離心式熱水循環泵汽蝕原因及解決方法

離心式熱水循環泵汽蝕原因及解決方法

在輪胎硫化過程中，內壓過熱水的穩定供給與循環是極其重要的。在其完整的閉路循環系統中，熱水循環泵如同人體的心臟一樣重要，不可須央出現故障。但是，實際的情況難免意外。僅汽蝕來說，不僅造成水泵的損傷，尤其能導致循環系統產生大的壓力波動，甚至頓時失壓，對初硫化期間的輪胎造成了致命傷。由此可見，認清汽蝕原因，采取有效防范或妥善解決措施是十分必要的。

1 汽蝕原因分析

1.1 定性分析

水泵吸入口處的水因汽化成汽泡，這些汽泡在水泵排出口之前被高壓擠碎(水的質點在葉輪流道上運動時，是不斷增大能量的，汽泡被擠碎的位置也是唯一的)，由于汽泡的占空突然“消失”，引起了水質點的強烈沖擊，造成對泵葉輪的汽蝕破壞，同時使泵出水壓力波動，嚴重時產生失壓。

水泵吸入口處水的汽化條件是:其壓力突然低于該處水溫對應的飽和蒸汽壓力。一個正在穩定運行的供熱系統，壓力、水溫、流量穩定，在遇到下列情況(之一)時，就會使水泵入口處的水壓降低。

(1)供入除氧器的蒸汽壓突然降低；
(2)供入除氧器的蒸汽溫度突然降低；
(3)大量地向除氧器中補充較低溫度的涼水；
(4)硫化車間用水量突然加大；
(5)泵出口以外直至循環回除氧器管網中管路阻力突然大幅度減小；
(6)泵出口以外直至循環回除氧器管網中突然有大量的泄漏。

一旦因上述情況使泵入口處壓力降至低于飽和蒸汽壓，就會產生汽蝕。

1.2 定量分析

附圖是除氧加熱系統簡圖。取除氧器內液面作基準高度，定義為“1-1”界面。水泵入口處為“2-2”界面。

(1)安裝高度計算

Hg=P0/ρg-P飽/ρg -Δh-Σhf(1-2) (1)

式中Hg——計算安裝高度，m；
P0——除氧器內汽壓，Pa；
P飽——熱水泵入口處，即“2-2”界面處水的飽和汽壓，Pa；
ρ——液體密度，kg/m3；
g——重力加速度，m/S2；
Δh——泵的汽蝕余量，m；
Σhf(1-2)——熱水自除氧器流至水泵入口處的阻力損失，m。

熱水自除氧器流至水泵入口處時，可以忽略水溫的變化，即認為P飽=P0，泵的汽蝕余量Δh，隨泵資料給出為3.9m水柱高。

輸入側管道阻力損失Σhf(1-2)估計為1.1m水柱高。

于是，由(1)式計算:

Hg′=-3.9-1.1=-5m水柱高

這是按20℃水計算結果，折成170℃水時:

Hg=ρ20gHg′/ρ170g=998.2×(-5)/897.3=-5.5m水柱高

就是說，熱水泵的安裝高度至少要比除氧器最低運行液位低5.5m。

實際例子是低10m，安裝高差尚有4.5m的裕量(按170℃水計算所得)。

(2)除氧器內壓變化多少可發生汽蝕

己處于穩定運行狀態的除氧動力系統，除氧器內汽壓、水溫，水泵入口處的壓力和水溫都是相對穩定的。假定這時P0突然降低，則系統平衡便被破壞。但在P0降低的同時，水泵入口處的水溫是絕對不會立即下降的，現有10m170℃水所形成的壓力是:

h′=10×897.3/998.2≈9m水柱高

用(1)式計算P0的下降量:

令[(P0-ΔP)-P飽]/ρg一Δh-Σhf(1-2)+h′=0
(P0-ΔP)-P飽=[-h′+ h+Σhf(1-2)]ρg=[-9+3.9+1.1]×998.2×9.8=-39129.44Pa
∵P0=ΔP -P飽= P飽-ΔP -P飽=-ΔP
∴ΔP=39129Pa

