曹繼學(xué)，郭棉明，錢曉慧，周 尚，范家兵

（1.中國長江三峽集團(tuán)有限公司流域樞紐運(yùn)行管理中心，湖北宜昌 443100；2.枝江鴻巨船舶制造有限公司，湖北枝江 443200）

0 引 言

離心泵具有流量均勻、運(yùn)轉(zhuǎn)可靠和維護(hù)方便等特點(diǎn)，廣泛運(yùn)用于農(nóng)業(yè)、石油化工、市政給排水工程中，離心泵吸入管道規(guī)范安裝是保證離心泵正常啟動(dòng)和穩(wěn)定運(yùn)行的前提。《風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)、泵安裝工程施工及驗(yàn)收規(guī)范（GB50275-2010）》附錄C.01 第6條規(guī)定：離心泵水平吸入管道應(yīng)向泵的吸入口方向傾斜，斜度不應(yīng)小于5‰，但未給出條文說明。行業(yè)研究多集中于泵殼內(nèi)氣、液兩相運(yùn)動(dòng)規(guī)律與泵本身性能的研究，鮮有關(guān)于離心泵吸入管道氣、液兩相運(yùn)動(dòng)規(guī)律，以及傾斜程度與離心泵工作性能的研究。

以三峽水庫為水源的給水工程，因庫水位變化頻繁且變幅大，離心泵的水平吸入管道漂浮于水面，保證規(guī)范要求的傾斜角度和順直，難度大、代價(jià)高。本文結(jié)合工程實(shí)踐詳細(xì)描述了吸入管道超規(guī)范安裝導(dǎo)致離心泵無法正常啟動(dòng)的現(xiàn)象，通過計(jì)算和試驗(yàn)排查原因，總結(jié)分析了離心泵啟動(dòng)前后吸入管道中氣、液兩相運(yùn)動(dòng)規(guī)律，闡明了離心泵無法啟動(dòng)的原因，并在不改變吸入管道起伏不平狀態(tài)的前提下，成功解決了問題，驗(yàn)證了本文的研究成果。

1 研究背景

三峽工程是治理開發(fā)長江的關(guān)鍵性骨干工程，汛前水位下落至防洪限制水位145 m，汛末蓄水至175 m，年內(nèi)庫水位浮動(dòng)達(dá)30 m。為適應(yīng)大水位變幅，移動(dòng)式取水纜車是三峽水庫沿岸常用的給水解決方案，見圖1所示。

圖1 三峽水庫大型取水纜車（高程145 m和175 m）示意圖Fig.1 Large cable car for water-intake in the Three Gorges Reservoir（water level 145 m&175 m）

汛期近壩區(qū)域會(huì)聚集大量漂浮物，年均約8 萬m3（其中2020年達(dá)38 萬m3），壩前漂浮物厚度達(dá)3 m。漂浮物經(jīng)常堵塞取水口導(dǎo)致取水纜車無法正常工作，故采用浮船接長離心泵吸入管道，以避開漂浮物。

浮船受力與壩前復(fù)雜水流流向相關(guān)，而纜車的自由度受軌道限制，為有效調(diào)整纜車的受力，避免纜車脫軌，兩者之間采用DN400 波紋軟管連接。波紋軟管用浮力跳躉間隔支撐，充水之后軟管高低起伏，無法達(dá)到規(guī)范要求的順直和傾斜角度，見圖1所示。

纜車未安裝延長管前，離心泵可正常取水，但安裝后無法正常工作。啟動(dòng)過程如下：第一步排空吸入管道（灌引水和抽真空兩種方式），隨著水量增加，跳躉間波紋軟管逐漸沉入水面，待真空度表計(jì)數(shù)接近-0.1 MPa 后停止排空；第二步啟動(dòng)離心泵，出口段壓力表讀數(shù)至0.52 MPa，穩(wěn)壓約15 s 后，逐步開啟多功能水泵控制閥，一旦多功能水泵控制閥開度達(dá)到1/8 左右，運(yùn)行電流增至400 A（超額定工況2 倍），出口水壓力驟降至0 MPa，保護(hù)啟動(dòng)，泵機(jī)自停，延長管浮出水面。

