郑作浩
华能海南股份有限公司海口电厂，海南省澄迈县 571923
摘 要：海口电厂#9机低加疏水泵在低负荷时发生出力不足的现象，严重影响机组安全运行，通过检修检查和运行参数相关分析，确认为平衡管漏空气和叶轮损坏造成水泵汽蚀。经对症处理，解决了这一问题。
一、前言
一般来说，低加疏水泵运行状况比较恶劣，正常运行时进口压力较低(有时甚至为负压)，而出口压力较高(一般高于凝结水压力)，若设备存在缺陷，则容易引起汽蚀。华能海口电厂#9机组装机容量为330MW，设计有四台低压加热器，加热器疏水采用逐级疏水和危急疏水方式，#2低压加热器正常疏水通过低加疏水泵输送到#2 低加出口（低加出口凝结水压力约为0.9MPa）， 其危急疏水管道接至凝汽器。该机组共设置2台低加疏水泵，调节方式采用一拖一变频调节，一台运行，一台备用，其疏水系统流程如图1所示。在运行中若泵存在汽蚀、机械密封泄露等现象，将导致疏水泵不能正常工作，从而无法实现正常疏水的功能。
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二、发现问题
2016年8月3日，当#9机组负荷降至200MW以下时，9A低加疏水泵电流开始摆动，低加疏水箱水位亦同时摆动，低加疏水箱至凝汽器危急疏水调门开始参与调节水位，就地检查水泵有异常噪音且振动明显增大，水泵出口压力表在0.5MPa—1.0MPa之间上下摆动，历史趋势图如图2所示。将机组负荷升至200MW以上后该异常现象消失。切换至9B低加疏水泵，机组所有负荷段均可正常运行。
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三、低加疏水系统异常原因排查
（一）变频器故障
如果控制电机转速的变频器工作不正常，将使电机转速波动大，从而影响低加疏水泵的出力。经电气专业检查变频器的输入信号正常，电机运行的各项参数正常。
（二）热工测点故障
疏水泵变频器转速跟踪水箱水位自动进行调节，如果低加疏水箱水位测点故障、低加疏水箱的水位波动，将造成疏水泵变频器指令同步波动。尝试将水泵变频器由自动调节切换为手动调节，疏水泵异常现象依然存在，经热工专业检查各相关测点指示均无异常。
（三）疏水泵叶轮有缺陷
对9A低加疏水泵进行解体检查，从检查结果看，该泵的第一级叶轮和第二级叶轮均有不同程度的损坏，导叶上有明显的汽蚀痕迹。破损叶轮见图3、图4。
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（四）水泵汽蚀
对9A低加疏水泵更换新叶轮后再次投入运行，运行情况较之前有所改善，但当机组负荷降至160MW以下时仍然发生系统波动的现象，从泵的运行状况及叶轮解体情况可初步分析为叶轮发生汽蚀。
四、水泵汽蚀产生机理
有效汽蚀余量 NPSHa 与低加疏水泵本身无关，而与装置的吸入液面的压力、被吸入液体的温度、泵的几何安装高度、进口管路系统（管路的走向、管径、内部的清洁度、表面粗糙度等）、介质密度、介质温度和介质汽化压力有关。
必需汽蚀余量 NPSHr 由其本身决定（与泵的设计、制造工艺有关），而与管路系统无关，它只与泵吸入室的结构、液体在叶轮进口处的流速等因素有关。所以，必需汽蚀余量由泵入口各因素决定。
NPSHr是为了保证低加疏水泵不发生汽蚀，要求泵进口处单位介质具有超过汽化压力的富裕量，NPSHr越小，泵的抗汽蚀性能越好。
