变频给水泵小流量并联运行发生汽蚀的分析

解海龙，李海强，刘 袖，房子俊

(东北电力大学能源与动力工程学院，吉林吉林132012)

吉林省某电厂由于以热定电的负荷特点，使机组经常在偏离额定工况较多的情况下运行，并且采暖期负荷调节频繁。由于给水泵的扬程(7.99 MPa)远大于汽包的压力(5.83 MPa)，原调节方式为电动调节阀节流调节。

针对这种情况该厂母管制给水系统进行了变频改造，采取变频调节方式。该厂共4台DG85-80×10多级离心给水泵(其中一台备用)，1-3号给水泵工频运行，4号给水泵变频运行。进行变频改造后节能效果明显，但是运行一段时间之后发现变频泵运行时有振动现象并伴有较大噪音。初步判断泵发生了汽蚀，检修时发现变频泵叶轮及导叶损坏严重，确实发生了汽蚀。针对上述情况本文采用CFD软件Fluent对泵内流场进行研究。采用变频调节时，节流阀开度随频率的降低逐渐增大，母管压力逐渐降低，工频泵的流量将逐步增加，母管总流量保持不变，变频泵的转速、流量和扬程随频率减小都将下降;当频率降低到一定程度，变频泵的扬程小于工频泵时，变频泵的流量将会降为零。而此过程中当水泵流量小于最小允许流量时，叶轮仍以交高转速旋转，这种情况下水泵极易发生汽蚀。汽蚀会使水泵的各项参数下降，能耗增加，更严重的是会损坏水泵，见图1。

图1 叶轮汽蚀破坏

1 模型的建立

1.1 水泵参数:

叶片数为6片，径向式导叶，实际运行时的流量75 t/h，进口水温104℃，必须汽蚀余量NPSHr=4.5 m。

1.2 建立模型

以该热电厂母管制运行的锅炉给水泵的变频泵为研究对象，根据水泵的几何参数，应用Solidworks三维绘图软件进行建模，见图2剖面图。

选取给水泵的首级为研究对象，将实体模型另存为.stp格式导入Fluent前处理器Gambit对模型进行处理，为减少边界条件对计算结果的影响，对水泵的首级的进出口计算区域进行了延伸［1］，采用四面体非结构化网格对模型进行网格划分，合计网格数量2 189 579，见图2。

1.3 控制方程及算法

本文用Mixture汽蚀模型，应用压力基求解，所用求解器的基本方程是三维不可压缩N-S方程，湍流模型采用RNG型k-ε模型。压强-速度关联算法选择SIMPLEC格式，由于模型较为复杂，适当的减小亚松弛因子以确保曲线收敛。离心泵中的流动，可认为是绝热过程，不考虑能量守恒方程，只求解质量方程和动量方程即可［2］。

图2 水泵模型剖面图

1.4 滑移网格技术和边界条件设置

使用滑移网格模型(Sliding mesh)求解给水泵的汽蚀问题。水泵入口采用速度入口边界条件，出口为压力边界条件，湍流参数的指定方式采用湍流动能和湍流耗散率。由水泵的相似定律确定不同频率下的水泵的转速，通过改变进口速度大小以及叶轮的转速大小来模拟给水泵在不同工况下的流场分布。当流量为0时，将入口流速设置为0。

1.5 并联运行的特点

图4中，曲线M/N为各水泵单独运行时的特性曲线，曲线M+N为两台泵都在工频下并联运行时的特性曲线。R为管路特性曲线，虚线n1、n2、n3分别是变频泵在不同转速下的特性曲线。n3为变频泵的最小允许转速对应的性能曲线，如果频率继续降低，转速继续减小，变频泵的出口压力就会小于母管压力，无法向外输出流量，假设为曲线n4。此时两泵并联运行时的性能曲线就相当于单台水泵运行时的曲线，即n0曲线。变频泵只消耗功率没有流量输出，其效率降到最低，在此状态下运行水泵极易发生汽蚀。实线n1、n2、n3分别是变频泵在不同的转速下与工频泵并联时的特性曲线。

图3 流场模型及网格划分

图4 变频调节并联运行特性曲线

额定工况下两台水泵并联运行时工作点C的流量是QC，两台水泵的工况点都为D，流量为QD，转速为n0。负荷较小时工频泵单独运行，其工况点为A;随着负荷增加，单台水泵的输出已经不能满足锅炉需求，此时变频泵和工频泵并联运行，工频泵正常工作，变频泵转速随频率在可调节范围依次由n1、n2、n3进行调节，则并联工况点依次为1、2、3，总流量依次减小。此时，变频泵的工况点依次为4、5、6，其流量依次减小，工频泵的工况点依次为9、8、7，由于母管阀门不断打开，母管压力有序降低，造成工频泵流量依次增加。

