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什么是離心泵的 NPSH及解決方案
點擊次數：826 發布時間：2025-3-7
在穩定狀態下運行良好的離心泵在工作模式發生轉換時可能會出現汽蝕。解決瞬態汽蝕問題似乎很困難，因為涉及許多熱力學和尺寸因素。本文將幫助讀者了解泵瞬態汽蝕的原因，介紹一種識別不良設計的簡單篩選技術，并描述應采取的糾正措施。
當吸入壓力下降至液體汽化壓力以下時，就會形成蒸汽汽泡，當它們進入泵的高壓區域時會劇烈內爆 - 發生汽蝕現象。這會產生噪音、點蝕、腐蝕、閃蒸和振動。如果汽泡聚集并形成蒸汽腔，當蒸汽腔坍塌時，泵就會經歷水錘。這些短期瞬態事件造成的累積損害最終可能導致災難性的泵故障。
任何測量過泵尺寸的人都應該熟悉術語“凈正吸入壓頭（NPSH）"。簡而言之，泵的NPSH就是施加在泵吸入口上的多余壓頭（或壓力），以防止液體汽化。泵的可用NPSH（NPSHa，即裝置汽蝕余量）以絕對英尺為單位，定義如下：
NPSHa = (HP – HVPA) + (HST – HFS)
其中，HP是泵上游液體源表面的絕對壓力，轉換為揚程（單位）；HVPA是泵吸入口絕對蒸汽壓力（特定溫度下液體開始汽化時的壓力），轉換為揚程（單位）；HST是泵吸入口的靜壓頭（液體源低液位與泵葉輪中心線之間的垂直距離）；HFS是最大流量下吸入管道中摩擦造成的壓頭損失。請注意，在討論NPSH時，通常同時使用揚程和壓力術語。使用液體比容（V）（單位為 ft3/lb），將單位為英尺的揚程轉換為單位為psi 的壓力：
psi = feet / (144 x V)
制造商通過用水對泵進行穩態測試來確定泵的必需NPSH（NPSHr），單位為英尺絕對值。NPSHr隨著流量的增加而增加，通常表示由于汽蝕導致泵揚程下降（輸出損失）3%的點（稱為NPSH3）。遺憾的是，制造商有時會使用1%或0%的標準，有時泵的NPSHr曲線包括制造商的裕量。如果你的NPSHr曲線的依據不明確，應要求制造商澄清其代表的意義。
如果要求泵在不產生任何汽蝕損失的情況下提供全部設計流量，則NPSHa必須超過NPSHr適當的裕量：NPSHa ≥ 裕量 x NPSHr。補償3%揚程下降所需的裕量可按下式計算：
裕量 = [(斜率 x QFW x 3) / (NPSHr x 100)] + 1.0
其中，泵的最大流量（QFW） 時泵的NPSHr曲線的斜率為 ?H/?Q。該裕量通常約為1.2倍。
美國國家標準協會（ANSI）/水力學會（HI）標準 ANSI/HI 9.6.1-2017“Rotodynamic Pumps Guideline for NPSH Margin"根據泵的使用情況給出了使用裕量的建議。此外，一些工程公司根據他們的經驗針對不同的應用使用不同的裕量。例如，在確定 FW 泵的尺寸時，設計點的裕量可能為1.8，最大運行點（Runout點）的裕量為1.5。
請注意，裕量建議并沒有考慮特別的運行工況或設備布置。如果設計中存在不確定因素，可能會增加瞬態汽蝕的可能性，則需要更大的裕量。在檢查是否有足夠的NPSHa時，請使用適用于泵服務的最大裕量。
當NPSHa表達式中的變量在泵運行狀態之間的轉換過程中發生變化時，就會出現NPSH瞬態。由于變量通常不會以相同的速率變化，因此NPSHa可能會在轉換期間暫時降至NPSHr以下。
從理論上講，任何液體泵都可能出現NPSH瞬態變化。不過，泵送低壓、高溫液體的系統最有可能出現這種問題。例如：
■ 從裝有高溫水的低壓除氧器儲罐中抽吸的FW泵，在汽輪機降負荷期間極有可能經歷NPSH瞬態。
■ 在聯合循環（CC）電廠中，除氧器配置有很多種。有些沒有單獨的除氧器，而是依靠冷凝器進行除氧。有些除氧器在真空條件下運行。許多電站都有一個與熱回收蒸汽發生器（HRSG）集成的除氧器，其中除氧器蒸汽來自低壓蒸汽包，而不是汽輪機。有些裝置使用從中壓蒸汽包中提取的固定蒸汽作為備用蒸汽供應，供汽輪機抽汽壓力低時使用。由于HRSG是比汽輪機更穩定、更可靠的除氧蒸汽源，因此只要HRSG操作正確，CC FW 泵通常不太可能經歷NPSH瞬變。
