干式真空泵在石化裝置中的選型特點(diǎn)及設(shè)計(jì)探討

王超

（中海油石化工程有限公司，濟(jì)南 250000）

關(guān)鍵字：石化裝置；干式真空泵；爪式真空泵；螺桿真空泵；選型

傳統(tǒng)的液環(huán)真空泵和蒸汽噴射真空泵在進(jìn)行中會(huì)產(chǎn)生大量的污水，這些污水的處理會(huì)導(dǎo)致能耗和投資增加。近年來，隨著國家對(duì)石化行業(yè)環(huán)保及能耗要求的提高，在新建及改造的裝置中，例如芳烴抽提裝置、油氣回收、制苯裝置預(yù)分餾等，根據(jù)具體操作工況和介質(zhì)特性，干式真空泵正逐漸取代一些傳統(tǒng)的液環(huán)真空泵和蒸汽噴射真空泵[1-3]。筆者根據(jù)多個(gè)工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)工作經(jīng)驗(yàn)，對(duì)爪式和螺桿干式真空泵的種類和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行分析，并給出了選型設(shè)計(jì)的注意事 項(xiàng)。

1 石化裝置干式真空泵常見種類

干式真空泵種類很多，根據(jù)基本原理可分為兩類：一類是容積式真空泵，如爪式泵、羅茨泵、螺桿泵、往復(fù)式活塞干泵、隔膜泵和渦旋泵；另一類是動(dòng)量傳輸式真空泵，如渦輪式真空泵[4]。不同類型的真空泵性能參數(shù)不同，適用的場合不同，比如無油隔膜泵主要在實(shí)驗(yàn)室使用。干式真空泵的性能比較見表1。

表1 不同干式真空泵性能比較Table 1 Performance comparison of different dry vacuum pumps

從表1 可以看出，用于石化裝置的干式真空泵主要是爪式真空泵和螺桿真空泵，另外由于羅茨泵在低壓時(shí)壓縮比較高，常常作為爪式真空泵的前級(jí)泵，組成羅茨爪式真空泵，用于壓力相對(duì)較低、抽氣量較大的裝置中，與純爪式真空泵相比，可有效提高在低壓下的抽真空速率。本文主要針對(duì)爪式真空泵和螺桿真空泵在石化裝置中的選型設(shè)計(jì)進(jìn)行研究。

2 爪式真空泵

爪式真空泵主要由各級(jí)轉(zhuǎn)子對(duì)、各級(jí)隔板、泵體、軸、電機(jī)、同步齒輪組成，各級(jí)轉(zhuǎn)子對(duì)安裝在泵軸上，各級(jí)隔板安裝在泵體上，隔板設(shè)置有排氣道；隔板、轉(zhuǎn)子及泵體形成各級(jí)泵腔，具體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 爪型泵結(jié)構(gòu)原理圖Fig.1 Structure principle diagram of claw pump

（1）工作時(shí)，電機(jī)通過同步齒輪帶動(dòng)泵軸轉(zhuǎn)動(dòng)，泵軸帶動(dòng)各級(jí)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，隨著轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)，氣體依次通過進(jìn)氣口—各級(jí)腔體—各級(jí)隔板氣體通道—排氣孔，如圖2 所示：當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到（a）位置時(shí)，進(jìn)氣通道即將打開，排氣通道處于關(guān)閉狀態(tài)；

（2）當(dāng)轉(zhuǎn)子由（a）轉(zhuǎn)到（b）位置時(shí)，進(jìn)氣通道逐漸打開，吸氣腔逐漸增大，開始進(jìn)氣，排氣通道關(guān)閉，排氣腔逐漸減少，氣體壓縮；

（3）當(dāng)轉(zhuǎn)子由（b）轉(zhuǎn)到（c）位置時(shí)，吸氣腔繼續(xù)增大，排氣腔繼續(xù)減小，進(jìn)氣通道打開，排氣通道逐漸打開，泵處于吸氣排氣狀態(tài)，轉(zhuǎn)到（c） 位置時(shí)最終完成吸氣排氣；