变频泵工况点分别为D、4、5、6，因此需要考虑各工况运行时，给水泵的稳定性和效率;工频泵工况点分别为D、7、8、9、A，同时也要监测电机是否过载。采用“一变多定”的调节方式时，更要严格控制变频泵的调速范围［3］。当调速范围过大频率过低时，母管阀门开度增大，母管压力降低，致使工频泵流量过大，则变频泵流量则会相应的减少，水泵在小流量高转速运行时，容易发生汽蚀现象，这也是本文重点讨论的方面。

2 计算结果与分析

冬季负荷较高时，负荷变化时，变频泵通过变频调节来满足锅炉需要，水泵在47 Hz以上频率时根据相似定律可知水泵出口压力均大于母管压力，可以向母管输出流量。给水泵在47 Hz运行时的叶轮压力分布和速度分布，如图5所示。

图5 叶轮压力和速度分布

水泵流场内部压力全部在汽化压力以上，不会发生空化现象，在47 Hz以上频率下给水泵可以安全运行，不会发生汽蚀。

根据相似定律:

式中:D为几何尺寸;n为转速;η为流动效率。

水泵扬程之比与水泵几何尺寸比的平方成正比，与转速比的平方成正比，与流动效率的一次方成正比［4］。因此，变频泵在不同频率运行时其扬程只与转速有关。当变频的转速随频率而下降时，扬程降低，同时母管调节阀逐渐打开，导致母管压力降低，工频泵流量增加，由于锅炉负荷不变，变频泵则减小相应的流量。当流量降低到水泵的最小允许流量，这时水泵运行极易发生汽蚀。当频率下降到某一值时变频泵的扬程小于母管压力时便不再有流量输出，此时水泵只消耗功率而不输出流量。

非采暖期，当频率为46.1 Hz时，扬程为6.82 MPa，母管压力为6.83 MPa，此时变频泵的扬程已经小于母管压力，将不再输出流量。若再增加阀门开度，汽包水位已有明显下降趋势。其实，当水泵的流量减小到一定程度时，水泵的流道内的局部压力已经降低到汽化压力以下，便发生汽蚀。

当频率变化时变频泵的流量为5t/h的压力分布图形，见图6。从图中可以看到，在小流量运行时，水的压力在叶轮进口处最低，在叶轮出口处达到最大，并且叶轮的工作面的压力大于背面。水泵在这种工况下运行，局部的压力已经低于了水的汽化压力，水泵已经发生了汽蚀［5-12］。

除了叶轮进口处，在叶轮出口处也有一部分低压区，该处的压力同样也低于了水的气化压力，此处也发生了汽蚀。工质的压力在叶轮出口处的值应该是达到最高，但是此处却出现了低压区，这正是由于工质从叶轮流出后，流向导叶进口的过程中，水的流线和导叶进口的叶片形状存在一定的角度偏差。水从叶轮流出后进入导叶时，产生了二次流，从而在叶轮出口和导叶进口处的形成了一个漩涡，见图7。

图6 汽蚀时压力分布

图7 流道内速度分布

由于此漩涡的存在，使局部压力降低，当汽泡产生后，周围的压力远高于当时水温的汽化压力，因而汽泡迅速溃灭［13-16］。也正因为在此处汽泡生成和溃灭的过程反复进行，使叶轮和导叶间的间隙不断有水流反复高速流动，在此过程中有形成了间隙汽蚀，这是造成叶轮外表面损坏严重的原因。

4 结 论

(1)变频泵和工频泵并联运行时，试验证明可以有效减少能源浪费，一台泵不能满足需求时，两台泵又有富余量，采用该调节方式可获得较好的节能效果。

(2)要根据机组不同负荷确定最佳的频率，调节范围过大时，会导致水泵的流量已小于最小允许流量，流量越小效率越低，同时有汽化发生，水泵损坏严重，增加维护量，使用寿命也将大大缩短。

(3)当水泵叶轮的出口发生汽蚀时，会损坏叶轮和导叶，由于空化的反复发生，使水泵叶轮和导叶之间的间隙处有水流过，水流经此处时流速很高，造成了叶轮和导叶的间隙处的汽蚀，损坏非常严重。

(4)为了避免汽蚀损坏水泵，可在水泵进出口间加装回流旁路，调节范围偏大时，可以考虑将再循环阀打开，使水泵保持一定的最小流量，但这样做水泵的能耗将增加。

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