摘要：汽蚀是泵类设备较为常见的一类问题，在工业生产应用中对泵汽蚀防护采用了较多的措施，本文将主要针对国内某核电厂中防止泵汽蚀的相关措施作简介说明。
关键词：核电厂 离心泵 汽蚀
1、汽蚀相关介绍
必须汽蚀余量(NPSHr)：从泵的吸入口到叶轮压力最低点保持水大于对应温度下饱和压力剩余的压头。此值由设备性能决定，值越小表示设备的性能越好。通过试验测出其值，其能力随流量增大而增大。
有效汽蚀余量(NPSHa)：从液体表面至吸入口液体剩余的压头，随设备安装位置和环境而定，为变值，值越大证明对设备的运行越有利。
安全量(K)：用于防止泵类产生汽蚀的裕量，理论上允许汽蚀余量[NPSH]=K*NPSHa，K值1.1~1.3或[NPSH]=NPSHa+K，一般情况下取K=0.3m。[1]
2、汽蚀对离心泵的危害
泵内汽蚀的发生与发展：汽化开始发生时，仅有少量汽泡生成，叶轮流道堵塞不严重，不影响泵的正常工作，此时称为初生汽蚀。泵长期在初生汽蚀工况下工作，会导致泵的材料产生疲劳，影响其使用寿命。若汽蚀进一步加剧，就有产生大量汽泡，伴随着汽泡的产生与溃灭，叶轮的流道将被汽泡严重堵塞，影响泵的正常工作，此类工况称为泵的断裂工况。若泵长期工作在断裂工况下，不仅泵的性能不符合要求，还会迅速出现叶轮材料的剥蚀及疲劳。汽蚀对泵的主要危害如下：
1）泵性能的下降：泵发生汽蚀时，叶轮和液体的能量交换受到干扰和破坏，泵的流量、扬程、效率、轴功率等曲线下降，以及伴随强烈的水击，严重时会发生液体断流甚至损坏叶轮的现象，使泵不能正常工作。
2）过流部件的侵蚀破坏：汽蚀发生时，由于机械剥蚀和化学腐蚀的共同作用。在叶片入口附近的金属部件表面受到连续强烈的水击，会出现麻点，继而表面出现沟槽状，蜂窝状等痕迹，严重时可造成叶片或前盖板穿孔，甚至叶轮破坏，造成严重事故。
3）振动和噪声：泵发生气蚀时，由于气泡突然溃灭，流体质点间相互撞击，冲击金属表面，会产生宽频带的噪声。汽蚀过程是一个反复凝结、冲击的过程，若其脉动频率与设备频率接近，就会引起强烈的振动。若汽蚀已造成转动部件材料破坏，必然会影响转子的平衡状态，导致严重的机械振动。
3、提高泵抗汽蚀性能的措施
泵汽蚀的发生由泵本身的汽蚀性能和吸入系统的装置条件来确定。因此，尽可能减小必需汽蚀余量NPSHr以及提高有效汽蚀余量NPSHa是提高泵抗汽蚀性能的两个方向。在此方向下一般采用了如下措施：
1）提高泵本身的抗汽蚀性能：①降低叶轮入口部分流速；②采用双吸式叶轮；③增加叶轮前盖板转弯处的曲率半径；④叶片进口边适当加长；⑤首级叶轮采用抗汽蚀性能好的材料。
2）提高吸入系统装置的有效汽蚀余量：①减小吸入管路的流动损失；②合理确定安装高度；③采用诱导轮；④采用双重翼叶轮；⑤采用超汽蚀泵；⑥设置前置泵。
以上方式均为工业生产中被广泛采用并有成熟的使用经验。而在核电厂中，除采取了以上措施以外，还采用了以下方式来防止汽蚀的产生。
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1）采用闭阀启动的方式