離心泵是利用葉輪旋轉(zhuǎn)而使水發(fā)生離心運(yùn)動(dòng)來工作的。在泵內(nèi)充滿液體的情況下，葉輪旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生離心力，液體在離心力的作用下由葉輪中心向外運(yùn)動(dòng)，獲得一定的能量，并快速地離開葉輪外緣進(jìn)入泵殼內(nèi)［1］，葉輪中心形成真空，在大氣壓力的作用下，液體通過管路進(jìn)入泵內(nèi)，如此離心泵可循環(huán)吸入和排出液體。

電流激增，壓力驟降，說明離心泵失壓空轉(zhuǎn)，導(dǎo)致此故障的原因有兩種：①氣蝕問題：吸入管道長度延長，水頭損失增加，離心泵安裝高度超限，液體氣化，堵塞流道；②氣縛問題：泵內(nèi)吸入較多空氣，由于空氣密度很小，不能拋到葉輪外緣，堵住葉輪部分或全部流道。

2 離心泵安裝高度復(fù)核

離心泵是利用大氣來工作的，大氣壓強(qiáng)減去安裝高度、水頭損失的余量必須大于氣蝕余量，才能有效避免氣蝕現(xiàn)象［2］。氣蝕現(xiàn)象產(chǎn)生原因是，泵的安裝高度過高，使泵內(nèi)壓力等于或低于輸送液體溫度下的飽和蒸汽壓時(shí)，液體氣化，氣泡形成、破裂，引起剝蝕，此時(shí)液體因沖擊而產(chǎn)生噪音、振動(dòng)，將導(dǎo)致流量減少，甚至無法排液。

離心泵允許安裝高度［3］計(jì)算公式如下：

式中：[Hg]為泵的允許幾何安裝高度，m；Hj為局部水頭損失，m；Pe為吸水水面壓力，Pa；Hf為沿程水頭損失，m；Pv為飽和蒸汽壓力，Pa；vi為吸水管液體流速，m/s；ρ為流體的密度，kg/m3；ξi為局部水頭損失系數(shù)；g為重力加速度9.81 m/s2；λi為沿程水頭損失系數(shù)；［NPSH］為水泵汽蝕余量，m；Li為吸水管管長，m；Hw為吸入管的水頭損失，m；di為吸入管管徑，m。

本工程選用離心泵品牌為上海東方泵業(yè)，型號(hào)DFSS250-6/4B，主要設(shè)計(jì)參數(shù)如表1。

表1 離心泵設(shè)計(jì)參數(shù)表Tab.1 Main design parameters of centrifugal pump

不銹鋼底閥閥板厚4 mm，底閥局部水頭損失根據(jù)重力平衡計(jì)算為0.027 7 m。經(jīng)復(fù)核計(jì)算，延長水管產(chǎn)生的沿程和局部水頭損失十分有限，合計(jì)僅為0.18 m；離心泵允許安裝高度限值的計(jì)算結(jié)果為：[Hg]= 6.59 m，遠(yuǎn)大于纜車離心泵的實(shí)際安裝高度4 m，可排除“因吸水水頭損失過大產(chǎn)生氣蝕現(xiàn)象”的情況。

3 離心泵氣縛原因分析

氣、液兩相流是離心泵實(shí)際運(yùn)行中較為常見的一種多相流，即純水流體中混入一定含量的空氣［4］。國內(nèi)眾多學(xué)者對離心泵的性能和泵殼內(nèi)部含氣率的關(guān)系進(jìn)行了研究，袁建平等［5］認(rèn)為含氣率達(dá)到10%時(shí)，會(huì)出現(xiàn)氣液分離現(xiàn)象，造成離心泵輸水性能急劇下降；隨著含氣率增大，靠近前后蓋板側(cè)的氣相濃度逐漸增大，靠近葉輪出口邊前蓋板側(cè)的氣相濃度增加較后蓋板更明顯，最終氣體可能會(huì)堵塞流道，出現(xiàn)氣縛現(xiàn)象。

