在工作过程中,内压过热水的稳定供给与循环是极其重要的。在其完整的闭路循环系统中,热水循环泵如同人体的心脏一样重要,不可须央出现故障。但是,实际的情况难免意外。仅汽蚀来说,不仅造成水泵的损伤,尤其能导致循环系统产生大的压力波动,甚至顿时失压,对初硫化期间的轮胎造成了致命伤。由此可见,认清汽蚀原因,采取有效防范或妥善解决措施是十分必要的。
1 汽蚀原因分析
1.1 定性分析水泵吸入口处的水因汽化成汽泡,这些汽泡在水泵排出口之前被高压挤碎(水的质点在叶轮流道上运动时,是不断增大能量的,汽泡被挤碎的位置也是唯一的),由于汽泡的占空突然“消失”,引起了水质点的强烈冲击,造成对泵叶轮的汽蚀破坏,同时使泵出水压力波动,严重时产生失压。
水泵吸入口处水的汽化条件是:其压力突然低于该处水温对应的饱和蒸汽压力。一个正在稳定运行的供热系统,压力、水温、流量稳定,在遇到下列情况(之一)时,就会使水泵入口处的水压降低。
(1)供入除氧器的蒸汽压突然降低；
(2)供入除氧器的蒸汽温度突然降低；
(3)大量地向除氧器中补充较低温度的凉水；
(4)硫化车间用水量突然加大；
(5)泵出口以外直至循环回除氧器管网中管路阻力突然大幅度减小；
(6)泵出口以外直至循环回除氧器管网中突然有大量的泄漏。
一旦因上述情况使泵入口处压力降至低于饱和蒸汽压,就会产生汽蚀。
1.2 定量分析
附图是除氧加热系统简图。取除氧器内液面作基准高度,定义为“1-1”界面。水泵入口处为“2-2”界面。
(1)安装高度计算
Hg=P0/ρg-P饱/ρg -Δh-Σhf(1-2) (1)
式中Hg——计算安装高度,m；
P0——除氧器内汽压,Pa；
P饱——热水泵入口处,即“2-2”界面处水的饱和汽压,Pa；
ρ——液体密度,kg/m3；
g——重力加速度,m/S2；
Δh——泵的汽蚀余量,m；
Σhf(1-2)——热水自除氧器流至水泵入口处的阻力损失,m。
热水自除氧器流至水泵入口处时,可以忽略水温的变化,即认为P饱=P0,泵的汽蚀余量Δh,随泵资料给出为3.9m水柱高。
输入侧管道阻力损失Σhf(1-2)估计为1.1m水柱高。
于是,由(1)式计算:
Hg′=-3.9-1.1=-5m水柱高
这是按20℃水计算结果,折成170℃水时:
Hg=ρ20gHg′/ρ170g=998.2×(-5)/897.3=-5.5m水柱高
就是说,热水泵的安装高度至少要比除氧器最低运行液位低5.5m。
实际例子是低10m，安装高差尚有4.5m的裕量(按170℃水计算所得)。
(2)除氧器内压变化多少可发生汽蚀
己处于稳定运行状态的除氧动力系统,除氧器内汽压、水温,水泵入口处的压力和水温都是相对稳定的。假定这时P0突然降低,则系统平衡便被破坏。但在P0降低的同时,水泵入口处的水温是绝对不会立即下降的,现有10m170℃水所形成的压力是:
h′=10×897.3/998.2≈9m水柱高
用(1)式计算P0的下降量:
令(P0-ΔP)-P饱/ρg一Δh-Σhf(1-2)+h′=0
(P0-ΔP)-P饱=-h′+ h+Σhf(1-2)ρg=-9+3.9+1.1×998.2×9.8=-39129.44Pa
∵P0=ΔP -P饱= P饱-ΔP -P饱=-ΔP
∴ΔP=39129Pa
即,若水温在170℃,即饱和蒸汽压(表压)为0.678MPa状态下稳态运行,当汽压突然降到表压0.639MPa以下时,就有可能造成汽蚀。
(3)补水量达到多少可致汽蚀发生