下图为NPSHa和NPSHr的关系曲线。
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由图可见，NPSHa 小于NPSHr是低加疏水泵发生汽蚀的直接原因。
离心泵运转时，液体压力沿着泵入口到叶轮入口而下降，在叶片入口附近的K点上，液体压力p K 最低。此后由于叶轮对液体做功，液体压力很快上升。当叶轮叶片入口附近的压力p K小于液体输送温度下的饱和蒸气压力p v时，液体就汽化。同时，使溶解在液体内的气体逸出。它们形成许多气泡。当气泡随液体流到叶道内压力较高处时，外面的液体压力高于气泡内的汽化压力，则气泡又重新凝结溃灭形成空穴，瞬间内周围的液体以极高的速度向空穴冲来，造成液体互相撞击，使局部的压力骤然增加（有的可达数百个大气压）。这样，不仅阻碍液体正常流动，尤为严重的是，如果这些气泡在叶轮壁面附近溃灭，则液体就像无数个小弹头一样，连续地打击金属表面。其撞击频率很高(有的可达2000～3000Hz)，于是金属表面因冲击疲劳而剥裂。如若气泡内夹杂某种活性气体（如氧气等），它们借助气泡凝结时放出的热量（局部温度可达200～300℃），还会形成热电偶，产生电解，形成电化学腐蚀作用，更加速了金属剥蚀的破坏速度。上述这种液体汽化、凝结、冲击、形成高压、高温和高频冲击负荷，造成金属材料的机械剥裂与电化学腐蚀破坏的综合现象称为汽蚀。汽蚀现象从外观判断最直接的就是泵体振动大，且内部有水流撞击金属的声音。
五、水泵汽蚀类型
汽蚀一般可分为下列几种类型：
（一）叶型汽蚀
这是水泵普遍具有的汽蚀现象。是发生在叶片表面的汽蚀，汽蚀破坏区在水泵叶轮的叶片表面上，在正面和背面，称为叶面型汽蚀，见图6 。
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主要是因为水泵安装过高，或流量偏离设计流量过大时产生的汽蚀现象。其空泡形成和溃灭多发生在叶片的正面和背面或前轮盘内表面处以及叶片的根部。
离心泵在大流量时，叶面型汽蚀发生在1、4、3几个部位，小流量时，发生在 2、4、1几个部位。轴流泵在大流量时叶面型汽蚀发生在叶片的正面，小流量时发生在叶片的背面。
（二）间隙汽蚀
当水泵在低负荷运行时，当水流流经离心泵的回流槽等缝隙时，水流通过突然变窄
的间隙，速度增加而压强下降，也会产生汽蚀。轴流泵的叶片外缘与泵壳之间很小的间隙内，在叶片正、背两侧很大的压强差作用下，引起极大的回流速度，造成局部压降，引起间隙汽蚀。在泵壳对应叶片外缘部位形成一圈蜂窝麻面汽蚀带。在离心泵的减漏环与叶轮外缘间隙处，亦会引起间隙汽蚀。
（三）旋涡汽蚀
涡带汽蚀是由于进水建筑物、进水构筑物设计不当，造成了水泵进口处水流的紊乱和漩涡，产生了涡带，把大量的气体周期性地带入水泵内。即使在水泵叶片本身不产生叶面汽蚀的情况下，由于涡带的产生也会在叶片低压区产生周期性的强度很大的叶面汽蚀。当漩涡的旋转方向与水泵的旋转方向相同时，使相对运动削弱，流量减小、扬程降低、效率下降、功率增加（轴流泵）或减少（离心泵），引起超载（轴流泵）或欠载（离心泵）；当漩涡的旋转方向与水泵的旋转方向相反时，使相对运动加强，流量增加、扬程增高、效率下降、离心泵的功率增加或轴流泵的功率减少，引起超载（离心泵）或欠载（轴流泵）。
