给水泵汽蚀原因分析与探究

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摘要：汽蚀会影响给水泵的正常工作，从而影响整个系统的稳定。本文分析了造成给水泵汽蚀的内在原因，并结合作者工作经验，提出防止给水泵汽蚀的几项措施。

关键字：汽蚀汽蚀余量给水泵

中图分类号：U464.138+.1 文献标识码：A 文章编号：

1.汽蚀和汽蚀余量概述

汽蚀是指当液体的压力低于该液体温度下的汽化压力时，液体开始汽化溢出许多汽泡，充塞在水泵叶轮及周围的流道中，由于液体受压的不同，会造成较大的不良影响，主要表现在以下三个方面：

泵的性能恶化

产生噪声和振动

.叶轮和部件的腐蚀和疲劳

判断水泵能否发生汽蚀的物理量称汽蚀余量，它也是使液体避免发生汽蚀的安全量。汽蚀余量由水泵制造厂，依据水泵的不同型式和构造，通过试验确定。汽蚀余量和允许吸上高度是一个意义，只是表示方法不同。其关系式如下:

h=+－H（1）

式中 h：允许汽蚀余量，m；

作用于吸水面的绝对压力（开式系统的绝对压力为大气压力，见表1），kPa；

：液体温度下的汽化压力（见表2），kPa；

：液体的密度，kg/L；

水泵吸入口的平均流速，m/s；

g： 重力加速度，m/s；

H：水泵样本提供的允许吸上高度，m。

按照规定：水泵试验时为大气压101.3 kPa（760mmHg）；水温为20℃（汽化压力2.35 kPa）；水的密度为1.0kg/L。又规定样本中提供的允许吸上高度已考虑了附加0.3的安全值。因此，式（1）可简化为下式（2）。

h=10.09+－H （2）

表1不同海拔高度的大气压力

表2不同水温下的汽化压力

2.有效汽蚀余量，必须汽蚀余量

汽蚀余量是表示泵性能的一个参数，用符号h表示，或用NPSH表示。汽蚀余量又分为有效汽蚀余量（用NPSHa表示）和必须汽蚀余量（用NPSHr表示）。

在实际工作中，泵是否发生汽蚀，不仅与泵本身的汽蚀性能有关，还于泵的吸入装置有关。按照吸入装置条件所确定的汽蚀余量称为有效汽蚀余量或装置汽蚀余量，用NPSHa表示。由于泵本身的汽蚀性能所产生的汽蚀余量称为必需汽蚀余量或泵的汽蚀余量，因此用NPSHr表示。

NPSHa是吸入系统所提供的在泵吸入口大于饱和蒸汽压力的富裕能量。NPSHa越大，泵抗汽蚀性能就越好。NPSHr是液体从泵吸入口至压力最低点的压降，NPSHr越小，泵抗汽蚀性能越好，可以降低对吸入系统提供的NPSHa的要求。NPSHa和NPSHr均随流量的变化而变化，一般NPSHr随流量的增加而增大，而NPSHa则随着流量的增加而减小。

3.锅炉房设计规范的有关规定

锅炉房设计规范（GB50041-92），第7.1.9条锅炉给水箱的布置高度，应使锅炉给水泵有足够的灌注头。灌注头不应小于下列各项的代数和：

给水泵进水口处水的汽化压力和给水箱的工作压力之差；

给水泵的汽蚀余量；

给水泵进水管的压力损失；

采用3~5kPa的富裕量。

对于滑压运行的除氧器“给水泵进水口处的汽化压力和给水箱的工作压力差”应给予足够的重视，由于除氧器的变工况如何解决给水泵不产生汽蚀是滑压运行的关键问题 。例如：当负荷骤降时，汽轮机抽气压力下降，除氧器内压力下降，此时水温下降滞后于压力降低。但泵入口处的压力已随除氧器压力的降低而下降，造成泵入口处的水温高于下降后压力对应的饱和温度，给水泵的安全受到威胁。对于常压运行的除氧器就就不存在这种问题。

4.除氧器的定压运行和滑压运行

除氧器的运行方式有滑压和定压运行两种。由于其牵涉面广，必须全面考虑来决定运行方式。选择的原则是，首先保证除氧器和给水泵的安全可靠运行，同时兼顾热经济性。

4.1除氧器的定压运行

除氧器定压运行的特点是：

在除氧器的回热抽汽管上设置压力调节阀。

考虑汽轮机负荷变动时压力调节需要，设计工况时该回热抽汽压力应高于除氧器的工作压力0.2~0.3MPa。

汽轮机低负荷（一般为70％额定负荷）时，抽汽压力降低到不能满足除氧器定压运行需要，此时应切换至高一级抽汽，并关闭原级抽汽。

可见，定压运行除氧器在高负荷时存在压力调节阀的节流损失，抽汽管压降增大，除氧器出口水温降低，引起本级抽汽量减少，高一级抽汽量增加，回热做功比降低，冷源热损失增加。低负荷时停用原级抽汽使回热抽汽减少了一级，回热换热过程的不可逆损失增大。

