什么是离心泵的 NPSH及解决方案

制造商通过用水对泵进行稳态测试来确定泵的必需NPSH（NPSHr），单位为英尺绝对值。NPSHr随着流量的增加而增加，通常表示由于汽蚀导致泵扬程下降（输出损失）3%的点（称为NPSH3）。遗憾的是，制造商有时会使用1%或0%的标准，有时泵的NPSHr曲线包括制造商的裕量。如果你的NPSHr曲线的依据不明确，应要求制造商澄清其代表的意义。

如果要求泵在不产生任何汽蚀损失的情况下提供全部设计流量，则NPSHa必须超过NPSHr适当的裕量：NPSHa ≥ 裕量 x NPSHr。补偿3%扬程下降所需的裕量可按下式计算：

其中，泵的最大流量（Q_FW） 时泵的NPSHr曲线的斜率为 ∆H/∆Q。该裕量通常约为1.2倍。

美国国家标准协会（ANSI）/水力学会（HI）标准 ANSI/HI 9.6.1-2017“Rotodynamic Pumps Guideline for NPSH Margin"根据泵的使用情况给出了使用裕量的建议。此外，一些工程公司根据他们的经验针对不同的应用使用不同的裕量。例如，在确定 FW 泵的尺寸时，设计点的裕量可能为1.8，最大运行点（Runout点）的裕量为1.5。

请注意，裕量建议并没有考虑特别的运行工况或设备布置。如果设计中存在不确定因素，可能会增加瞬态汽蚀的可能性，则需要更大的裕量。在检查是否有足够的NPSHa时，请使用适用于泵服务的最大裕量。

当NPSHa表达式中的变量在泵运行状态之间的转换过程中发生变化时，就会出现NPSH瞬态。由于变量通常不会以相同的速率变化，因此NPSHa可能会在转换期间暂时降至NPSHr以下。

从理论上讲，任何液体泵都可能出现NPSH瞬态变化。不过，泵送低压、高温液体的系统最有可能出现这种问题。例如：

■ 从装有高温水的低压除氧器储罐中抽吸的FW泵，在汽轮机降负荷期间极有可能经历NPSH瞬态。

■ 在联合循环（CC）电厂中，除氧器配置有很多种。有些没有单独的除氧器，而是依靠冷凝器进行除氧。有些除氧器在真空条件下运行。许多电站都有一个与热回收蒸汽发生器（HRSG）集成的除氧器，其中除氧器蒸汽来自低压蒸汽包，而不是汽轮机。有些装置使用从中压蒸汽包中提取的固定蒸汽作为备用蒸汽供应，供汽轮机抽汽压力低时使用。由于HRSG是比汽轮机更稳定、更可靠的除氧蒸汽源，因此只要HRSG操作正确，CC FW 泵通常不太可能经历NPSH瞬变。

■ 加热器疏水泵运行时NPSHa很小且温度较高，因此易受瞬变影响。

■ 冷凝水泵输送来自冷凝器热井的低压高温冷凝水。它们通常不易受瞬变影响，因为热井中的大量冷凝水可稳定温度、压力和液位波动。此外，通常使用立式筒袋泵来提供足够的NPSHa所需的浸没深度。

从20世纪50年代到70年代，I.J. Karassik和G.S. Liao等著名的泵研究人员一直在关注FW泵中 NPSH瞬态形成的问题。康奈尔大学的Rodney S. Thurston于1961年撰写了一篇美国机械工程师协会（ASME）论文，题为“Design of Suction Piping and Deaerator Storage Capacity to Protect Feed Pumps"。在论文中，Thurston推导出了一个简单的表达式，用于评估FW泵对NPSH瞬态的敏感性。

Thurston并未详述推导的细节，但他表明，如果在除氧器中储存了低质量的FW，就不会发生NPSH 瞬态汽蚀。通过重新排列他的公式，可以定义一个“瞬态系数"（F_T），其值等于或大于1.0表示可以接受的设计。该公式为：

液体比容是瞬态开始时除氧器内饱和压力的函数。高P₁值将给出更保守的解决方案，因此，通常使用安全阀压力。

进入除氧器的最小冷凝水焓值（h_C）对解决方案至关重要。进入除氧器的冷凝水温度越低，压力衰减越快。假设一些低压（LP）FW 加热器在瞬态开始时停止工作，会给计算结果增加一些缓冲。Thurston建议使用温度低的FW加热器的出口焓。

如果计算出的瞬态系数小于1.0，则基于更少简化假设的更严格评估可能会表明设计是可接受的。执行此评估的一些技巧如下：

■ 使用管道流动建模程序来确定管道流动压力损失。

■ 使用电子表格收集数据并进行NPSHa计算。列中应包含计算瞬态时间内NPSHa所需的参数。

■ 电子表格行应表示时间的递增，并应涵盖瞬态的整个持续时间。一些流动建模软件具有通过组合多个稳态运行的结果来模拟时间的功能。这种软件功能可以消除或减少电子表格所需的计算。

■ 蒸汽属性函数可用于许多商业电子表格程序，用于简化工作。

■ 代表瞬态前后存在的静态运行条件的输入数据应与项目热平衡一致。

■ 输入构成NPSHa的每个变量在瞬态期间如何变化的描述。理想情况下，变化率应基于实际瞬态期间收集的仪器数据。但是，如果没有数据，则需要做出假设。这通常包括假设除氧器中的液体焓衰减遵循指数函数。