当水泵产生汽蚀时，破坏叶轮，使水泵效率降低和出力不稳。因此在运行时应尽量设法消除汽蚀。
六、水泵汽蚀的危害
（一）产生噪音和振动
水泵运行过程中发生汽蚀时，由于气泡突然破裂会使水泵外壳产生振动，同时伴随爆豆似的噼噼叭叭的噪音。水泵功率越大，噪音和振动就越大。强烈的振动会使机组零件和机房结构遭受破坏。
（二）性能下降
水泵发生汽蚀时，因水流中含有气泡，引起水泵工作性能的变化，此变化对不同类型的水泵是不同的。对于转数较低的水泵（如离心泵），因水泵叶片流槽狭长，很容易被气泡所阻塞。汽蚀刚开始时，气泡占据一定的槽道面积，水泵的扬程、功率和效率开始下降，但对水泵的正常工作没有明显的影响；而当汽蚀发展到一定程度时，气泡大量产生，并迅速扩展到叶槽的整个宽度，水泵的扬程、功率和效率急剧下降，最后水泵停止出水（见图6）。
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（三）剥蚀过流部件
汽蚀使泵的过流部件出现裂纹、剥落，形成海绵或蜂窝状空洞，影响泵的寿命，严重时使泵无法工作。通常气泡形成区剥蚀情况并不严重，而是在气泡消失区局部水锤剧烈的作用下才产生汽蚀破坏，所以常常在叶轮的出口和水泵压水区进口部分出现汽蚀现象。
（四）能耗和管理费用增加
水泵发生汽蚀后，效率随汽蚀程度的不同而有所下降，严重时可下降 30％～40％，所以使水泵的能耗增加。有试验数据显示，效率下降 10％～20％，能耗将增加 5％～6％。加之对严重剥蚀的零件要进行修复或更换，增加了管理费用，同时会缩短水泵使用年限，使泵站经济效益下降。
七、9A低加疏水泵低负荷汽蚀原因排查
9A低加疏水泵以往低负荷均可正常运行，证明该泵在设计上并无缺陷。那么造成水泵汽蚀的原因有两种可能，一种是水泵流量过少，偏离设计工况运行，另一种可能是水泵密封不严有吸入空气。为此，对可能引起汽蚀的原因进行逐一排查。
（一）水泵流量过少
1.进口滤网堵塞
拆出9A低加疏水泵进口滤网进行检查，未发现滤网有堵塞情况。
2.进、出口门开度偏小或出口逆止门卡涩未全开
就地检查进、出口门均处于全开位置。解体检查出口逆止门可自由摆动，无卡涩情况。
（二）吸入空气
由于低加疏水泵的入口段在机组负荷较低时将处于负压状态，一旦密封不严或者泄漏就会吸入空气。
1.盘根磨损老化
盘根(编制盘根)也叫密封填料，通常由较柔软的线状物编织而成，通常截面积是正方形或长方形、圆形的条状物填充在密封腔体内,从而实现密封，主要用作水泵的轴封。因此，若低加疏水泵的进口盘根发生磨损或者老化，就会造成密封失效，导致吸入空气。
对9A低加疏水泵盘根进行检查发现盘根仅有轻微的磨损，更换新的盘根后投入水泵运行，低负荷汽蚀现象仍然存在。
2.水泵入口段管道泄漏
机组负荷升至250MW时发现9A低加疏水泵平衡管水泵入口段法兰处有水向外泄漏，机组负荷较低时该处有内吸的现象。对泄漏处进行检查，发现法兰密封垫片已严重变形，更换新的垫片后，9A低加疏水泵低负荷段汽蚀现象消除。由此可见，9A低加疏水泵平衡管水泵入口段法兰处泄漏是引起水泵汽蚀的主要原因。
#2、#3、#4低加的压力随着机组负荷的变化而变化，其对应机组负荷的各工况点如下表所示。
