石油化工裝置中常用真空泵的工作原理及選型要求

邰碩(中海油惠州石化有限公司，廣東 惠州 516086)

0 引言

石油化工生產(chǎn)中，聯(lián)系不同的施工工況差異，可以按照具體操作中的真空度以及抽氣量等處理要求，考慮真空泵裝置的整體組成機(jī)構(gòu)以及系統(tǒng)復(fù)雜度，對(duì)真空泵裝置實(shí)施合理選型，保障石油化工相關(guān)生產(chǎn)工藝的有序?qū)嵤瑫r(shí)實(shí)現(xiàn)節(jié)能減耗目標(biāo)，促進(jìn)實(shí)現(xiàn)清潔生產(chǎn)。

1 石油化工裝置中常用真空泵主要結(jié)構(gòu)原理

液環(huán)式以及干式兩種類型真空泵全部可以歸類于容積真空泵，也是石油化工生產(chǎn)中的主要裝置之一。在早期發(fā)展過(guò)程中，中國(guó)石油化工產(chǎn)業(yè)普遍選擇液環(huán)式的真空泵。而干式真空泵則是一種無(wú)需油的干操控運(yùn)行真空裝置，該種設(shè)備發(fā)展越加成熟和完善。

1.1 液環(huán)式真空泵

液環(huán)真空泵中的葉輪偏心普遍是在泵體內(nèi)部進(jìn)行安裝，在啟動(dòng)裝置中，需要將相應(yīng)工作液添加到泵內(nèi)。在裝置啟動(dòng)后，葉輪開始旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生離心力，該種條件下泵內(nèi)工作液便會(huì)在泵內(nèi)壁形成某種旋轉(zhuǎn)封閉液環(huán)，而液環(huán)下方內(nèi)表層和輪轂之間呈現(xiàn)出相切狀態(tài)，上層內(nèi)表層和葉片頂層相接。液環(huán)和輪轂間構(gòu)成某種月牙空間，葉輪和葉片把整個(gè)空間分解成數(shù)個(gè)不同體積腔體。在吸氣中，腔體內(nèi)部體積呈現(xiàn)出從小到大的變化趨勢(shì)，端蓋上層吸氣口和裝置內(nèi)腔體互相連通，腔體內(nèi)部氣壓下降，則吸入氣體，結(jié)束吸氣后，將吸入口和腔體互相隔離。壓縮中，腔體內(nèi)部體積呈現(xiàn)出從大到小的變化趨勢(shì)，腔體中的氣體壓力提升，當(dāng)泵旋轉(zhuǎn)到腔體和排氣口互相連通條件下，則能夠順利將腔內(nèi)氣體排出[1]。

液環(huán)真空泵整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括開式和閉式兩種形式的循環(huán)系統(tǒng)。閉式循環(huán)系統(tǒng)還可以進(jìn)一步分解成排液泵、環(huán)液冷卻裝置、分離罐、真空泵等元件構(gòu)成。兩種系統(tǒng)可以聯(lián)系具體工藝所需能量和實(shí)際操作要求實(shí)施合理選擇。

1.2 干式真空泵

干式真空泵主要包括以下三種類型。

第一是羅茨真空泵，其可以細(xì)分為多級(jí)高真空羅茨泵、中真空羅茨泵以及大氣直排羅茨泵。當(dāng)前在中國(guó)石化生產(chǎn)中普遍應(yīng)用機(jī)械增壓式羅茨泵。通過(guò)研究羅茨真空泵的內(nèi)部腔體，發(fā)現(xiàn)排平行軸內(nèi)設(shè)置了兩個(gè)三葉形轉(zhuǎn)子和八字形轉(zhuǎn)子，互相垂直安裝，通過(guò)一對(duì)齒輪同步運(yùn)轉(zhuǎn)，帶動(dòng)整個(gè)轉(zhuǎn)子實(shí)施反向同步旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)子和泵殼內(nèi)壁以及轉(zhuǎn)子之間需要維持相應(yīng)空隙，促進(jìn)高速運(yùn)行。機(jī)械增壓模式羅茨泵在實(shí)際運(yùn)行中的壓差范圍較小，處于壓力范圍較大條件下形成較高抽速。該種羅茨泵在實(shí)際應(yīng)用中無(wú)法單獨(dú)利用，需額外搭配前級(jí)泵進(jìn)行應(yīng)用。啟動(dòng)中，需要將前級(jí)泵前啟動(dòng)，等待入口部位壓力滿足羅茨泵限制壓差條件下，才可以繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)羅茨泵，不然便會(huì)出現(xiàn)電機(jī)過(guò)載運(yùn)行和泵轉(zhuǎn)子卡阻等問(wèn)題[2]。