4.2 除氧器的滑压运行

随着机组容量不断增大及单元机组承担中间负荷的情况日益增多，除氧器定压运行带来的热经济损失不容忽视。

除氧器滑压运行不需维持压力恒定，到除氧器的抽汽管道上不设压力调节阀，避免了节流损失，机组热经济性可提高0.1％~0.15％。当机组负荷降低到除氧器压力只有0.118~0.147MPa以下时，滑压除氧器必须切换成定压运行，以维持向大气自动排汽的最低压力。此时除氧器加热汽源必须切换至高一级回热抽汽，并在切换管上设置压力调节阀。滑压除氧器切换成定压运行对应的负荷一般在20％~30％之间。

5.负荷骤降时给水泵的安全问题

机组负荷骤降时，随着除氧器压力下降，水箱内原来的饱和水发生“闪蒸”，水温立即下降，且不断在新的饱和状态下平衡。除氧效果因水的再沸腾会更好。此时，给水泵入口压力随着除氧器压力骤降而下降，但泵入口给水却因净正吸水头的作用不能引发闪蒸，而水箱里冷却了的水短时间内不能到达泵入口，造成泵入口处水温滞后压力下降，给水泵汽蚀的可能性增大。

6.给水泵不汽蚀的条件

防止给水泵在暂态过程不汽蚀的条件决定于泵吸入系统和泵本身的特性。泵吸入系统在泵入口建立有效汽蚀余量NPSHa：

NPSHa=+H －－ m （3）

： 除氧水箱工作压力，MPa；

H：泵入口承受的静水头，m；

泵吸入管的压降，MPa；

：泵入口水温对应的汽化压力，MPa。

泵本身的特性由泵的结构、转速、流量决定的泵吸入口和流道内压降的总和，用泵的必须汽蚀余量NPSHr来表示。

给水泵正常运行不发生汽蚀，必须满足有效汽蚀余量大于或等于泵的必需的净正水头（如下图），即：

NPSHa≥NPSHr （4）

或防止泵汽蚀的有效富裕压头应大于或等于零：

NPSH= NPSHa－NPSHr≥0 （5）

将式（3）代入式（5），经整理得

NPSH=（H－－NPSHr）－（－）≥0

或NPSH=h－H≥0

其中 h= H－－NPSHr

H=－

式中 h：定压运行除氧器防止泵汽蚀的富裕压头，和滑压运行除氧器稳定工况时防止汽蚀的富裕压头，m；

H：滑压运行除氧器负荷骤降暂态过程中富裕压头的下降值，m；

H：泵入口承受的静压头，m；

：给水的平均密度，kg/m；

除氧器定压运行时，除氧器压力p与机组负荷p无关，机组负荷波动时，如忽略泵吸入管道的散热损失，可以认为除氧器内和泵入口水温是相同的，故

=，H=0，NPSH=h=常数

除氧器滑压运行有两种情况：（1）稳定工况时，与定压运行除氧器一样=；（2）负荷骤降的暂态过程中，由于泵入口水温t下降滞后于除氧器内水温t的降低，于是出现＞，使H＞0，若h近似不变，则NPSH下降，从而造成水泵运行安全性降低。

当H＜h时，NPSH＞0，泵仍能安全运行。当H＞h，则NPSH＜0，泵内将产生汽蚀，对锅炉安全造成威胁。

因此，滑压运行除氧器为防止泵汽蚀，应建立比定压除氧器更大的h，以克服负荷骤降时产生的H，并设法减小H。

7.防止给水泵汽蚀的具体措施

（1）提高除氧器的安装高度H

这是定压和滑压运行除氧器为防止给水泵汽蚀采用的最基本措施，但滑压除氧器要求布置得更高，以克服泵吸入管压头、NPSHr、滑压运行暂态过程形成的富裕压头下降值H。

（2）采用低转速的前置泵

滑压除氧器多采用变转速的高速给水泵，其NPSHr比中速水泵高得多。低转速前置泵对应的NPSHr大为减小，设置前置泵后，除氧器的布置高度可大大降低。从技术经济的角度，增设前置泵较单纯提高H使土建投资增加更为合算，故采用滑压运行除氧器的机组几乎全部采用变速给水泵及前置给水泵。

（3）降低泵吸入口管道内的

降低主要应减少泵吸入管道上不必要的弯头和水平管段长度，为此，除氧器应紧靠给水泵上方布置。

（4）缩短滞后时间T

缩短滞后时间T可减小暂态过程中H的最大值。缩短滞后时间的措施有：适当提高泵吸入管的设计流速W，以加快水箱内冷水早到达泵入口。但应注意W增加会使吸入管压降增加，故W提高不宜过多。暂态过程中开启给水泵再循环，增加给水泵的流量。暂态过程中在给水泵入口注入冷水，以加速泵入口水温的下降。

（5）减缓暂态时除氧器压力p下降

减缓暂态时除氧器压力p下降，可采用如下措施：适当增加除氧器给水箱储水量，靠负荷骤降时存水闪蒸出更多的蒸汽来阻碍除氧器压力下降。但应考虑负荷骤升时除氧效果的保证。装设在负荷骤降时能投入的备用汽源，以阻止除氧器压力的继续下降。

8.结语

汽蚀影响给水泵的正常工作，从而影响整个系统的稳定，给系统正常运行带来较大的影响。因此，在工程设计过程中，应该采取具体有效的措施防止给水泵产生汽蚀，优化设计，以保证系统正常运行。

参考文献

[1] 锅炉房设计规范 GB50041-2008

[2] 工业锅炉房实用设计手册（机械工业出版社）

[3] 中小型热电联产工程设计手册（中国电力出版社）