电站水泵汽蚀防止

张敬辉 李英楠

1.中国核电工程有限公司 北京 100840；2.天津电力建设公司 天津 300041

火力发电和核能发电都是由蒸汽轮机驱动发电机产生电能的。汽轮机是把热能转化为机械能的装置，工质通过循环不断地把燃料释放的能量转移到汽轮机做功。由于比热容大、经济性好，生产中常采用水作为推动汽轮机做功的工质。汽轮机电站的运行依赖于水-汽的转换和循环， 为水提供动力的设备——水泵在主辅系统中都起着重要的作用。通常，水泵在运行中容易发生汽蚀，影响设备的性能和寿命，并且电站的许多水泵长期工作在高温度或低压力的环境中，对防汽蚀的要求更加严格。

1 汽蚀理论

液体发生汽化时的温度即为饱和温度，对应的压力即为饱和压力，两者相互关联。 对于工质水来说，在临界压力22.13MPa以下时，饱和温度随着压力的降低而降低。 当压力降低到一定值时，常温下的水也可以汽化。 当液体在流道中高速流动时，由于某种原因使局部压力降低至饱和压力时，就会发生汽化，产生气泡。 气泡随着液体流动到某高压处时，会被急剧地压缩以至破裂（凝结），瞬间周围液体高速填充气泡空间，并发生撞击。 这种现象发生在过流部件表面时，就对过流部件形成不断地的冲击和侵蚀，称为汽蚀。生产应用中，泵作为流体输送的动力装置，通常在入口区域和叶轮叶片上较容易发生汽蚀现象。

汽蚀发生的机理可知，汽蚀的发生是由于液体在某些位置的压力低于饱和压力，或是说温度高于饱和温度而引发的。 简要概括为，汽蚀发生位置压力偏低或温度偏高。

汽蚀通常在有液体流动的管路和设备上发生，因为液体的运动使压力分布发生变化。由伯努利方程可知， 液体的静压力与运动速度等参数密切相关。

式中：

P——流体静压；

ρ——流体密度；

g——重力加速度；

h——相对高度；

v——流体流速；

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C——常量。

对于介质水，可看作不可压缩流体，在不考虑温度变化的情况下，密度ρ为恒量，重力加速度亦可作为常量进行研究。流体质点位置升高或速度增加时，对应的静压就会下降，当压力下降到饱和压力时就会发生汽化现象。 因此在管道布置安装中，要满足各位置的有效汽蚀余量为正值，使液体压力大于当地汽化压力，才能保证不发生汽蚀。 有水泵连接到管路时，还要满足其入口的有效汽蚀余量大于泵的必须汽蚀余量。必须汽蚀余量与泵体内流场有关，由泵本身结构决定，表征泵的汽蚀性能。实际应用中，流体在流动中存在摩擦阻力、沿程阻力等水力损失，因此防汽蚀的设计还要考虑物性、管路布置等因素。

无论是流体在管路的能量损失还是设备在对流体做功过程中的能量损失，最终都转化为热能的形式，使流体温度升高，这也对汽蚀的发生起到促进作用。 尤其是在泵体内部，某些时候这种能量可以使温度大幅上升至饱和温度，进而成为引发汽蚀的首要因素。

2 汽蚀的危害

汽蚀在水泵运行中广泛存在，多数情况下对设备和系统构成不良影响。

汽蚀对泵体和管道材料造成破坏，使流道表面出现凹痕、斑点、甚至穿孔等，增大了流道的粗糙度，增加水力损失；汽蚀腐蚀水泵叶片，严重时会减小叶轮的做功面积，降低水泵的效率和性能。

发生汽蚀时， 气泡的不断产生和骤然破灭，引起液体在气泡占据的空间上发生猛烈撞击，产生噪声和振动；另一方面，汽蚀对叶轮的长期腐蚀会使转子质量不平衡，也会增大设备振动。 长期在超标振动工况下运行，会严重降低设备寿命。