■ 加熱器疏水泵運行時NPSHa很小且溫度較高，因此易受瞬變影響。
■ 冷凝水泵輸送來自冷凝器熱井的低壓高溫冷凝水。它們通常不易受瞬變影響，因為熱井中的大量冷凝水可穩定溫度、壓力和液位波動。此外，通常使用立式筒袋泵來提供足夠的NPSHa所需的浸沒深度。
從20世紀50年代到70年代，I.J. Karassik和G.S. Liao等著名的泵研究人員一直在關注FW泵中 NPSH瞬態形成的問題。康奈爾大學的Rodney S. Thurston于1961年撰寫了一篇美國機械工程師協會（ASME）論文，題為“Design of Suction Piping and Deaerator Storage Capacity to Protect Feed Pumps"。在論文中，Thurston推導出了一個簡單的表達式，用于評估FW泵對NPSH瞬態的敏感性。
Thurston并未詳述推導的細節，但他表明，如果在除氧器中儲存了低質量的FW，就不會發生NPSH 瞬態汽蝕。通過重新排列他的公式，可以定義一個“瞬態系數"（FT），其值等于或大于1.0表示可以接受的設計。該公式為：
FT = (M / m) x ln[(h1 – hC) / (h2 – hC)]
其中，M是除氧器儲罐中的FW質量（lbm）；m為吸入管道中的FW質量；hC為停留時間內進入除氧器的冷凝水的最小焓值（Btu/lb）；h1是飽和水的焓值，基于瞬態開始時除氣器中的壓力（P1）；h2是飽和水的焓值，基于停留時間結束時除氣器中的壓力（P2）。P2的計算公式如下：
P2 = P1 + (NPSHr – HST + HFS) / (144 x V1)
液體比容是瞬態開始時除氧器內飽和壓力的函數。高P1值將給出更保守的解決方案，因此，通常使用安全閥壓力。
進入除氧器的最小冷凝水焓值（hC）對解決方案至關重要。進入除氧器的冷凝水溫度越低，壓力衰減越快。假設一些低壓（LP）FW 加熱器在瞬態開始時停止工作，會給計算結果增加一些緩沖。Thurston建議使用溫度低的FW加熱器的出口焓。
如果計算出的瞬態系數小于1.0，則基于更少簡化假設的更嚴格評估可能會表明設計是可接受的。執行此評估的一些技巧如下：
■ 使用管道流動建模程序來確定管道流動壓力損失。
■ 使用電子表格收集數據并進行NPSHa計算。列中應包含計算瞬態時間內NPSHa所需的參數。
■ 電子表格行應表示時間的遞增，并應涵蓋瞬態的整個持續時間。一些流動建模軟件具有通過組合多個穩態運行的結果來模擬時間的功能。這種軟件功能可以消除或減少電子表格所需的計算。
■ 蒸汽屬性函數可用于許多商業電子表格程序，用于簡化工作。
■ 代表瞬態前后存在的靜態運行條件的輸入數據應與項目熱平衡一致。
■ 輸入構成NPSHa的每個變量在瞬態期間如何變化的描述。理想情況下，變化率應基于實際瞬態期間收集的儀器數據。但是，如果沒有數據，則需要做出假設。這通常包括假設除氧器中的液體焓衰減遵循指數函數。
■ 繪制NPSHa和NPSHr在瞬態過程中的變化情況，以證明始終存在足夠的裕量。
作為參考，Thurston方程基于以下簡化假設：
■ 瞬態開始時吸入管中的FW體積在通過系統時保持恒定的蒸汽壓力。
■ 離開除氧器的所有FW都是飽和液體。
■ 進入除氧器的冷凝水流量等于FW流出量，并且是恒定的。
■ 除氧器中的所有流體混合。
■ 瞬態期間，不會有抽取蒸汽流向LP FW加熱器或除氧器。
■ 瞬態期間，不會有FW再循環或高壓加熱器排液流入除氧器。
■ 忽略泵、管道、除氧器和FW加熱器金屬體的保溫。
關于最后一個假設，補充幾句話可能會有所幫助。停機后，泵的金屬體往往會儲存熱量。因此，它所含的FW的溫度（和蒸汽壓力 HVPA）將高于除氧器中的FW溫度。當泵重新啟動時，吸入口的壓力會突然下降，熱的FW可能會閃蒸成蒸汽。這與NPSH瞬態不同，因為壓力變化是由泵引起的，因此被稱為“熱啟動"瞬態事件。
