電站水泵汽蝕防止

張敬輝 李英楠

1.中國(guó)核電工程有限公司 北京 100840；2.天津電力建設(shè)公司 天津 300041

火力發(fā)電和核能發(fā)電都是由蒸汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)產(chǎn)生電能的。汽輪機(jī)是把熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的裝置，工質(zhì)通過(guò)循環(huán)不斷地把燃料釋放的能量轉(zhuǎn)移到汽輪機(jī)做功。由于比熱容大、經(jīng)濟(jì)性好，生產(chǎn)中常采用水作為推動(dòng)汽輪機(jī)做功的工質(zhì)。汽輪機(jī)電站的運(yùn)行依賴于水-汽的轉(zhuǎn)換和循環(huán)， 為水提供動(dòng)力的設(shè)備——水泵在主輔系統(tǒng)中都起著重要的作用。通常，水泵在運(yùn)行中容易發(fā)生汽蝕，影響設(shè)備的性能和壽命，并且電站的許多水泵長(zhǎng)期工作在高溫度或低壓力的環(huán)境中，對(duì)防汽蝕的要求更加嚴(yán)格。

1 汽蝕理論

液體發(fā)生汽化時(shí)的溫度即為飽和溫度，對(duì)應(yīng)的壓力即為飽和壓力，兩者相互關(guān)聯(lián)。 對(duì)于工質(zhì)水來(lái)說(shuō)，在臨界壓力22.13MPa以下時(shí)，飽和溫度隨著壓力的降低而降低。 當(dāng)壓力降低到一定值時(shí)，常溫下的水也可以汽化。 當(dāng)液體在流道中高速流動(dòng)時(shí)，由于某種原因使局部壓力降低至飽和壓力時(shí)，就會(huì)發(fā)生汽化，產(chǎn)生氣泡。 氣泡隨著液體流動(dòng)到某高壓處時(shí)，會(huì)被急劇地壓縮以至破裂（凝結(jié)），瞬間周圍液體高速填充氣泡空間，并發(fā)生撞擊。 這種現(xiàn)象發(fā)生在過(guò)流部件表面時(shí)，就對(duì)過(guò)流部件形成不斷地的沖擊和侵蝕，稱為汽蝕。生產(chǎn)應(yīng)用中，泵作為流體輸送的動(dòng)力裝置，通常在入口區(qū)域和葉輪葉片上較容易發(fā)生汽蝕現(xiàn)象。

汽蝕發(fā)生的機(jī)理可知，汽蝕的發(fā)生是由于液體在某些位置的壓力低于飽和壓力，或是說(shuō)溫度高于飽和溫度而引發(fā)的。 簡(jiǎn)要概括為，汽蝕發(fā)生位置壓力偏低或溫度偏高。

汽蝕通常在有液體流動(dòng)的管路和設(shè)備上發(fā)生，因?yàn)橐后w的運(yùn)動(dòng)使壓力分布發(fā)生變化。由伯努利方程可知， 液體的靜壓力與運(yùn)動(dòng)速度等參數(shù)密切相關(guān)。

式中：

P——流體靜壓；

ρ——流體密度；

g——重力加速度；

h——相對(duì)高度；

v——流體流速；

當(dāng)時(shí)，除了此項(xiàng)新任務(wù)，醫(yī)院還承擔(dān)著各項(xiàng)社區(qū)幫扶工作，還托管著寧波多家小型醫(yī)院，阮列敏醞釀將關(guān)聯(lián)工作全部系統(tǒng)化。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間梳理，她拍板成立基層服務(wù)指導(dǎo)科，將慢病管理、醫(yī)聯(lián)體、分級(jí)診療等工作協(xié)調(diào)起來(lái)。