即，若水溫在170℃，即飽和蒸汽壓(表壓)為0.678MPa狀態下穩態運行，當汽壓突然降到表壓0.639MPa以下時，就有可能造成汽蝕。

(3)補水量達到多少可致汽蝕發生

管網中一旦發生較大泄漏，系統平衡破壞，除氧器水位就會快速下降，于是就需要快速大量地補入相對低溫的軟水。

設除氧器穩態運行存水量為:

25m3(容積)×0.7(占空率)=17.5m3

在某較短時間內，因水位突降，存水量減少了Vm3，于是補入低溫水Vm3。

在補入低溫水時，P0也會降低，蒸汽的流量會增大，攜入熱量速率會大于原先穩態運行時。為簡化推導，在此僅考慮冷熱水的熱交換對P0的影響，忽略增大的蒸汽流量的熱交換作用。

設補充水溫為60℃;穩態運行時水溫為170℃;170℃的(17.5m3-Vm3)水同60℃的V m3水相混合(忽略混合后總體積與17.5 m3的差異):

ΔQ1=m1(TCP12-60CP11)
ΔQ2=m2(170CP21-TCP22)
m1=Vρ60 =983.2V
m2=ρ170(17.5-V)=897.3(17.5-V)

飽和蒸汽的絕對壓力為0.7377MPa時見前面計算，T取168.13℃。

CP11=0.988；CP12=CP22=1.0445；CP21=1.046

令ΔQ1=ΔQ2，代入各參數數值:

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

加入冷水時，P0降低，蒸汽流量會加大，不單純是兩種溫度的水混合。可以放寬估計，當短時間內加60℃的補水達1m3時，可能引起汽蝕。

(4)泵出口流量增加多少時可引起汽蝕

當生產負荷突然加大，管網上管阻突然減少或管網上有大量泄漏，都會導致泵出口流量增大。

這些情況發生時，會使穩態運行中的除氧器液位突然降低，同時有冷水補入。冷水補入的影響，前邊已討論過，在此不考慮這一因素，只按流量增大所引起的泵入水口處靜壓降低來推敲。

流量突然加大，泵進水管內流速加大，水的漏流程度提高，動壓頭和阻力損失都會加大，所增大的部分要由靜壓頭轉換。

在流量為150m3/h，原輸入側管路損失:

Σhf(1-2)=1.1m水柱高，據Σhf=ξu2/2
U=Q/S=150÷3600/π÷4×0.082≈8.29m/S
ξ=2Σhf/U2≈0.032

前面已知現有10m的安裝高差，相當于9m水柱高，這9m水柱高扣除汽蝕余量及原有阻力損失計5m水柱高，剩4m水柱高。

令ΔU2/2+ξΔU2 /2=4

得ΔU ≈2.784m/s

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 情況下，有產生汽蝕的可能。

可以用一句話來概括三項定量分析結論:半個汽壓壹方水、五十流量可搗鬼。

2 預防和消除汽蝕的對策

據上述分析，汽蝕的原因就在于除氧器內汽壓的突然降低、水溫的突然降低或泵流量的突然增加。由此，提出以下對策:

(1)若汽源壓力和供應能力皆富裕，應設置除氧壓力自控裝置，保證P0的穩定。

(2)若汽源壓力和供應量不富裕，應在提壓增量后再配壓力自控裝置，保證P0的穩定。

(3)減少硫化機、罐同時入線臺數，即減小流量增長率。

(4)減少以致杜絕管線泄漏。

(5)提高補水水源水溫。

(6)在保證最有效除氧換熱效果前提下，除氧器液位控制點盡量設高。

(7)水泵的供水能力要大于生產最大負荷，以考慮局部泄漏問題。

(8)在水泵出口設置排汽閥門，當汽蝕發生時，開閥排放所生成的汽體。或可同時提高除氧器供汽壓力。

(9)設置除氧器內汽壓同水泵入口水壓之間的差壓測量顯示儀表，以監視其變化。若該差壓大于某一數值，則預警汽蝕的發生(此差壓不是定值，水溫愈高、流量愈大，差值愈小)。

(10)發生大量跑水時，增加供水泵臺數，這樣，每臺泵的流量就會小些，泵入口處靜壓損失也會小些。