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什么是離心泵的 NPSH及解決方案
點擊次數(shù)：66 發(fā)布時間：2025-3-7
在穩(wěn)定狀態(tài)下運行良好的離心泵在工作模式發(fā)生轉(zhuǎn)換時可能會出現(xiàn)汽蝕。解決瞬態(tài)汽蝕問題似乎很困難，因為涉及許多熱力學(xué)和尺寸因素。本文將幫助讀者了解泵瞬態(tài)汽蝕的原因，介紹一種識別不良設(shè)計的簡單篩選技術(shù)，并描述應(yīng)采取的糾正措施。
當(dāng)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(dāng)它們進(jìn)入泵的高壓區(qū)域時會劇烈內(nèi)爆 - 發(fā)生汽蝕現(xiàn)象。這會產(chǎn)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(dāng)蒸汽腔坍塌時，泵就會經(jīng)歷水錘。這些短期瞬態(tài)事件造成的累積損害最終可能導(dǎo)致災(zāi)難性的泵故障。
任何測量過泵尺寸的人都應(yīng)該熟悉術(shù)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(shù)語。使用液體比容（V）（單位為 ft3/lb），將單位為英尺的揚程轉(zhuǎn)換為單位為psi 的壓力：
psi = feet / (144 x V)
制造商通過用水對泵進(jìn)行穩(wěn)態(tài)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(dǎo)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(biāo)準(zhǔn)，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(jù)不明確，應(yīng)要求制造商澄清其代表的意義。
如果要求泵在不產(chǎn)生任何汽蝕損失的情況下提供全部設(shè)計流量，則NPSHa必須超過NPSHr適當(dāng)?shù)脑Ａ浚篘PSHa ≥ 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(biāo)準(zhǔn)協(xié)會（ANSI）/水力學(xué)會（HI）標(biāo)準(zhǔn) ANSI/HI 9.6.1-2017“Rotodynamic Pumps Guideline for NPSH Margin"根據(jù)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(jù)他們的經(jīng)驗針對不同的應(yīng)用使用不同的裕量。例如，在確定 FW 泵的尺寸時，設(shè)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(shè)備布置。如果設(shè)計中存在不確定因素，可能會增加瞬態(tài)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(wù)的最大裕量。
當(dāng)NPSHa表達(dá)式中的變量在泵運行狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換過程中發(fā)生變化時，就會出現(xiàn)NPSH瞬態(tài)。由于變量通常不會以相同的速率變化，因此NPSHa可能會在轉(zhuǎn)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(xiàn)NPSH瞬態(tài)變化。不過，泵送低壓、高溫液體的系統(tǒng)最有可能出現(xiàn)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(fù)荷期間極有可能經(jīng)歷NPSH瞬態(tài)。
■ 在聯(lián)合循環(huán)（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(jìn)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(fā)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(yīng)，供汽輪機抽汽壓力低時使用。由于HRSG是比汽輪機更穩(wěn)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(jīng)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(wěn)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(jì)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(guān)注FW泵中 NPSH瞬態(tài)形成的問題?？的螤柎髮W(xué)的Rodney S. Thurston于1961年撰寫了一篇美國機械工程師協(xié)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(dǎo)出了一個簡單的表達(dá)式，用于評估FW泵對NPSH瞬態(tài)的敏感性。
Thurston并未詳述推導(dǎo)的細(xì)節(jié)，但他表明，如果在除氧器中儲存了低質(zhì)量的FW，就不會發(fā)生NPSH 瞬態(tài)汽蝕。通過重新排列他的公式，可以定義一個“瞬態(tài)系數(shù)"（FT），其值等于或大于1.0表示可以接受的設(shè)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(zhì)量（lbm）；m為吸入管道中的FW質(zhì)量；hC為停留時間內(nèi)進(jìn)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(tài)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(jié)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(tài)開始時除氧器內(nèi)飽和壓力的函數(shù)。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(jìn)入除氧器的最小冷凝水焓值（hC）對解決方案至關(guān)重要。進(jìn)入除氧器的冷凝水溫度越低，壓力衰減越快。假設(shè)一些低壓（LP）FW 加熱器在瞬態(tài)開始時停止工作，會給計算結(jié)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(tài)系數(shù)小于1.0，則基于更少簡化假設(shè)的更嚴(yán)格評估可能會表明設(shè)計是可接受的。執(zhí)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(shù)據(jù)并進(jìn)行NPSHa計算。列中應(yīng)包含計算瞬態(tài)時間內(nèi)NPSHa所需的參數(shù)。
