水環式真空泵汽蝕問題及消除汽蝕措施分析

李俊宏

摘要：對于水環式真空泵而言，其運行過程中通常會出現水溫過高而導致汽蝕問題，進而對設備的運行造成不良影響。水環式真空泵在新建大功率設備、機組中的應用有著較大優勢，所以消除水環式真空泵的汽蝕問題有著十分重要的現實意義。基于此，文章通過讀相關文獻研究以及結合筆者多年工作經驗情況下，首先就水環式真空泵發生汽蝕的原因展開分析，然后結合真空泵的運行原理探討了消除水環式真空泵汽蝕的有效措施。

關鍵詞：水環式；真空泵；汽蝕；原因分析：消除措施

在符合標準設置的要求下以及在設計范圍之內，真空泵得以正常地運行。而若是真空泵機組處于長期滿負荷運行狀態，又或者是在夏季時冷卻系統中的水溫過高或者流量過小，都會造成真空泵散熱不良的問題，此時真空泵處于高真空狀態，且極為接近憋死狀態下運行，不利于真空泵的穩定運行。就物理原理分析，基于一定水溫，真空的程度越高，水溫也就會越高，真空泵內的水發生同時會生成大量氣泡，而氣泡在形成與破裂的過程中，將會使葉輪發生汽蝕性損傷，對葉輪的平衡運行造成破壞，進而導致真空泵體發生劇烈振動，使得壓力開關、氣門反饋裝置以及壓力真空表等真空泵附屬設備發生損壞，并且產生極大的汽蝕噪聲，不利于真空泵的安全運行，進而導致汽輪發電機系統的運行癱瘓，甚至會引發嚴重的安全事故。

一、水環式真空泵的工作原理

在泵體內盛入適量的水充當工作液作用，在葉輪發生旋轉過程中，在離心力的作用下，使得真空泵內部產生一個接近泵腔厚度的封閉式圓環，泵腔的形狀決定了圓環的大小與形狀。對于水環的位置以及與葉輪的聯系主要是其上部分內表面相切語葉輪輪轂，其下部分內表面與葉片頂端發生接觸，通常是葉片有一部分插入水環內。因為葉輪偏心形態，所以使得葉輪輪轂和水之間，形成了月牙形狀的空間，而葉片將這一空間分成了干個小腔，水環與葉片發生相對運動，導致了相鄰葉片之間的空間容積發生規律的周期性改變。空間容積發生由小變大過程中氣體則由外界吸入；當容積出現由大變小時，空間力的氣體受到壓縮，當壓力比外界的大氣壓略高時，氣體從水中分離出來，然后排到分離器中，分離出的水經過冷卻系統的冷卻作用后，在真空泵自吸作用下從泵殼下方進入泵內。

另外，將一級前置抽氣器以串聯的方式置于水環式真空泵進口管道上，使用空氣作為前置抽氣器的工作介質。凝汽器中形成真空前，水環式真空泵直接通過泵組的進氣口，隔離閥門氣口，以及抽氣器旁邊的閥口，向凝汽器進行抽真空，此時應關閉抽氣器空氣隔離閥。若是真空泵組的進口隔離閥前的真空狀態形成一定程度，此時前置抽氣器空氣進氣隔離閥則會自動地進行開啟，同時在旁邊的隔膜閥會自動關閉，前置抽氣器進入了串聯的工作狀態。

二、大氣噴射器的設計原理

大氣噴射器運作原理是，在水環真空泵啟動之后，噴嘴進、排氣口間出現壓力差，空氣經噴嘴進入到泵內，若是壓力差到達大氣壓強的一半時，空氣在經過噴嘴的收縮段時得到了大幅提速，到達喉部時獲得了初步加速，在擴張段獲得進一步加速，可達到聲速，之后加速后的空氣介質射向擴散器，形成高速空氣介質流，同時導致吸氣室內壓力低于被抽容器內的壓力，此時被抽容器內的氣體在壓力作用下進入吸氣室。兩股介質混合后發生能量交換，動力能損失的空氣介質速度慢慢減小，在壓力作用下進入擴散器喉部，速度降低到聲速以下，進入護張段時速度進一步降低，同時壓力也在不停提升，最終達到大氣噴射器對于排氣壓力的要求，此時水環泵將氣體吸入泵內再排出泵外，這就完成了吸氣與排氣的整個過程。