根据有效汽蚀余量NPSHa、必须汽蚀余量NPSHr与流量的关系：NPSHa随流量增大而减小，NPSHr随流量增大而增大，两条曲线相交的点即为临界汽蚀状态点。正常工作状态下，泵工作在其安全区（临界汽蚀状态点左边），但是当其在启动状态时，若出口阀全开，其有可能会出现过流现象，导致泵处于汽蚀区（临界汽蚀状态点右边）工作，使泵存在汽蚀的风险。因此，在核电厂中，部分泵启动前，均采用了闭阀（出口阀）启动或小流量管线打循环启动的方式，防止其在启动的瞬间过流，在其运行稳定后切至正常工作流量，防止泵被汽蚀。
2）对传输介质加压
众所周知，液体汽化的温度与压力有关，压力越高，其汽化温度就越高。因此，相较于控制液体的温度来说，提升输送介质的压力是防止汽蚀产生较合理有效且科学的方式。
比较典型的有一回路的反应堆主冷却剂泵（下文简称“主泵”）。在核电厂中，主泵的输送流量最大（名义流量23790m3/h），系统管路的安装特性决定了其有效汽蚀余量必须由介质本身的压力来保证。在某二代堆型核电厂中，主泵的启动条件中均设置有最低启动压力，即仅当一回路介质压力达到某一压力平台（NPSHa＞NPSHr）以上时才可以启动主泵。
对于工业生产来说，设备或系统不但要能满足长期满负荷稳定工作的工况，还要能在瞬态时保证设备，机组的安全稳定。比较典型的就是核电厂中的除氧器，其与各常规火电、热电厂一致，基本上处于汽轮机厂房的最高安装位置，以提供主给水泵较大的倒灌高度，增加有效汽蚀余量值NPSHa。此外，其在正常工作时抽取高压缸排汽提供除氧器进行除氧及加热给水，因此，其工作压力在不同功率平台有着不同的值，随机组功率滑压运行。而当机组处于功率骤降瞬态时，高压缸排汽骤减，低温凝结水的进入加剧了除氧器压力骤降，对主给水泵的运行产生了风险。因此，在除氧器压力控制的逻辑系统中设置了一套保压逻辑，当其压力下降的速率大于某定值时，将开启主蒸汽管道抽汽管线，用以维持除氧器压力，防止主给水泵汽蚀[2]。
3）控制连锁
虽然在各方面增设了各种措施以防止泵发生汽蚀，但核电厂中设备繁多，若泵在运行中发生汽蚀，无法及时监测到其产生汽蚀或监测到其产生汽蚀后未能及时停止设备，将对设备及系统造成较大的影响，轻者泵损坏，重则系统瘫痪、机组减负荷跳堆跳机等,出于核文化中的保守原则考虑，在部分泵的逻辑中加入了汽蚀信号跳泵的逻辑[3]。根据泵的运行特性，当其某一输送流量值下的差压降到安全定值下时，将产生汽蚀信号，作用于泵的停运逻辑，将泵停运。其他的还有诸如通过监测吸入口液面液位来控制泵的停运的，当其液位降至危险值，可能会导致泵发生汽蚀时，液位开关SN触发相应停泵指令。在承担重要功能的泵中，此类SN仅承担报警功能，作为泵运行参考信息反馈给电站操纵员判断，根据实际紧要情况确定是否停泵。
4、结束语
综上所述，核电厂在防止汽蚀的产生中，除了采用常规采用的措施之外，还采用了更多科学有效的措施来避免泵在运行时产生汽蚀，防止对设备、系统造成损伤。在以后的将来，必将有更多的抗汽蚀材料研发出来，更科学有效的方法用来防止汽蚀的产生，使泵类在工业生产应用中越来越广泛。
参考文献：
[1]何川、郭立君.泵与风机[M].北京.中国电力出版社,2008
[2]范超.AP1000核电厂主给水泵有效气蚀余量控制方法[J].科技视界
[3]罗传杰、漆向前、周琦. 核电站凝结水泵气蚀保护的改进[J].广东电力,2011
论文作者:李谢斌,张文
论文发表刊物:《电力设备》2018年第5期
论文发表时间:2018/6/21
标签：叶轮论文; 核电厂论文; 余量论文; 压力论文; 流量论文; 设备论文; 工作论文; 《电力设备》2018年第5期论文;