（4）當(dāng)轉(zhuǎn)子由（c）轉(zhuǎn)到（d）位置時(shí)，吸氣腔和排氣腔互相聯(lián)通，吸氣腔和排氣腔內(nèi)氣體相互混合；

（5）當(dāng)轉(zhuǎn)子由（d）轉(zhuǎn)到（a）位置時(shí)，吸氣腔逐漸增大，形成負(fù)壓，準(zhǔn)備開始吸氣，從而進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)。轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一周會(huì)完成一次吸氣和排氣過程[5]。

圖2 轉(zhuǎn)子工作原理圖Fig.2 Working principle diagram of rotor

多級(jí)爪式泵根據(jù)轉(zhuǎn)子的布置型式可分為立式和臥式；根據(jù)轉(zhuǎn)子工作原理和具體結(jié)構(gòu)可分為螺旋型、反爪型及螺旋反爪型，它們?cè)谛阅苌弦灿胁町悾渲性趪鴥?nèi)石化裝置中立式反爪型應(yīng)用最為廣泛，例如在芳烴抽提裝置中主要采用Edwards 的反爪式真空泵。目前，爪式真空泵主要有二級(jí)、三級(jí)和四級(jí)，兩級(jí)爪式泵的極限真空在500 Pa 左右，三級(jí)泵的極限真空在50 Pa 左右，四級(jí)泵的極限真空能達(dá)到1 Pa 左右。

該泵的優(yōu)點(diǎn)是可以處理帶有固體顆粒和液體的介質(zhì)，泵腔內(nèi)不需要冷卻，氣體在泵腔內(nèi)停留時(shí)間較短，轉(zhuǎn)子具有較強(qiáng)的抗腐蝕能力，性能可靠；缺點(diǎn)是單泵抽氣量不超過600 m3/h，抽氣量大的場合無法使用，另外在真空度較低時(shí)，泵的抽氣速率會(huì)明顯下降，因此常與羅茨真空泵組合使用。

爪式真空泵主要的供貨商有德國Leybold、英國Edwards、德國Busch 以及國內(nèi)北京朗禾、北京曌越。表2 為Edwards 公司EDP 系列反爪式真空泵的主要參數(shù)，級(jí)數(shù)為三級(jí)。

表2 反爪式真空泵技術(shù)參數(shù)Table 2 Technical parameters of reverse claw vacuum pump

3 螺桿真空泵

螺桿真空泵主要由電機(jī)、同步齒輪、螺桿及殼體組成，螺桿與螺桿之間、螺桿與殼體之間有微小的間隙，以保證泵在工作時(shí)相互之間無摩擦、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，見圖3。其工作原理與螺桿壓縮機(jī)類似，電機(jī)通過同步齒輪帶動(dòng)螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)，隨著螺桿的轉(zhuǎn)動(dòng)，氣體從入口經(jīng)過螺桿擠壓最終到達(dá)排氣口，完成吸氣排氣的過程[6]。為降低螺桿真空泵腔體內(nèi)的溫度，防止因溫度過高導(dǎo)致泵卡死，必須要用冷卻水冷卻螺桿內(nèi)部或采用空氣或氮?dú)獯祾呗輻U及內(nèi)部泵腔，對(duì)于易燃易爆氣體，必須采用氮?dú)獯祾?，因此?duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求較高。

另外，SIHI 螺桿真空泵設(shè)計(jì)兩個(gè)電機(jī)同步驅(qū)動(dòng)兩個(gè)轉(zhuǎn)子，取消同步齒輪和聯(lián)軸器，可保證在控制轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的同時(shí)，轉(zhuǎn)子部件相互之間無接觸；電機(jī)腔和泵腔采用特殊的靜密封。