三、水環式真空泵汽蝕原因分析

當真空泵出現異常導致運轉停止時，蒸汽外泄使泵內工作水溫迅速增加至接近沸騰，同時生成大量氣泡。氣泡的形成至破裂的過程都會對引發葉輪形成汽蝕性損壞，使葉輪的動平衡遭到破壞進而導致泵體發生劇烈振動，使真空泵的附屬設備遭到破壞，同時造成極大汽蝕問題。隨著真空狀態的提升，泵內壓力不斷降低，振動與汽蝕問題進一步加劇，導致水環不斷增大，大幅增加了葉片負荷，極易導致葉片斷裂，尤其是葉輪鑄造存在缺陷之處特別容易發生葉片斷裂。

本次發生汽蝕現象的主要原因是由于蒸發器停車，使得蒸汽閥門發生內漏，蒸汽經抽氣管道進入到真空泵內，水環真空泵內剩余的水溫度快速升高，負壓蒸發系統再次啟動時水溫進一步升高至沸騰，形成大量氣泡，真空泵在葉輪帶動下進入到高壓壓縮腔體內，氣泡擠壓破裂進而造成葉輪氣蝕損壞。

四、消除措施

鑒于此次氣蝕發生的原因是由于蒸汽發生內漏，使得真空泵剩余的工作液溫度升高，下次啟動時水環真空泵內的工作液的溫度在短時間內快速升高，直至沸騰。因此，通過改變控制程序，在真空泵再次啟動之前置換掉真空泵內剩余的高溫工作液，真空泵再次啟動時工作液發生由于溫度過高而產生氣泡，導致葉輪汽蝕的問題。

五、具體操作步驟

當水環式真空泵啟動后，壓力開關對泵內壓力測量值小于10kPa的情況下（具體的參考壓力值可結合季節不同情況下的運行情況進行設定），關閉大氣噴射器的切換閥，開啟大氣噴射器的驅動氣動閥，此時大氣噴射器處于運行狀態。當泵內壓力大于14kPa時，先關閉驅動氣動閥，再開啟切換閥，此時大氣噴射器處于停車狀態。不用改變原來機組中，針對泵組抽汽氣動蝶閥壓力、壓差開關設定值。

六、改造結果

通過以上改措施造，避免了水環式真空泵汽蝕問題，軸承處的振動幅度與噪聲都明顯降低，延長了真空泵的使用壽命。經過改造措施之后，葉輪運行良好，沒有出現振動過大、溫度過高以及葉片斷裂問題。對于高真空階段的泵組抽氣性能而言，加裝大氣噴射器之后其性能明顯較單泵更好，同時能夠使得凝汽器真空保持在較為理想的水平（2～6kPa），使得機組的帶負荷率的提高有了較為良好條件。大氣噴射器安裝之后，降低了汽蝕引起的振動對葉輪表計以及軸承等其他附屬的損傷，使得泵的檢修周期與使用壽命得到了有效延長，大大節約了維護成本。同時提高了水環式真空泵的穩定性與安全性。

七、結束語

水環式真空泵發生汽蝕問題，振動故障會導致葉輪葉片出現裂紋、斷裂，導致真空泵運行故障，對機組安全穩定運行造成不良影響。通過加裝大氣噴射裝置進行改造之后，大大降低了真空泵軸承振動幅度與頻率，降低了運行過程中的噪音影響，避免可出現葉片斷裂故障，此外還可以通過提高機組的真空狀態降低能耗。通過改造措施使得真空泵軸承、葉輪的使用壽命與運行穩定性得到了大幅提升，此外還延長了真空泵及輔助設備的檢修周期，大大節約了維護成本。

參考文獻：

[1]吳世恩.水環式真空泵汽蝕的原因分析及消除措施研究[J].建筑工程技術與設計，2017.

[2]張斌仉國明，戈春鵬武翔.水環式真空泵汽蝕原因分析及改造措施[J].河北電力技術，2012.

[3]吳世恩.水環式真空泵汽蝕的原因分析及消除措施研究[J]. 建筑工程技術與設計，2017.