管网中一旦发生较大泄漏,系统平衡破坏,除氧器水位就会快速下降,于是就需要快速大量地补入相对低温的软水。
设除氧器稳态运行存水量为:
25m3(容积)×0.7(占空率)=17.5m3
在某较短时间内,因水位突降,存水量减少了Vm3,于是补入低温水Vm3。
在补入低温水时,P0也会降低,蒸汽的流量会增大,携入热量速率会大于原先稳态运行时。为简化推导,在此仅考虑冷热水的热交换对P0的影响,忽略增大的蒸汽流量的热交换作用。
设补充水温为60℃;稳态运行时水温为170℃;170℃的(17.5m3-Vm3)水同60℃的V m3水相混合(忽略混合后总体积与17.5 m3的差异):
ΔQ1=m1(TCP12-60CP11)
ΔQ2=m2(170CP21-TCP22)
m1=Vρ60 =983.2V
m2=ρ170(17.5-V)=897.3(17.5-V)
饱和蒸汽的绝对压力为0.7377MPa时见前面计算,T取168.13℃。
CP11=0.988；CP12=CP22=1.0445；CP21=1.046
令ΔQ1=ΔQ2,代入各参数数值:
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
加入冷水时,P0降低,蒸汽流量会加大,不单纯是两种温度的水混合。可以放宽估计,当短时间内加60℃的补水达1m3时,可能引起汽蚀。
(4)泵出口流量增加多少时可引起汽蚀
当生产负荷突然加大,管网上管阻突然减少或管网上有大量泄漏,都会导致泵出口流量增大。
这些情况发生时,会使稳态运行中的除氧器液位突然降低,同时有冷水补入。冷水补入的影响,前边已讨论过,在此不考虑这一因素,只按流量增大所引起的泵入水口处静压降低来推敲。
流量突然加大,泵进水管内流速加大,水的漏流程度提高,动压头和阻力损失都会加大,所增大的部分要由静压头转换。
在流量为150m3/h,原输入侧管路损失:
Σhf(1-2)=1.1m水柱高,据Σhf=ξu2/2
U=Q/S=150÷3600/π÷4×0.082≈8.29m/S
ξ=2Σhf/U2≈0.032
前面已知现有10m的安装高差,相当于9m水柱高,这9m水柱高扣除汽蚀余量及原有阻力损失计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 情况下,有产生汽蚀的可能。
可以用一句话来概括三项定量分析结论:半个汽压壹方水、五十流量可捣鬼。
3 预防和消除汽蚀的对策
据上述分析,汽蚀的原因就在于除氧器内汽压的突然降低、水温的突然降低或泵流量的突然增加。由此,提出以下对策:
(1)若汽源压力和供应能力皆富裕,应设置除氧压力自控装置,保证P0的稳定。
(2)若汽源压力和供应量不富裕,应在提压增量后再配压力自控装置,保证P0的稳定。
(3)减少硫化机、罐同时入线台数,即减小流量增长率。
(4)减少以致杜绝管线泄漏。
(5)提高补水水源水温。
(6)在保证最有效除氧换热效果前提下,除氧器液位控制点尽量设高。
(7)水泵的供水能力要大于生产最大负荷,以考虑局部泄漏问题。
(8)在水泵出口设置排汽阀门,当汽蚀发生时,开阀排放所生成的汽体。或可同时提高除氧器供汽压力。
(9)设置除氧器内汽压同水泵入口水压之间的差压测量显示仪表,以监视其变化。若该差压大于某一数值,则预警汽蚀的发生(此差压不是定值,水温愈高、流量愈大,差值愈小)。
(10)发生大量跑水时,增加供水泵台数,这样,每台泵的流量就会小些,泵入口处静压损失也会小些。