離心式熱水循環泵汽蝕原因及解決方法
在工作過程中,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**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*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**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**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。
3 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*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*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。
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