離心泵內(nèi)混入氣體的原因，袁壽其等［4］、袁建平等［5］、陳佩賢［6］、謝聰［7］等認(rèn)為是離心泵進(jìn)口真空度過低和輸送管道漏氣，但均未給出詳細(xì)研究。本工程調(diào)試過程中，真空度表可達(dá)到設(shè)計(jì)值，且經(jīng)反復(fù)檢查未發(fā)現(xiàn)管道漏氣現(xiàn)象，說明泵內(nèi)氣體還有其他來源。為探明原因，設(shè)計(jì)了一套可視化試驗(yàn)裝置，即透明泵殼的離心泵（流量20 m3/h）連接30 m 長DN50 透明軟管，尾端連接單向排氣閥和底閥。試驗(yàn)分兩種工況：工況1灌引水（排氣閥開、關(guān)兩種情況），試驗(yàn)過程見圖2 所示；工況2 抽真空，試驗(yàn)過程見圖3所示。

圖2 工況1灌引水過程示意圖Fig.2 Condition1 filling pump with water

圖3 工況2抽真空過程示意圖Fig.3 Condition2 making pump a vacuum

研究泵內(nèi)氣體來源實(shí)質(zhì)是研究排空吸入管道過程中氣、液兩相運(yùn)動(dòng)規(guī)律，假設(shè)吸入管道中的氣體體積和質(zhì)量分別為V氣、m氣，液體分別為V水、m水。

工況一，尾端排氣閥開時(shí)，t1時(shí)水聚集于低陷處，t2時(shí)水翻過高位水管底部灌入水平段，V水和m水增加、V氣和m氣相應(yīng)減少，空氣通過排氣閥排出；t3時(shí)水平段水充滿后，空氣無法排出，t4時(shí)水持續(xù)灌入至充滿泵室，V水和m水增加、V氣減少但m氣不變，高位處形成有壓氣囊，壓力逐步增加，至與右側(cè)水壓相同，此時(shí)真空表讀數(shù)達(dá)到要求。如吸入管道尾部不排氣，則從t2階段開始，m氣不變，會(huì)形成更大的氣囊。

工況二，吸入管道真空度不斷增加，水不斷吸入管內(nèi)，t1時(shí)并聚集于水平段管，t2時(shí)水翻過高位水管底部流向低陷處，V水和m水增加、V氣和m氣相應(yīng)減少；t3時(shí)低陷處充滿水，高位處空氣無法抽出，t4時(shí)刻水持續(xù)流入至充滿泵室，與工況一相同，V水和m水增加、V氣減少但m氣不變，高位處形成有壓氣囊。

兩種工況下，吸入管道均會(huì)下沉，氣囊在高位處。此時(shí)開啟離心泵，泵室及豎直管內(nèi)的水體被抽走后，壓力釋放，有壓氣體擴(kuò)散，泵室含氣量超過臨界值，泵機(jī)失壓跳停，延長管浮出水面。

4 消除氣縛的措施研究

4.1 重復(fù)加引水法

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)氣囊數(shù)量N與管道起伏數(shù)量一一對應(yīng)，且啟動(dòng)水泵后，氣囊會(huì)隨著液體流動(dòng)，一旦到達(dá)泵室，水泵停機(jī)；繼續(xù)灌滿引水后，重啟泵機(jī)，下一個(gè)氣囊到達(dá)泵室，水泵停機(jī)，此時(shí)氣囊數(shù)量減少一個(gè)，為N-1 個(gè)。重復(fù)上述操作N次后可消除氣囊，避免出現(xiàn)氣縛現(xiàn)象，離心泵持續(xù)正常工作。

三峽水庫大型纜車離心泵吸入管道起伏有2處，按上述“注水—啟泵—排水—停泵—注水”方法4 次均未成功取水。經(jīng)觀察，每次排空后吸入管道起伏位置大體相同，說明氣囊未隨水體流動(dòng)而移動(dòng)。