圖3 螺桿泵結(jié)構(gòu)示意Fig.3 Structure diagram of screw vacuum pump

螺桿真空泵的核心技術(shù)是螺桿的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，它直接影響泵的容積效率、抽氣速率及極限真空等技術(shù)指標(biāo)。隨著技術(shù)的發(fā)展，螺桿結(jié)構(gòu)已發(fā)展為四代技術(shù)，第一代為等螺距螺桿結(jié)構(gòu)，第二代為由兩段螺距大小不等的螺桿拼接而成的螺桿結(jié)構(gòu)，第三代為螺距連續(xù)變化的螺桿結(jié)構(gòu)，第四代為變徑/變距錐形螺桿結(jié)構(gòu)。與等螺距相比，采用變螺距結(jié)構(gòu)可節(jié)能30%，獲得較高的真空度，排氣溫度也更低，但相應(yīng)地對(duì)加工精度要求更高，因此價(jià)格也更高；另外，對(duì)于處理含有顆粒雜質(zhì)的氣體，等螺距結(jié)構(gòu)要比變螺距結(jié)構(gòu)使用壽命要長一些[7]，其結(jié)構(gòu)特性比較見表3，示意見圖4。

表3 不同螺桿結(jié)構(gòu)特性比較表Table 3 Performance comparison of different screws

如果處理具有腐蝕性和顆粒的氣體介質(zhì)時(shí)，為延長泵使用壽命，需要在螺桿表面和泵腔進(jìn)行涂層設(shè)計(jì)，目前主要有以下涂層，分別為PTFE 涂層、PFA 涂層、PEEK 涂層、NIFA 涂層（在Ni 涂層的基礎(chǔ)上再涂一層PFA）以及Hastelloy C 涂層，針對(duì)介質(zhì)的特性可選擇不同的涂層技術(shù)，表4 列出了各涂層特點(diǎn)[8]。

圖4 不同螺桿結(jié)構(gòu)示意Fig.4 Structure diagram of different screws

目前，螺桿真空泵的主要供貨商有美國Tuthill、德國Leybold、德國Busch、德國Rietschle、德國SIHI、韓國VPS 以及國內(nèi)山東沃爾姆、智德、江陰愛爾姆。表5 列出了VPS 螺桿真空泵的性能參數(shù)。

螺桿泵的優(yōu)點(diǎn)是抽速范圍寬廣，吸氣量可達(dá)1 500 m3/h，可以滿足不同的壓力要求，并獲得較高的真空度。

缺點(diǎn)是螺桿加工精度要求較高，造價(jià)高，對(duì)于不純凈含有顆粒雜質(zhì)的氣體或含有聚合物的氣體耐用程度低，故障率相對(duì)高一些。

4 工程選型設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

根據(jù)干式真空泵的型式和技術(shù)特點(diǎn)，同時(shí)還應(yīng)考慮工藝參數(shù)、使用壽命、設(shè)備維護(hù)是否方便、投資及運(yùn)行成本等，對(duì)干式真空泵的選型設(shè)計(jì)應(yīng)注意下列事項(xiàng)。

表4 不同涂層技術(shù)特點(diǎn)Table 4 Technical characteristics of different coatings

表5 VPS 螺桿真空泵技術(shù)參數(shù)Table 5 Technical parameters of VPS screw vacuum pumps

4.1 工藝操作及運(yùn)行參數(shù)

例 如 芳 烴 抽 提 裝 置 規(guī) 模 有2×105、4×105、8×105以及1.50×106t/a，由于其裝置規(guī)模和工藝差異，導(dǎo)致真空泵的參數(shù)也各不相同，這直接導(dǎo)致真空泵選型的差異。