如果在高海拔地區有較長的水平吸入管道，則可能會發生額外的蒸汽閃蒸情況。這些管道容易發生閃蒸，因為沒有增加靜壓頭來補償除氧器中的壓力衰減和FW通過管道時發生的摩擦損失。避免以這種方式布置管道。
最常推薦的防止FW泵瞬態（瞬變）的方法是通過冷卻泵入口處的FW或增加除氧器壓力來消除泵和除氧器之間的蒸汽壓力差。
泵入口冷卻。通過在泵入口附近注入少量較冷的冷凝液可以增加NPSHa。可靠、最冷的冷凝液來源是冷凝器熱井。可以安裝旁通管線（旁路）以從熱井中抽取一部分（約 10%）冷凝水來冷卻泵入口。混合后所需的最小流量（QB，lb/min）和新泵入口溫度（TFW，°F）為：
QB = [1 – e^(–m / M)] x QFW
和
TFW = T1 + [(QB / QFW) x (TB – T1)]
其中TB是旁通源的溫度，T1是瞬態前吸入管中飽和FW的溫度。
控制系統可以設計為監測除氧器和泵入口壓力，并在需要時旁通足夠的冷凝水，以充分降低泵的蒸汽壓力，從而為NPSHr留出裕量。其它控制選項也是可能的。例如，一個更簡單但不太準確的系統是使用一個旁通閥，該旁通閥帶有一個全開/全閉執行機構，可響應控制抽汽流向FW加熱器的汽輪機信號相同的信號。旁通將是一個低溫低壓系統，可以使用標準壁厚的碳鋼管道。
此選項的主要缺點是它會增加FW中的氧氣含量。為了最大限度地減少這種影響，旁路的設計應只考慮必要的最小流量。另一個問題是確保冷凝水的注入不會引起過高的熱應力。如果可能的話，應將注入點與泵保持安全距離，并在吸入管中安裝靜態混合器以確保的熱混合。混合器的壓頭損失不得過高，因為摩擦損失會降低NPSHa。
除氧器壓力控制。瞬態的起始原因是抽汽損失造成的除氧器壓力下降。可以通過向除氧器提供額外的蒸汽來補償抽汽損失，以增加泵的NPSHa。蒸汽包或再熱系統可用作補充蒸汽源。
控制系統可以設計為監測除氧器內部壓力和泵入口壓力。補充蒸汽供應管線上的減壓控制閥只能根據需要注入足夠的蒸汽以維持除氧器的壓力。此選項沒有泵入口冷卻方案的含氧水、熱沖擊和壓降等缺點。
該選項的缺點是需要適用于蒸汽服務的堅固組件。控制閥上的壓降也會非常高，需要使用嚴苛檢修閥。控制系統將比入口冷卻選項所需的控制系統更復雜。例如，在負荷減少的情況下，必須允許除氧器壓力最終降至與新負荷相關的水平。此外，當FW系統運行時，補充蒸汽源也必須處于運行狀態。
附加選項。以下選項是可靠的，因為它們不依賴于控制系統的運行。但是，它們可能難以在現有安裝中實施且成本高昂，或者只能提供適度的NPSHa增加。無論如何，遇到的每種情況都會有所不同，因此請記住以下備選方案：
泵規格。確認泵NPSHr曲線的基礎。詢問制造商所使用的汽蝕水平基礎，以及是否包括制造商裕量。請制造商確定對泵進行改造的可行性，例如增加一只誘導輪或改變葉輪材料以增加其抗汽蝕能力。考慮降低泵轉速以降低NPSHr。
減小吸入管直徑。減少吸入管中儲存的FW質量將有利于減少停留時間。但遺憾的是，這會增加管道的流動阻力。然而，研究表明，管道尺寸略有減小，通常是利大于弊。
增加儲存在除氧器中的FW量。除氧器中的大量FW會儲存熱量。增加質量會減緩壓力和焓的衰減速度。增加除氧器的儲存容量通常比減小吸入管道尺寸更有利。如果無法增加儲存容量，請嘗試提高低水位。
提高除氧器高度或降低泵的安裝高度。在新工廠設計中，通常將除氧器放置在泵上方盡可能高的位置，以最大限度地提高泵吸入口處的靜壓頭。遺憾的是，重新安置現有的除氧器不太現實。
減少吸入管的長度。通過減少管道壓降可以增加NPSHa。此外，減少管道長度可以減少管道中的FW體積，從而減少瞬時停留時間。嘗試重新布置吸入管道以減少其長度、閥門數量和急彎。在可能的情況下，用45 度向下傾斜的管道代替水平管道。
增加一臺增壓泵。安裝在FW泵上游的低速、低揚程、單級增壓泵將增加其NPSHa。然而，增壓泵也容易受到NPSH汽蝕的影響。因此，它還需要對其進行瞬態評估。