大型RH精煉爐機械真空系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計與應(yīng)用

施漢生，陳 民，朱嗣勇，吳孔明，張 明

(1.山東鋼鐵集團日照有限公司， 山東 日照 276805;2.中國重型機械研究院股份公司，陜西 西安 710032)

0 前言

由于干式機械真空系統(tǒng)具有即用即起、節(jié)能、環(huán)保的優(yōu)點，在大型RH精煉真空系統(tǒng)應(yīng)用越來越廣泛。新建、改造的大型RH精煉配套機械真空系統(tǒng)都面臨真空泵數(shù)量大、控制閥門多、泵間管道及除塵器體積大，占用空間大、基建投資高的問題。因此，優(yōu)化所配置機械真空系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計，實現(xiàn)布置模塊化，方便維修操作，進一步壓縮無效真空容積，實現(xiàn)節(jié)能運行，對提升機械真空系統(tǒng)能效指標具有重要意義。

1 大型RH精煉機械真空系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計現(xiàn)狀及存在問題

1.1 大型RH精煉機械真空系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計現(xiàn)狀

目前，構(gòu)建大型RH精煉所配置的機械真空泵總數(shù)量都在數(shù)十臺以上。按照RH精煉工藝參數(shù)要求機械真空系統(tǒng)系統(tǒng)所能實現(xiàn)的功能，既有的大型RH精煉機械真空系統(tǒng)有三種結(jié)構(gòu)模式：三級泵組并聯(lián)模式、多級并串組合模塊式和四級分散模式，各有優(yōu)缺點。

三級泵組并聯(lián)模式為三級模塊化設(shè)計，單級壓縮比大，機械真空泵發(fā)熱明顯，機械泵的效率、溫升難以平衡。級間泵的數(shù)量成固定比例，一旦個別機械泵故障，整個泵組就必須退出運行，系統(tǒng)總體抽氣能力明顯下降，甚至造成系統(tǒng)停機，操作柔性極差。典型的三級泵組并聯(lián)模式為兩級愛德華羅茨泵與一級愛德華螺桿泵按照221模式組成三級真空泵組，再按照RH精煉工藝參數(shù)實際需要的總抽氣量確定系統(tǒng)泵組數(shù)量。此類結(jié)構(gòu)典型樣式如圖1(圖示泵組有省略)所示。

圖1 三級泵組并聯(lián)模式

多級并串組合模塊式主要為小型機械真空泵組合，主要是真空泵數(shù)量多，組合復(fù)雜，需要模塊化設(shè)計。此種模塊式組合主要用于小型初抽泵，有三級設(shè)計也有四級設(shè)計，甚至達到五級組合設(shè)計。通過真空泵多級并串組合成模塊式，再按照RH精煉工藝實際需要的總抽氣量確定系統(tǒng)泵組數(shù)量。多級并串組合模塊式雖具有一定控制柔性，但其機械真空泵抽氣能力小，模塊化設(shè)計組成大型RH精煉機械真空系統(tǒng)真空泵的數(shù)量更多，控制及管道布置最為復(fù)雜。此類結(jié)構(gòu)形式典型樣式如圖2所示。

圖2 并串組合模塊式

四級分散模式為四級，單級分配的壓縮比變小，前級螺桿泵排氣能力滿足要求后，機械真空泵發(fā)熱得到明顯控制，機械泵的效率、溫升得到優(yōu)化平衡。各級間泵的數(shù)量可以根據(jù)RH精煉工藝參數(shù)要求動態(tài)調(diào)整，個別機械真空泵故障，不會導(dǎo)致系統(tǒng)總體抽氣能力明顯下降，操作柔性好。四級分散模式主要用于中大型初抽泵(連接真空槽氣體出口的泵)，大型初抽泵單臺名義抽速高達10×104m3/h(67 Pa，20℃)，構(gòu)建系統(tǒng)真空泵的數(shù)量少，但操作控制柔性極差，單臺故障系統(tǒng)總抽氣量損失大，嚴重制約系統(tǒng)穩(wěn)定運行；中型泵單臺名義抽氣量5×104m3/h(67 Pa，20℃)左右，操作控制柔性相對較好，單臺故障系統(tǒng)總抽氣量損失小，系統(tǒng)運行穩(wěn)定性好。系統(tǒng)先按抽氣能力大小以及各級壓縮比分配要求，將大小不同、數(shù)量不同的機械真空泵按照合理分配的壓縮比并聯(lián)成四級后再串聯(lián)成完整系統(tǒng)。此類結(jié)構(gòu)布置示意如圖3所示。