C——常量。

對(duì)于介質(zhì)水，可看作不可壓縮流體，在不考慮溫度變化的情況下，密度ρ為恒量，重力加速度亦可作為常量進(jìn)行研究。流體質(zhì)點(diǎn)位置升高或速度增加時(shí)，對(duì)應(yīng)的靜壓就會(huì)下降，當(dāng)壓力下降到飽和壓力時(shí)就會(huì)發(fā)生汽化現(xiàn)象。 因此在管道布置安裝中，要滿足各位置的有效汽蝕余量為正值，使液體壓力大于當(dāng)?shù)仄瘔毫?，才能保證不發(fā)生汽蝕。 有水泵連接到管路時(shí)，還要滿足其入口的有效汽蝕余量大于泵的必須汽蝕余量。必須汽蝕余量與泵體內(nèi)流場(chǎng)有關(guān)，由泵本身結(jié)構(gòu)決定，表征泵的汽蝕性能。實(shí)際應(yīng)用中，流體在流動(dòng)中存在摩擦阻力、沿程阻力等水力損失，因此防汽蝕的設(shè)計(jì)還要考慮物性、管路布置等因素。

無(wú)論是流體在管路的能量損失還是設(shè)備在對(duì)流體做功過(guò)程中的能量損失，最終都轉(zhuǎn)化為熱能的形式，使流體溫度升高，這也對(duì)汽蝕的發(fā)生起到促進(jìn)作用。 尤其是在泵體內(nèi)部，某些時(shí)候這種能量可以使溫度大幅上升至飽和溫度，進(jìn)而成為引發(fā)汽蝕的首要因素。

2 汽蝕的危害

汽蝕在水泵運(yùn)行中廣泛存在，多數(shù)情況下對(duì)設(shè)備和系統(tǒng)構(gòu)成不良影響。

汽蝕對(duì)泵體和管道材料造成破壞，使流道表面出現(xiàn)凹痕、斑點(diǎn)、甚至穿孔等，增大了流道的粗糙度，增加水力損失；汽蝕腐蝕水泵葉片，嚴(yán)重時(shí)會(huì)減小葉輪的做功面積，降低水泵的效率和性能。

發(fā)生汽蝕時(shí)， 氣泡的不斷產(chǎn)生和驟然破滅，引起液體在氣泡占據(jù)的空間上發(fā)生猛烈撞擊，產(chǎn)生噪聲和振動(dòng)；另一方面，汽蝕對(duì)葉輪的長(zhǎng)期腐蝕會(huì)使轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡，也會(huì)增大設(shè)備振動(dòng)。 長(zhǎng)期在超標(biāo)振動(dòng)工況下運(yùn)行，會(huì)嚴(yán)重降低設(shè)備壽命。

當(dāng)水泵發(fā)生汽蝕時(shí)，其流量降低、壓力不穩(wěn)，無(wú)法滿足系統(tǒng)正常需求。 與其它水泵并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，還容易使并聯(lián)水泵過(guò)負(fù)荷或發(fā)生“搶水”現(xiàn)象，容易引起調(diào)節(jié)發(fā)散，進(jìn)而嚴(yán)重威脅系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

汽蝕的危害非常嚴(yán)重也相當(dāng)普遍，因此在水泵的設(shè)計(jì)制造、 安裝布置及運(yùn)行調(diào)節(jié)中有必要著力控制，采取適當(dāng)?shù)姆婪洞胧?，減輕汽蝕帶來(lái)的不良影響。

3 防止汽蝕的措施

3.1 增大入口壓力

液體發(fā)生汽化與壓力有關(guān)，保證液體在流動(dòng)過(guò)程中各質(zhì)點(diǎn)壓力都在飽和壓力之上，能有效避免汽蝕的發(fā)生。 在設(shè)備安裝條件允許時(shí)，可以盡量增大吸入液面與水泵吸入口的高度差。 一方面，降低泵入口的安裝高度，電站的凝結(jié)水泵就是典型，通常其入口布置在水平面以下-5～-10米的位置， 以保證足夠的有效汽蝕余量；另一面，提升液面的高度，通常給水泵布置在0米， 而除氧器卻布置在汽輪機(jī)平臺(tái)以上，也是典型的應(yīng)用。 當(dāng)水泵的必須汽蝕余量很大，而由于廠房空間或安裝條件的限制不能滿足高度差時(shí)，可以在管路上增加升壓泵。 給水前置泵和凝結(jié)水升壓泵的采用便有效減輕了下級(jí)水泵的汽蝕。