第二是螺桿真空泵，該種真空泵包括一組同步齒輪以及雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)下反向旋轉(zhuǎn)螺桿構(gòu)成，實(shí)施各項(xiàng)操作。而螺桿和泵殼以及螺桿間存在相應(yīng)縫隙，確保各個(gè)金屬之間不接觸，促進(jìn)轉(zhuǎn)子實(shí)現(xiàn)非接觸下的嚙合。螺桿真空泵在實(shí)際操作中具備壓比高、抽速大、結(jié)構(gòu)密集、真空度大以及方便安裝等優(yōu)勢(shì)。裝置內(nèi)部各個(gè)工作部件具有較長(zhǎng)的應(yīng)用壽命，在實(shí)際運(yùn)行中不會(huì)產(chǎn)生摩擦現(xiàn)象。

第三是爪式真空泵當(dāng)前在我國(guó)石化工程中具有較多應(yīng)用形式，包括BOSCH企業(yè)制造的單級(jí)結(jié)構(gòu)和臥式結(jié)構(gòu)MINK系列，以及EDWARDS企業(yè)制造的立式三級(jí)結(jié)構(gòu)，國(guó)內(nèi)郎禾科技企業(yè)制造的立式四級(jí)結(jié)構(gòu)。而臥式爪式等模式的真空泵普遍呈現(xiàn)出一種單級(jí)結(jié)構(gòu)，泵組系統(tǒng)整體真空度較低，普遍應(yīng)用于構(gòu)造粗真空。

立式爪式等形式的真空泵裝置普遍設(shè)計(jì)為四級(jí)和三級(jí)壓縮模式，能夠得到相對(duì)較高真空度。該種形式真空泵內(nèi)部泵腔按照順序依次串聯(lián)，同時(shí)在各級(jí)泵腔當(dāng)中分別設(shè)置一對(duì)共軛嚙合以及爪型轉(zhuǎn)子，爪型轉(zhuǎn)子主要是以同步反向運(yùn)動(dòng)為主。當(dāng)爪型轉(zhuǎn)子吸入介質(zhì)后，被進(jìn)一步壓縮和排放。各對(duì)轉(zhuǎn)子分別設(shè)置在兩個(gè)平行軸中，整個(gè)軸主要通過(guò)上下兩端軸承作為基礎(chǔ)支撐。爪式真空泵中因?yàn)樯婕岸喾N間隙控制，像是隔板間隙、端蓋和轉(zhuǎn)子間隙、轉(zhuǎn)子間分析、泵體和轉(zhuǎn)子間隙等，不同間隙之間擁有一定聯(lián)系，增加了泵安裝維護(hù)難度，而爪式真空泵在實(shí)際運(yùn)行中的抽速相對(duì)較低。

2 石油化工裝置中常用真空泵特征分析

真空泵作為石油化工裝置中的重要組成部分，對(duì)于整個(gè)裝置的穩(wěn)定運(yùn)行具有重要作用，下面介紹幾種不同類型真空泵。在具體實(shí)踐運(yùn)行中，泵內(nèi)傳輸氣體的升溫幅度相對(duì)較低。泵腔體中并不存在金屬摩擦面，也不需要額外實(shí)施潤(rùn)滑處理，能夠?qū)Ω鞣N易燃易爆氣體、汽水混合物、可疑氣體以及含塵氣體實(shí)施有效處理，成本低廉，具有較高抽速速率。而主要操作缺點(diǎn)包括機(jī)組運(yùn)行效率較低，大概低30%左右，整體運(yùn)行能耗較高。結(jié)構(gòu)配置十分復(fù)雜，占據(jù)空間較廣，在日常運(yùn)行操作中需要采取相應(yīng)的維護(hù)措施。容易產(chǎn)生某種廢液，也不適合具有較高介質(zhì)純度要求場(chǎng)所。