依次更換DN65、DN80、DN100、DN125 的吸入管道重復(fù)進(jìn)行可視化試驗(yàn)，采用DN65 的吸入管道時(shí)氣囊隨水體流動(dòng)而移動(dòng)，采用DN80、DN100、DN125 時(shí)均不移動(dòng)，說明利用“氣、液兩相運(yùn)動(dòng)規(guī)律”的排空方法在DN400 的大管徑吸入管道中不適用。

4.2 離心泵兩級(jí)串聯(lián)法

為驗(yàn)證串聯(lián)兩個(gè)離心泵是否可以解決問題，改造設(shè)計(jì)了可視化試驗(yàn)，選取流量均為20 m3/h 的潛水泵與離心泵串聯(lián)，連接管采用起伏不平透明軟管，當(dāng)管道直徑為ND50、DN65、DN80時(shí)，氣囊會(huì)隨水流至離心泵處排出，排空氣囊后流量可達(dá)額定值20 m3/h。但當(dāng)管道直徑為DN100和DN125時(shí)，氣囊會(huì)穩(wěn)定于管道起伏高點(diǎn)處，水流從吸入管道底部通過，第二級(jí)離心泵的出水流量小于額定流量20 m3/h，可見氣囊的存在減小了吸入管道過流斷面，降低了流量，相當(dāng)于開度較小的“氣閥”。由此證實(shí)，吸入管道管徑較大時(shí)，“串聯(lián)泵法”雖可以抽水，但達(dá)到第二級(jí)離心泵額定流量的概率較低，而且造價(jià)高、運(yùn)行復(fù)雜、運(yùn)維成本高。

4.3 高位排氣法

通過“氣、水兩相運(yùn)動(dòng)規(guī)律”的研究發(fā)現(xiàn)，排空吸入管道是關(guān)鍵，根據(jù)此理論依據(jù)，作者設(shè)計(jì)了一個(gè)簡單的裝置，即在軟管之間加一個(gè)長100 cm 的帶單向排氣閥的不銹鋼管，并將其放置于浮力跳躉上，人為制造高點(diǎn)，利用氣囊聚集于吸入管道高點(diǎn)位置且有壓的特點(diǎn)排空吸入管道，見圖4 所示。安裝此裝置后灌引水，真空表穩(wěn)定在設(shè)計(jì)值時(shí)，單向排氣閥不停排氣，待無氣體排出后啟動(dòng)離心泵，穩(wěn)壓在0.4 MPa 約10 s 后，逐級(jí)加大閘閥開啟度至流量達(dá)到設(shè)計(jì)值440 m3/h，且流量持續(xù)穩(wěn)定，表明調(diào)試成功。

圖4 簡易排氣裝置（單位：mm）Fig.4 A simply vacuum device

經(jīng)對比，增加延長管后，啟動(dòng)過程［8］耗時(shí)由1 min 增長至約5 min，主要原因是增長吸入管道后，負(fù)壓傳導(dǎo)時(shí)間增長，導(dǎo)致逐級(jí)穩(wěn)壓時(shí)間變長。

5 結(jié) 論

（1）行業(yè)研究大多關(guān)心離心泵內(nèi)氣、液兩相流動(dòng)規(guī)律，鮮有對氣體來源的研究，本文發(fā)現(xiàn)，除了離心泵和管道密封不嚴(yán)的因素外，另一隱蔽來源是因管道不順直導(dǎo)致氣體被液體封閉而形成氣囊，氣囊與管道彎曲數(shù)量相同。研究結(jié)論可補(bǔ)充相應(yīng)規(guī)范的條文說明。

（2）離心泵的吸入管道長度引起的水頭損失量有限，但吸水負(fù)壓傳導(dǎo)時(shí)間會(huì)變長、底閥開啟會(huì)延遲，故離心泵啟動(dòng)前期十分關(guān)鍵，須嚴(yán)格控制閘閥開啟速度，逐級(jí)開啟。

（3）起伏不平吸入管道中的氣液兩相流動(dòng)規(guī)律與管徑、介質(zhì)流速有關(guān)，與泵的性能無關(guān)；管道管徑小、介質(zhì)流速大，封閉氣囊更易隨介質(zhì)流動(dòng)。