表6 干式真空泵工藝技術(shù)參數(shù)Table 6 Parameters of dry vacuum pump

表6 為某芳烴抽提裝置干式真空泵工藝參數(shù)。

根據(jù)表2 和表5 爪式泵和螺桿泵的參數(shù)，兩種泵型均可滿足工藝要求，但由于抽速較大，1 臺(tái)爪式真空泵無法滿足，必須用兩臺(tái)EDP 250 才能滿足工藝要求，而對(duì)于螺桿真空泵，僅需1 臺(tái)即可滿足工藝要求。具體選型方案對(duì)比見表7。

從選型方案可看出，方案1 的投資運(yùn)行費(fèi)用相對(duì)較高，方案1 采用2 臺(tái)泵，其運(yùn)行維護(hù)也相對(duì)麻煩。與工藝、業(yè)主討論將抽速由420 m3/h 降至370 m3/h，

表7 選型方案對(duì)比Table 7 Lectotype comparison

同樣可滿足工藝生產(chǎn)要求，只是抽負(fù)壓的時(shí)間延長3 ～ 4 h，經(jīng)業(yè)主同意，將抽速降至370 m3/h，這樣爪式泵和螺桿泵均單臺(tái)設(shè)備就能滿足工藝要求，也有利于業(yè)主對(duì)該泵進(jìn)行公開招標(biāo)。

目前，國內(nèi)生產(chǎn)的干式真空泵（螺桿和爪式）產(chǎn)品質(zhì)量以及可靠性與國外還存在一定的差距，因此對(duì)于相對(duì)重要的工況或不設(shè)備機(jī)的情況下，一般選擇進(jìn)口品牌；該芳烴抽提裝置中工藝要求1 臺(tái)泵，并且根據(jù)其他芳烴抽提裝置的使用經(jīng)驗(yàn)，確定該泵從英國Edwards 反爪式真空泵、韓國VPS C 系列變螺距螺桿真空泵以及SIHI 螺桿真空泵中選擇。

因此，在設(shè)計(jì)選型時(shí)要特別注意泵抽速以及真空度的工藝要求，當(dāng)抽速較大，真空度較高時(shí)，可選擇螺桿真空泵或羅茨+爪式真空泵/螺桿真空泵。

4.2 氣體介質(zhì)

當(dāng)抽除具有腐蝕性氣體、有毒氣體或聚合物時(shí)，為了便于對(duì)泵進(jìn)行吹掃，會(huì)在泵的入口設(shè)置氮?dú)獯祾呦到y(tǒng)，當(dāng)需要停泵檢修時(shí)，先關(guān)閉泵入口閥門，打開泵入口處氮?dú)獯祾呦到y(tǒng)，繼續(xù)運(yùn)行泵20 ～ 30 min，待泵腔內(nèi)吹掃干凈后停泵。

干式真空泵根據(jù)轉(zhuǎn)子的布置形式可分為立式和臥式，當(dāng)泵送氣體介質(zhì)含有自聚物時(shí)，自聚物容易在轉(zhuǎn)子表面結(jié)焦積碳，形成積碳化合物，若不能將這些積碳化合物及時(shí)排出，將導(dǎo)致轉(zhuǎn)子損壞，而立式真空泵可及時(shí)有效地排出固體物質(zhì)，因此對(duì)于含有自聚物的氣體介質(zhì)，應(yīng)優(yōu)先選擇立式真空泵。

另外，在接近泵體出口端設(shè)置氮?dú)獯祾?，以降低泵出口處介質(zhì)溫度，防止自聚物發(fā)生結(jié)焦碳化；在泵入口設(shè)置清洗系統(tǒng)，當(dāng)需要停泵檢修時(shí)，先對(duì)泵進(jìn)行氮?dú)獯祾卟僮?，吹掃完成后，降低泵的轉(zhuǎn)速，通入清洗溶劑對(duì)泵腔清洗10 ～ 20 min，清洗完成后，再次在泵入口通入氮?dú)?，將泵轉(zhuǎn)速調(diào)整到正常轉(zhuǎn)速，檢查泵是否正常運(yùn)轉(zhuǎn)，吹掃完成后停泵。這樣可有效清除泵內(nèi)介質(zhì)。