3.2 降低液體溫度

維持液體溫度在飽和溫度以下也可以顯著減少汽蝕的發(fā)生。 在高溫液體中摻入低溫介質(zhì)，使其溫度降低到飽和溫度以下可以快速、有效地減輕汽蝕。但由于電站對(duì)水質(zhì)要求和熱效率的要求都比較高，較少采用這種方法。 當(dāng)出口門關(guān)閉或處于節(jié)流狀態(tài)，水泵的流量不足以帶走產(chǎn)生的熱量，致使泵殼內(nèi)水溫升高，當(dāng)達(dá)到飽和溫度時(shí)，也會(huì)發(fā)生汽蝕現(xiàn)象。 這種情況下，可以設(shè)計(jì)水泵出口再循環(huán)管路或在出口門狀態(tài)不對(duì)延時(shí)停運(yùn)的邏輯，避免設(shè)備在小流量工況下長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行。

3.3 提高本身防汽蝕性能

從設(shè)備本身角度出發(fā)， 提高自身的汽蝕性能。設(shè)計(jì)中可以選用更優(yōu)的葉輪型式、葉片形狀改變流場(chǎng)分布，安裝誘導(dǎo)輪、導(dǎo)葉穩(wěn)定入口流動(dòng)，采用雙吸入口降低入口流速，大口徑、低轉(zhuǎn)速等設(shè)計(jì)也可以減少汽蝕的發(fā)生。 另一方面，當(dāng)不可避免地發(fā)生汽蝕時(shí)，可以采用耐汽蝕的材料，如鋁鐵青銅、稀土合金鑄鐵、高鉻鎳合金甚至鈦鐵合金、工程塑料等，并提高流道表面的光滑度減輕汽蝕造成的破壞。提高本身的汽蝕性能， 通常會(huì)影響水泵的效率和成本，需要根據(jù)實(shí)際應(yīng)用，合理選擇設(shè)計(jì)模型。

3.4 增加附屬配置

為減輕汽蝕，可以增加配套裝置組合使用。 凝結(jié)水泵和真空泵的運(yùn)行都與凝汽器相聯(lián)系，它們的入口壓力很低，汽蝕性能要求很高。 除了采取上述措施外， 凝結(jié)水泵的進(jìn)水流道通常還設(shè)計(jì)脫氣孔，直接與凝汽器相連通，在運(yùn)行中可以把產(chǎn)生的氣體及時(shí)抽向凝汽器，從而減輕汽蝕。 真空泵則可以與噴射器組合使用（如圖1），泵入口不直接接觸凝汽器的高度真空，只為射汽器提供動(dòng)力，利用射汽器內(nèi)高速流體的卷吸作用，抽取凝汽器內(nèi)的不凝結(jié)氣體。

圖1 真空泵與射汽器聯(lián)合工作圖

3.5 其他措施

減少液體的流動(dòng)損失，通過(guò)減少入口管道彎頭數(shù)量，提高內(nèi)表面光滑度的方法來(lái)降低阻力，水泵入口要求一定長(zhǎng)度的直管段用于穩(wěn)定流動(dòng)，以及采用變頻裝置改變水泵轉(zhuǎn)速等方法都可以對(duì)汽蝕的防止形成積極影響。

4 結(jié)語(yǔ)

水泵是汽輪機(jī)電站的重要輔機(jī)，電站運(yùn)行對(duì)水泵汽蝕性能的要求也很高。有必要對(duì)電站水泵發(fā)生汽蝕的機(jī)理、原因和防止方法進(jìn)行研究，針對(duì)具體應(yīng)用在不同環(huán)境、不同用途的水泵，從安全性和經(jīng)濟(jì)性綜合考慮，采用適當(dāng)措施，保證設(shè)備和系統(tǒng)安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

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