汽蚀余量，m；

    　　 Ps——泵吸入口压力，Pa；

    　　 Pv——汽化压力，Pa；

    　　 υs——泵吸入口平均流速，m/s；

    　　 γ——流体重度，N/m3。

    　　锅炉给水泵的进水为来自除氧器的出水，工艺布置见图3，可列出e-e及s-s断面的伯努里方程：

    　　式中Pe——吸水池液面压力，Pa；

    　　 Hg——安装高度，m；

    　　 hw——流动损失，m。

    　　图3 给水泵的工艺布置

    　　由于除氧器液面较大，可以简化υe≈0。

    　　运行中除氧器压力为汽化压力，Pe＝Pv，则Δhe=Hg－hw

    　　而泵的必须汽蚀余量Δhr

    　　式中υ0、W0——前盖板处紧靠叶片进口前液体流动的绝对速度及相对速度；

    　　λ1、λ2——系数。

    　　目前，λ1、λ2还不能用计算的方法得到准确数据，因而，Δhr并不能用计算方法确定，而只能通过泵的汽蚀试验来确定，通常可取λ＝1.2～1.4（低比转数的泵取大值），λ2＝0.15～0.4（低比转数的泵取小值）。根据运行经验，有效汽蚀余量与必须汽蚀余量很接近，当泵的流量增大时，流动损失增加，有效汽蚀余量减小，因而发生汽蚀的可能性增大。

    　　3.2 给水温升

    　　二期给水泵运行时，进口压力为0.85 Mpa（表压），对应的饱和温度为173℃，而运行的给水温度达到168℃，对于锅炉给水泵，设计的安全量为允许泵温升高（5～8）℃。经试验，在出水门全关、再循环门全开时，泵只运行11 min便出现汽化现象了。由此可见，再循环门设计的管径偏小，或者说，再循环流量不足，造成给水因吸收泵运转的机械能而被加热，温度上升过快，客观上促进了泵的汽化。

    　　4 提高泵抗汽蚀途径

    　　经过以上分析得出，此锅炉给水泵在非正常工作情况下容易生产汽化的原因是泵本身设计的比转数太小造成的。体现在结构上就是叶片级数较多，叶片宽度较小，流道窄长等，同时也与泵的安装状况有关，有关理论指出，对于同一台泵在某种吸入装置条件下运行时发生汽蚀，当改变吸入装置条件后（如加大进口管径，增加倒灌高度等）就可能不发生汽蚀，这也是提高泵抗汽蚀性能的途径，另外还可以采取如下方法：（1）切换操作时带负荷启动，泵的正常操作是启动前将出水阀关闭，定速后再慢慢打开，但由于此泵本身存在的缺陷，难以做到正常切换操作，只能在出水阀打开情况下启动，这样可避免泵中给水温升过高，引起部分给水汽化现象。（2）冷态启动时严格规定空负荷时间。泵冷态启动时，由于给水温度较低，给水温升达到汽化温度时间较长，按正常启动顺序操作，但求空转时间不能过长，以免泵汽化。（3）增大再循环管径将锅炉给水泵再循环管径改大，以目前的DN40改为ND65管径使再循环流量增加到65t/h，可有效避免泵产生汽化，也是有效提高泵抗汽蚀性能的途径，负面影响是空转时电机消耗的功率会相应增加。（4）在给水泵出口管与再循环管之间加装一管线，一旦进入锅炉的给水流量过小时，打开此管线阀门，以保证锅炉给水泵有不引起汽化的给水流量。

    　　5 结束语

    　　上述锅炉给水泵汽化的原因是泵本身设计不完善所引起的，作为运行使用单位，对泵本体加以改造比较困难。但从工艺流程入手，也能找到解决办法，避免泵产生汽化，弥补泵本身设计的不足。通过在给水泵出口管与再循环管之间加装一管线，可以避免泵在低流量下产生汽化，收到很好的效果。通过全开出水阀启动（即带负荷启动）给水泵，也是避免汽化的一种手段。