圖3 四級分散模式

1.2 大型RH精煉機械真空系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計存在的問題

當(dāng)前大型RH精煉機械真空系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計需要重點解決合理布置、柔性操作、節(jié)能高效的問題。

1.2.1 操作控制柔性問題

RH精煉在品種開發(fā)中承擔(dān)重要作用，機械真空系統(tǒng)需要隨工藝操作參數(shù)變化而變化，才能不斷提高鋼水精煉效率，這就對真空系統(tǒng)操作控制柔性提出了較高要求。大型化與模塊化設(shè)計嚴重制約大型RH精煉機械真空系統(tǒng)操作控制柔性；小型泵操作控制柔性好，也帶來真空泵及控制閥門數(shù)量過多、故障點、泄漏點增多的弊端。

1.2.2 機械真空泵布置泵房占地面積大

已經(jīng)構(gòu)建的大型機械真空系統(tǒng)，無論何種結(jié)構(gòu)型式，從結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性上考慮，將體積、重量、排氣量大的真空泵安裝布置在地面，占地面積大，導(dǎo)致聯(lián)接管道拐彎增多，無效抽真空體積明顯增多，建設(shè)與運行成本顯著增加。

1.2.3 管道結(jié)構(gòu)布置檢修性差

大型RH精煉機械真空系統(tǒng)無論采用哪種結(jié)構(gòu)型式，其初抽泵及中間級真空泵均為羅茨泵。通常臥式結(jié)構(gòu)的齒輪潤滑以及運行穩(wěn)定性要優(yōu)于立式結(jié)構(gòu)，所以大型RH精煉機械真空系統(tǒng)優(yōu)先選用臥式結(jié)構(gòu)，為了更換真空泵吊裝方便，進氣口都設(shè)計了可拆卸移除的彎頭，并通過彎頭與真空泵連接，都將進氣主管道布置在泵的一側(cè)，彎頭等無效真空容積增大，如圖4所示。

圖4 羅茨泵安裝示意圖

1.2.4 無效抽真空容積比例高

相同配置的機械真空系統(tǒng)，無效反復(fù)抽真空容積比例決定了系統(tǒng)能耗高低。大型RH精煉所配置的機械真空系統(tǒng)由于真空泵數(shù)量多，連接管道體積大，控制閥門及聯(lián)接彎頭多，結(jié)構(gòu)布置設(shè)計特別是進氣彎頭及旁通管道設(shè)計均屬無效真空體積，進一步擴大了機械真空系統(tǒng)無效反復(fù)抽真空容積比例，能效大大降低。

1.2.5 級間控制閥門易泄露

大型RH精煉機械真空系統(tǒng)通常根據(jù)工藝操作需求，設(shè)置了復(fù)雜的旁通管道與級間控制閥門，級間閥門容易泄露，會使真空系統(tǒng)增加額外負荷，系統(tǒng)真空泵迅速發(fā)熱，增加了操作控制難度與故障源。

2 大型RH精煉機械真空系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化

大型RH精煉所配置的機械真空系統(tǒng)參數(shù)確定后，在系統(tǒng)實際構(gòu)建過程中，結(jié)合精煉工藝參數(shù)進行布置合理優(yōu)化，在結(jié)構(gòu)設(shè)計細節(jié)上不斷進行完善，充分降低無效反復(fù)抽真空容積比例，從而進一步降低機械真空系統(tǒng)能耗指標。

2.1 機械真空系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與布置模式確定

從已經(jīng)構(gòu)建的大型RH精煉機械真空系統(tǒng)來看，選用中型機械真空泵組合成四級分散模式其結(jié)構(gòu)相對優(yōu)化，既能控制系統(tǒng)真空泵總數(shù)量，又能使其具有操作柔性，是大型RH精煉機械真空系統(tǒng)較為優(yōu)化的結(jié)構(gòu)模式，可以優(yōu)先采用。