大氣直排形式的羅茨泵在實(shí)際應(yīng)用中主要優(yōu)勢(shì)如下，即可單獨(dú)應(yīng)用，存在較大壓差，可以進(jìn)行大氣直排。降低整體運(yùn)行能耗、擁有較高體積效率。在實(shí)際運(yùn)行中不會(huì)產(chǎn)生任何廢液，適合抽吸介質(zhì)具有較高純凈度要求的運(yùn)行工況。該種設(shè)備的主要運(yùn)行缺陷包括用于粗真空，可以分為水冷式結(jié)構(gòu)以及氣冷式結(jié)構(gòu)，其中的輔助系統(tǒng)內(nèi)部組成十分復(fù)雜，存在較多維護(hù)點(diǎn)。

機(jī)械增壓形式的羅茨泵在實(shí)際應(yīng)用中主要包括以下優(yōu)勢(shì)，相關(guān)設(shè)備在具體運(yùn)行中方便維護(hù)，整個(gè)占據(jù)空間面積相對(duì)較小，結(jié)構(gòu)配置較為簡(jiǎn)潔。因?yàn)樵摿_茨泵擁有較高的體積效率，和液環(huán)真空泵相比可以發(fā)揮出更高的節(jié)能效果。具有較高的極限真空數(shù)值，在實(shí)際運(yùn)行操作中不會(huì)產(chǎn)生任何廢液，適合應(yīng)用到那些抽吸介質(zhì)具備較高純凈度要求的操作工況當(dāng)中。該種增壓羅茨泵具體應(yīng)用缺陷為無(wú)法單獨(dú)應(yīng)用，為此需要將泵和前級(jí)泵兩種設(shè)備實(shí)施串聯(lián)應(yīng)用，設(shè)備實(shí)際應(yīng)用操作中所形成壓差較大，具體壓差范圍在2 ～8 kPa之間。而其他的像是多級(jí)高真空羅茨泵、螺桿立式羅茨泵、立爪式真空泵、螺桿臥式真空泵、臥式爪式真空泵的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)類似于機(jī)械增壓羅茨泵。

3 石油化工裝置中常用真空泵選型要求

3.1 液環(huán)式真空泵相關(guān)選型

在泵入口區(qū)域介質(zhì)溫度較大、抽吸介質(zhì)純度低以及真空度低、抽氣量大的運(yùn)行工況下，參考相應(yīng)的技術(shù)指標(biāo)和權(quán)衡經(jīng)濟(jì)，盡量選擇液環(huán)式真空泵進(jìn)行生產(chǎn)運(yùn)行。上述工況下，假如真空泵對(duì)應(yīng)機(jī)組存在較大吸氣量，如果選擇干式真空泵，在真空泵串聯(lián)數(shù)量相繼增加，在具體運(yùn)行能耗和基礎(chǔ)配置上整體優(yōu)勢(shì)較低。

假如安裝液環(huán)真空泵，則可以把設(shè)備裝置內(nèi)的乙二醇反應(yīng)原材料當(dāng)成基礎(chǔ)環(huán)液，預(yù)防后續(xù)工作中出現(xiàn)多余廢液。把裝置設(shè)備中的冷凍水當(dāng)成環(huán)液，實(shí)施降溫處理，能夠有效維持恒定溫度，有利于環(huán)液運(yùn)行，滿足工藝技術(shù)的真空度要求。綜合考慮后，選擇設(shè)置液環(huán)真空泵，合理配置液環(huán)真空泵，包括分離罐和環(huán)液冷卻裝置，整個(gè)系統(tǒng)設(shè)備投運(yùn)中能夠始終維持平穩(wěn)運(yùn)行。