■ 電子表格行應(yīng)表示時間的遞增，并應(yīng)涵蓋瞬態(tài)的整個持續(xù)時間。一些流動建模軟件具有通過組合多個穩(wěn)態(tài)運行的結(jié)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(shù)可用于許多商業(yè)電子表格程序，用于簡化工作。
■ 代表瞬態(tài)前后存在的靜態(tài)運行條件的輸入數(shù)據(jù)應(yīng)與項目熱平衡一致。
■ 輸入構(gòu)成NPSHa的每個變量在瞬態(tài)期間如何變化的描述。理想情況下，變化率應(yīng)基于實際瞬態(tài)期間收集的儀器數(shù)據(jù)。但是，如果沒有數(shù)據(jù)，則需要做出假設(shè)。這通常包括假設(shè)除氧器中的液體焓衰減遵循指數(shù)函數(shù)。
■ 繪制NPSHa和NPSHr在瞬態(tài)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(shè)：
■ 瞬態(tài)開始時吸入管中的FW體積在通過系統(tǒng)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(jìn)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(tài)期間，不會有抽取蒸汽流向LP FW加熱器或除氧器。
■ 瞬態(tài)期間，不會有FW再循環(huán)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(guān)于最后一個假設(shè)，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(dāng)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(tài)不同，因為壓力變化是由泵引起的，因此被稱為“熱啟動"瞬態(tài)事件。
如果在高海拔地區(qū)有較長的水平吸入管道，則可能會發(fā)生額外的蒸汽閃蒸情況。這些管道容易發(fā)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(fā)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(tài)（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?？煽?、最冷的冷凝液來源是冷凝器熱井?？梢园惭b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?；旌虾笏璧淖钚×髁浚≦B，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(tài)前吸入管中飽和FW的溫度。
控制系統(tǒng)可以設(shè)計為監(jiān)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(zhǔn)確的系統(tǒng)是使用一個旁通閥，該旁通閥帶有一個全開/全閉執(zhí)行機構(gòu)，可響應(yīng)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(tǒng)，可以使用標(biāo)準(zhǔn)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(shè)計應(yīng)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(yīng)力。如果可能的話，應(yīng)將注入點與泵保持安全距離，并在吸入管中安裝靜態(tài)混合器以確保的熱混合?；旌掀鞯膲侯^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(tài)的起始原因是抽汽損失造成的除氧器壓力下降?？梢酝ㄟ^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(tǒng)可用作補充蒸汽源。
控制系統(tǒng)可以設(shè)計為監(jiān)測除氧器內(nèi)部壓力和泵入口壓力。補充蒸汽供應(yīng)管線上的減壓控制閥只能根據(jù)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(wù)的堅固組件。控制閥上的壓降也會非常高，需要使用嚴(yán)苛檢修閥?？刂葡到y(tǒng)將比入口冷卻選項所需的控制系統(tǒng)更復(fù)雜。例如，在負(fù)荷減少的情況下，必須允許除氧器壓力最終降至與新負(fù)荷相關(guān)的水平。此外，當(dāng)FW系統(tǒng)運行時，補充蒸汽源也必須處于運行狀態(tài)。
附加選項。以下選項是可靠的，因為它們不依賴于控制系統(tǒng)的運行。但是，它們可能難以在現(xiàn)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(guī)格。確認(rèn)泵NPSHr曲線的基礎(chǔ)。詢問制造商所使用的汽蝕水平基礎(chǔ)，以及是否包括制造商裕量。請制造商確定對泵進(jìn)行改造的可行性，例如增加一只誘導(dǎo)輪或改變?nèi)~輪材料以增加其抗汽蝕能力。考慮降低泵轉(zhuǎn)速以降低NPSHr。
減小吸入管直徑。減少吸入管中儲存的FW質(zhì)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(zhì)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(shè)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(xiàn)有的除氧器不太現(xiàn)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(shù)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(jìn)行瞬態(tài)評估。