2.2 機械真空系統(tǒng)四級分散模式結(jié)構(gòu)再優(yōu)化

采用中型真空泵以四級分散模式構(gòu)建的機械真空系統(tǒng)，通常從系統(tǒng)一側(cè)配置旁通管道與級間控制閥門，控制復(fù)雜，存在級間氣體泄露風(fēng)險，需要再優(yōu)化。利用真空系統(tǒng)前級螺桿泵預(yù)抽壓差推動后級羅茨泵自由轉(zhuǎn)動，能保持氣流流動通暢的特點，優(yōu)化控制方式，刪除系統(tǒng)旁通結(jié)構(gòu)道，同時采用捕頻控制(控制變頻器自動檢測真空泵自由轉(zhuǎn)動頻率，以此為基點進行快速啟動)方法，實現(xiàn)各種工藝參數(shù)操作工況下真空泵的啟停與運行控制，結(jié)構(gòu)布置與操作控制更加簡潔方便，優(yōu)化后的系統(tǒng)布置如圖6所示。

圖5 四級分散模式優(yōu)化前后對比圖

2.3 機械真空泵安裝更換方式優(yōu)化

針對大型RH精煉機械真空系統(tǒng)真空泵數(shù)量多，安裝、檢修空間狹小，拆卸吊裝不方便的特點，需要進一步優(yōu)化機械真空泵安裝更換方式：每級真空泵設(shè)計一套真空泵運輸小車，每臺真空泵設(shè)計具有滾動機構(gòu)的移動支架。真空泵運輸小車可以將舊真空泵運離吊裝位，將新真空泵運輸?shù)降跹b位輸?shù)轿?；移動支架可以帶動真空泵由工作位進入吊運、安裝位，達到方便真空泵檢修更換的目的。移動支架可以是可拆卸滾動機構(gòu)也可以是帶偏心裝置的滾動機構(gòu)，需移動真空泵時，安裝或調(diào)整偏心裝置使?jié)L動機構(gòu)工作，實現(xiàn)輕松移動，移動結(jié)束拆除滾動機構(gòu)或轉(zhuǎn)動偏心機構(gòu)，固定移動支架，如圖6、圖7所示。具體實施需做詳細模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計。

圖6 真空泵移動支架示意圖

圖7 真空泵安裝拆卸吊裝示意圖

2.4 機械真空系統(tǒng)無效反復(fù)抽真空體積壓縮優(yōu)化

基于機械真空泵安裝更換方式優(yōu)化方案，為了降低管路阻損，進一步壓縮機械真空系統(tǒng)無效抽真空容積，按照系統(tǒng)氣流方向，將真空泵從上到下、從大到小集中疊摞布置，消除管道彎頭，大大壓縮真空泵布置空間，縮短了驅(qū)動動力電纜長度，使得無效反復(fù)抽真空體積占比最小化，真正實現(xiàn)機械真空系統(tǒng)高效節(jié)能，結(jié)構(gòu)布置如圖8所示。

圖8 機械真空系統(tǒng)中真空泵疊摞布置示意圖

3 優(yōu)化設(shè)計系統(tǒng)的應(yīng)用

山東鋼鐵集團日照精品基地一期工程建設(shè)過程中，由中國重型機械研究院股份公司以EPC方式構(gòu)建了3套210 t大型RH精煉機械真空系統(tǒng)，總抽氣量為110×104m3/h(67 Pa，20℃)。在系統(tǒng)構(gòu)建方案設(shè)計過程中，經(jīng)過反復(fù)優(yōu)化設(shè)計，選用了中型泵采用四級分散模式，對系統(tǒng)真空泵的布置、管道結(jié)構(gòu)以及閥門的配置等影響無效真空容積占比的因素，結(jié)合現(xiàn)場工況實際，細化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計，盡可能壓縮真空系統(tǒng)無效反復(fù)抽真空容積占比，降低系統(tǒng)能耗；并結(jié)合機械真空泵的特點，采用了捕頻控制技術(shù)，省略了常規(guī)通用的旁通管道及旁通控制閥，使得大型RH精煉機械真空系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更簡潔，節(jié)省了大量投資；真空泵疊摞布置設(shè)計，消除了管道彎頭設(shè)計，結(jié)構(gòu)更緊湊，操作控制柔性好，能耗低，運行成本低。真空泵疊摞布置已獲得授權(quán)《大型干式機械真空系統(tǒng)中真空泵疊摞布置及更換方法》發(fā)明專利(專利號為CN201710195146.X)。