3.2 干式真空泵具體選型

在具有較高抽吸介質(zhì)純度、高真空度以及低抽氣量的工況條件下，可以考慮選擇安裝干式真空泵。該種運(yùn)行工況下，設(shè)備內(nèi)介質(zhì)存在極毒介質(zhì)苯，如果安裝液環(huán)真空泵，會(huì)定期排放其中的含苯廢水，影響生產(chǎn)中的環(huán)保效果，同時(shí)還會(huì)擴(kuò)大污水處理成本。除此之外，設(shè)置液環(huán)真空泵，整個(gè)系統(tǒng)機(jī)組整體配置工作十分復(fù)雜，會(huì)產(chǎn)生大量能耗。考慮到出口壓力相對(duì)較低以及泵的抽吸速度較小等問(wèn)題，可以選擇設(shè)置干式真空泵，不但不會(huì)產(chǎn)生任何多余廢液，整個(gè)系統(tǒng)配置也十分簡(jiǎn)潔，和液環(huán)真空泵相比，整個(gè)機(jī)組運(yùn)行能耗得到了明顯降低，所以可以選擇干式真空泵。當(dāng)前，芳烴抽取裝置內(nèi)的液環(huán)真空泵逐漸被干式真空泵裝置所取代。

3.3 干式真空泵具體配置注意事項(xiàng)

在應(yīng)用干式真空泵條件下需要重點(diǎn)注意以下內(nèi)容，第一是為了滿足系統(tǒng)運(yùn)行中的極限真空數(shù)值，提升整體壓比參數(shù)，干式真空泵內(nèi)不同轉(zhuǎn)子和泵體間隙相對(duì)較低。比如螺桿模式的真空泵內(nèi)部轉(zhuǎn)子元件間隙甚至低于0.4 mm，整體轉(zhuǎn)速相對(duì)較高，所以需要實(shí)時(shí)監(jiān)控干式真空泵的振動(dòng)狀態(tài)，科學(xué)判斷墻體和轉(zhuǎn)子間隙，了解同步齒輪、滾都軸承在具體操作中的現(xiàn)實(shí)磨損狀況，實(shí)現(xiàn)機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控目標(biāo)。應(yīng)用干式真空泵時(shí)，泵內(nèi)介質(zhì)呈現(xiàn)出一種快速升溫狀態(tài)，普遍需要對(duì)泵的排氣壓力、外部泵殼溫度以及泵內(nèi)排氣溫度實(shí)施全面在線監(jiān)測(cè)，避免設(shè)備過(guò)載導(dǎo)致轉(zhuǎn)子過(guò)高升溫問(wèn)題出現(xiàn)。

第二是針對(duì)相關(guān)機(jī)組設(shè)備實(shí)施防爆認(rèn)證，在干式真空泵正常運(yùn)行中容易產(chǎn)生機(jī)械活化現(xiàn)象，所以處于易燃易爆場(chǎng)所內(nèi)設(shè)置應(yīng)用干式真空泵，需要率先做好真空泵的整機(jī)防爆檢測(cè)認(rèn)證。當(dāng)前，針對(duì)干式真空泵實(shí)施綜合檢測(cè)認(rèn)證處理中，國(guó)內(nèi)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)單純對(duì)泵組中的儀表設(shè)備和電氣裝置制定了明確的防爆要求。結(jié)合干式真空泵整體結(jié)構(gòu)組成特征分析，可以在易燃易爆場(chǎng)所內(nèi)按照具體規(guī)范要求實(shí)施干式真空泵綜合選型設(shè)計(jì)工作，開展機(jī)組防爆檢測(cè)認(rèn)證，優(yōu)化整個(gè)機(jī)組設(shè)備的運(yùn)行穩(wěn)定性和可靠性。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，干式和液環(huán)式兩種不同類型真空泵的組成結(jié)構(gòu)、操作原理等方面存在較大差異，所以適用工況也各不相同。對(duì)于存在較大氣量、抽吸介質(zhì)純度較低、真空度較低的工況中適合選擇液環(huán)式真空泵裝置，而對(duì)于介質(zhì)具有較高清潔度要求、真空度較高以及氣量較小的運(yùn)行工況適合選擇干式真空泵對(duì)整個(gè)機(jī)組運(yùn)行狀況實(shí)施合理保護(hù)監(jiān)測(cè)。對(duì)于各種易燃易爆場(chǎng)所中應(yīng)用干式真空泵時(shí)，需要開展防爆檢測(cè)。