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从表1可知，在较高负荷时#3低加的压力仍为正压，当机组负荷逐渐下降至一定值时，#2、#3低加逐渐由正压状态转为负压状态。负荷下降得越低其负压越大，吸入的空气量也越来越多。随着吸入空气量的增大，水泵的入口压头随之下降、水泵的有效汽蚀余量亦逐步下降，当有效汽蚀余量下降至低于必需汽蚀余量时水泵便开始汽蚀，从而导致低加疏水系统波动。
八、减轻和防治汽蚀的措施
水泵的汽蚀是由水泵本身的汽蚀性能和抽水装置的使用条件来决定的。水泵运行过程中，一定程度的汽蚀往往总是发生，问题在于如何减轻和防治汽蚀？措施如下：
（一）正确地确定水泵安装高程
在设计泵站时，要使装置汽蚀余量大于水泵的允许汽蚀余量，或者水泵进口处的吸上真空度小于水泵的允许吸上真空度。同时，应充分考虑抽水装置可能遇到的各种工作情况，以便正确地确定安装高程。
（二）要有良好的进水条件
进水建筑物内的水流要平稳、均匀，不产生漩涡。大中型泵站的进水流道要设计得合理，进入叶轮的水流速度和压强要接近正常分布，避免产生局部低压区。
（三）尽量减少进水管路水头损失
在设计泵站时，应尽量缩短进水管路的长度，减少管路的附件，管道内壁应光滑和适当加大进水管的直径。
（四）提高汽蚀区的压强
在水泵进水管内，注入少量水或空气，可以缓和汽泡破灭时的冲击，并减小汽蚀区的真空度。但注入量必须控制，否则反而会使水泵工作性能变坏。将出水管的高压水引入泵的进口，可以提高叶轮进口的压强，从而提高泵的抗汽蚀性能。但减小了水泵的出水量，降低了水泵的效率。
（五）降低工作水温
夏季气温较高，可掺井水混合或在引水渠、进水建筑物处加遮热晒措施，以减轻汽蚀现象的危害程度。
（六）提高泵本身的抗汽蚀性能
泵设计时，要充分考虑叶轮设计的合理性。要充分考虑叶轮进口直径、叶片进口宽度、叶轮盖板进口部分曲率半径、叶片进口边的位置和叶片进口部分的形状、叶片进口冲角、叶片进口厚度、平衡孔、光洁度等对水泵抗汽蚀能力的影响。
（七）涂环氧树脂
在发生汽蚀的部位涂一层环氧树脂，可以提高叶轮表面的抗汽蚀性能，减轻叶轮表面被汽蚀破坏的程度。对于在苛刻条件下运行的泵，使用耐汽蚀材料 ，避免水泵汽蚀破坏。此外，多泥沙水源的泵站应留有更多的汽蚀余量。
（八）调节水泵的工况点
在水泵运行过程中，利用调节水泵工况点的方法可以减轻汽蚀，对于离心泵适当减少流量，使工况点向左移动，对于轴流泵可调节叶片安装角，使工况点移到。良好的水泵运行工况，可以防止水泵振动产生汽蚀。
九、结语
电厂低加疏水泵运行状况比较恶劣，在机组负荷较低时很容易发生汽蚀。当水泵发生汽蚀时，查找原因和寻求解决的办法应从水泵本身和泵的吸入装置两方面着手。
水泵的汽蚀现象给水泵的正常运行带来了非常大的危害。同时，由于汽蚀的特性，水泵汽蚀在现实中又不可避免。避免水泵发生汽蚀除了在设计、安装和运行中采取措施外，还应该加强日常的管理，定期检修，排除隐患，把水泵的汽蚀降低到最小程度。理论实践证明，防止水泵汽蚀，对提高水泵性能及运行质量有着重要的意义。我们要彻底认识水泵汽蚀问题，掌握水泵汽蚀的规律，提高水泵的运行质量。
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作者简介：
姓名：郑作浩
简历：2010年6年月毕业由于中原工学院热能与动力工程专业，2010年7月就职于华能海口电厂，现任职华能海口电厂发电部汽机运行专责，工作期间曾任职集控巡检、集控副值、集控主值。
写稿日期：2017年5月25日