■ 绘制NPSHa和NPSHr在瞬态过程中的变化情况，以证明始终存在足够的裕量。

■ 瞬态开始时吸入管中的FW体积在通过系统时保持恒定的蒸汽压力。

■ 离开除氧器的所有FW都是饱和液体。

■ 进入除氧器的冷凝水流量等于FW流出量，并且是恒定的。

■ 除氧器中的所有流体混合。

■ 瞬态期间，不会有抽取蒸汽流向LP FW加热器或除氧器。

■ 瞬态期间，不会有FW再循环或高压加热器排液流入除氧器。

■ 忽略泵、管道、除氧器和FW加热器金属体的保温。

关于最后一个假设，补充几句话可能会有所帮助。停机后，泵的金属体往往会储存热量。因此，它所含的FW的温度（和蒸汽压力 H_VPA）将高于除氧器中的FW温度。当泵重新启动时，吸入口的压力会突然下降，热的FW可能会闪蒸成蒸汽。这与NPSH瞬态不同，因为压力变化是由泵引起的，因此被称为“热启动"瞬态事件。

如果在高海拔地区有较长的水平吸入管道，则可能会发生额外的蒸汽闪蒸情况。这些管道容易发生闪蒸，因为没有增加静压头来补偿除氧器中的压力衰减和FW通过管道时发生的摩擦损失。避免以这种方式布置管道。

最常推荐的防止FW泵瞬态（瞬变）的方法是通过冷却泵入口处的FW或增加除氧器压力来消除泵和除氧器之间的蒸汽压力差。

泵入口冷却。通过在泵入口附近注入少量较冷的冷凝液可以增加NPSHa。可靠、最冷的冷凝液来源是冷凝器热井。可以安装旁通管线（旁路）以从热井中抽取一部分（约 10%）冷凝水来冷却泵入口。混合后所需的最小流量（Q_B，lb/min）和新泵入口温度（T_FW，°F）为：

其中T_B是旁通源的温度，T₁是瞬态前吸入管中饱和FW的温度。

控制系统可以设计为监测除氧器和泵入口压力，并在需要时旁通足够的冷凝水，以充分降低泵的蒸汽压力，从而为NPSHr留出裕量。其它控制选项也是可能的。例如，一个更简单但不太准确的系统是使用一个旁通阀，该旁通阀带有一个全开/全闭执行机构，可响应控制抽汽流向FW加热器的汽轮机信号相同的信号。旁通将是一个低温低压系统，可以使用标准壁厚的碳钢管道。

此选项的主要缺点是它会增加FW中的氧气含量。为了最大限度地减少这种影响，旁路的设计应只考虑必要的最小流量。另一个问题是确保冷凝水的注入不会引起过高的热应力。如果可能的话，应将注入点与泵保持安全距离，并在吸入管中安装静态混合器以确保的热混合。混合器的压头损失不得过高，因为摩擦损失会降低NPSHa。

除氧器压力控制。瞬态的起始原因是抽汽损失造成的除氧器压力下降。可以通过向除氧器提供额外的蒸汽来补偿抽汽损失，以增加泵的NPSHa。蒸汽包或再热系统可用作补充蒸汽源。

控制系统可以设计为监测除氧器内部压力和泵入口压力。补充蒸汽供应管线上的减压控制阀只能根据需要注入足够的蒸汽以维持除氧器的压力。此选项没有泵入口冷却方案的含氧水、热冲击和压降等缺点。

该选项的缺点是需要适用于蒸汽服务的坚固组件。控制阀上的压降也会非常高，需要使用严苛检修阀。控制系统将比入口冷却选项所需的控制系统更复杂。例如，在负荷减少的情况下，必须允许除氧器压力最终降至与新负荷相关的水平。此外，当FW系统运行时，补充蒸汽源也必须处于运行状态。

附加选项。以下选项是可靠的，因为它们不依赖于控制系统的运行。但是，它们可能难以在现有安装中实施且成本高昂，或者只能提供适度的NPSHa增加。无论如何，遇到的每种情况都会有所不同，因此请记住以下备选方案：

泵规格。确认泵NPSHr曲线的基础。询问制造商所使用的汽蚀水平基础，以及是否包括制造商裕量。请制造商确定对泵进行改造的可行性，例如增加一只诱导轮或改变叶轮材料以增加其抗汽蚀能力。考虑降低泵转速以降低NPSHr。

减小吸入管直径。减少吸入管中储存的FW质量将有利于减少停留时间。但遗憾的是，这会增加管道的流动阻力。然而，研究表明，管道尺寸略有减小，通常是利大于弊。

增加储存在除氧器中的FW量。除氧器中的大量FW会储存热量。增加质量会减缓压力和焓的衰减速度。增加除氧器的储存容量通常比减小吸入管道尺寸更有利。如果无法增加储存容量，请尝试提高低水位。

提高除氧器高度或降低泵的安装高度。在新工厂设计中，通常将除氧器放置在泵上方尽可能高的位置，以最大限度地提高泵吸入口处的静压头。遗憾的是，重新安置现有的除氧器不太现实。

减少吸入管的长度。通过减少管道压降可以增加NPSHa。此外，减少管道长度可以减少管道中的FW体积，从而减少瞬时停留时间。尝试重新布置吸入管道以减少其长度、阀门数量和急弯。在可能的情况下，用45 度向下倾斜的管道代替水平管道。

增加一台增压泵。安装在FW泵上游的低速、低扬程、单级增压泵将增加其NPSHa。然而，增压泵也容易受到NPSH汽蚀的影响。因此，它还需要对其进行瞬态评估。