当水泵发生汽蚀时，其流量降低、压力不稳，无法满足系统正常需求。 与其它水泵并联运行时，还容易使并联水泵过负荷或发生“抢水”现象，容易引起调节发散，进而严重威胁系统的安全运行。

汽蚀的危害非常严重也相当普遍，因此在水泵的设计制造、 安装布置及运行调节中有必要着力控制，采取适当的防范措施，减轻汽蚀带来的不良影响。

3 防止汽蚀的措施

3.1 增大入口压力

液体发生汽化与压力有关，保证液体在流动过程中各质点压力都在饱和压力之上，能有效避免汽蚀的发生。 在设备安装条件允许时，可以尽量增大吸入液面与水泵吸入口的高度差。 一方面，降低泵入口的安装高度，电站的凝结水泵就是典型，通常其入口布置在水平面以下-5～-10米的位置， 以保证足够的有效汽蚀余量；另一面，提升液面的高度，通常给水泵布置在0米， 而除氧器却布置在汽轮机平台以上，也是典型的应用。 当水泵的必须汽蚀余量很大，而由于厂房空间或安装条件的限制不能满足高度差时，可以在管路上增加升压泵。 给水前置泵和凝结水升压泵的采用便有效减轻了下级水泵的汽蚀。

3.2 降低液体温度

维持液体温度在饱和温度以下也可以显著减少汽蚀的发生。 在高温液体中掺入低温介质，使其温度降低到饱和温度以下可以快速、有效地减轻汽蚀。但由于电站对水质要求和热效率的要求都比较高，较少采用这种方法。 当出口门关闭或处于节流状态，水泵的流量不足以带走产生的热量，致使泵壳内水温升高，当达到饱和温度时，也会发生汽蚀现象。 这种情况下，可以设计水泵出口再循环管路或在出口门状态不对延时停运的逻辑，避免设备在小流量工况下长时间运行。

3.3 提高本身防汽蚀性能

从设备本身角度出发， 提高自身的汽蚀性能。设计中可以选用更优的叶轮型式、叶片形状改变流场分布，安装诱导轮、导叶稳定入口流动，采用双吸入口降低入口流速，大口径、低转速等设计也可以减少汽蚀的发生。 另一方面，当不可避免地发生汽蚀时，可以采用耐汽蚀的材料，如铝铁青铜、稀土合金铸铁、高铬镍合金甚至钛铁合金、工程塑料等，并提高流道表面的光滑度减轻汽蚀造成的破坏。提高本身的汽蚀性能， 通常会影响水泵的效率和成本，需要根据实际应用，合理选择设计模型。

3.4 增加附属配置

为减轻汽蚀，可以增加配套装置组合使用。 凝结水泵和真空泵的运行都与凝汽器相联系，它们的入口压力很低，汽蚀性能要求很高。 除了采取上述措施外， 凝结水泵的进水流道通常还设计脱气孔，直接与凝汽器相连通，在运行中可以把产生的气体及时抽向凝汽器，从而减轻汽蚀。 真空泵则可以与喷射器组合使用（如图1），泵入口不直接接触凝汽器的高度真空，只为射汽器提供动力，利用射汽器内高速流体的卷吸作用，抽取凝汽器内的不凝结气体。

图1 真空泵与射汽器联合工作图

3.5 其他措施

减少液体的流动损失，通过减少入口管道弯头数量，提高内表面光滑度的方法来降低阻力，水泵入口要求一定长度的直管段用于稳定流动，以及采用变频装置改变水泵转速等方法都可以对汽蚀的防止形成积极影响。

4 结语

水泵是汽轮机电站的重要辅机，电站运行对水泵汽蚀性能的要求也很高。有必要对电站水泵发生汽蚀的机理、原因和防止方法进行研究，针对具体应用在不同环境、不同用途的水泵，从安全性和经济性综合考虑，采用适当措施，保证设备和系统安全、经济运行。

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