當(dāng)抽除氣體在泵出口冷凝變成液體工況，例如油氣回收工藝，應(yīng)將泵出口管設(shè)計(jì)成步步低，即泵排氣管的位置低于排氣口的位置，以防止冷凝的液體堆積在泵的出口，引起泵的振動(dòng)和噪音。

4.3 泵輔助設(shè)備選型設(shè)計(jì)

干式真空泵的管路系統(tǒng)布置見圖5。

（1）泵前過濾器

雖然干式真空泵（爪式和螺桿）能攜帶少量的液體和固體顆粒，但為延長泵的使用壽命，降低泵的故障率，泵的入口應(yīng)設(shè)置過濾器，以除去介質(zhì)中固體顆粒和液體。一般采用真空緩沖罐或旋液分離器除去液相介質(zhì)。采用網(wǎng)狀過濾器分離固體雜質(zhì)效果較好。應(yīng)根據(jù)具體工況設(shè)計(jì)過濾網(wǎng)目數(shù)，過濾網(wǎng)目數(shù)過大會(huì)導(dǎo)致壓力損失增大，造價(jià)高，一般干式螺桿真空泵前置過濾器目數(shù)適宜在30 ～ 40 目[9]。

（2）冷卻系統(tǒng)

干式真空泵在工作時(shí)，泵內(nèi)氣體介質(zhì)一直處于壓縮過程，隨著氣體介質(zhì)不斷被壓縮，介質(zhì)的溫度會(huì)不斷升高，如果泵的冷卻系統(tǒng)出現(xiàn)故障（比如堵塞）會(huì)導(dǎo)致泵的轉(zhuǎn)子發(fā)生變形以及介質(zhì)發(fā)生結(jié)焦，最終會(huì)導(dǎo)致泵卡死。因此泵的冷卻系統(tǒng)必須設(shè)置冷卻水過濾器、溫控閥以及流量視鏡。通過過濾器可有效過濾冷卻水的雜質(zhì)，防止雜質(zhì)進(jìn)入換熱器發(fā)生堵塞；通過溫控閥可根據(jù)泵體溫度調(diào)節(jié)冷卻水流量，從而可有效防止泵體溫度過高；通過流量視鏡觀察冷卻水回流量，可在現(xiàn)場判斷冷卻水管路是否發(fā)生堵塞。泵體和冷卻器應(yīng)設(shè)排凈閥，以便于定期對(duì)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行清洗，避免冷卻系統(tǒng)發(fā)生堵塞[10]。

（3）管路系統(tǒng)

泵的出口一般設(shè)置出口止回閥，以防止因泵出現(xiàn)故障，導(dǎo)致氣體倒吸回上游管路系統(tǒng)對(duì)上游系統(tǒng)造成污染。

泵的軸封處一般也會(huì)設(shè)置氮?dú)獯祾?，主要目的是防止齒輪箱的潤滑油進(jìn)入泵內(nèi)污染氣體介質(zhì)，也可防止氣體介質(zhì)從軸封處外漏。對(duì)于易燃易爆氣體介質(zhì)，泵的進(jìn)出應(yīng)設(shè)置阻火器。如果工藝對(duì)泵出口氣體溫度沒有特殊要求，一般在泵出口設(shè)置后冷卻器以降低氣體溫度。

圖5 干式真空泵典型管路系統(tǒng)圖Fig.5 Typical PFD of dry vacuum pump

（4）監(jiān)測儀表

真空泵應(yīng)至少在泵體、真空泵出口以及后冷卻器出口處設(shè)置溫度變送器，以監(jiān)測泵體溫度、泵出口氣體介質(zhì)溫度以及后冷卻器出口處氣體介質(zhì)溫度是否滿足工藝設(shè)計(jì)要求。泵的入口和出口應(yīng)設(shè)置壓力變送器，以監(jiān)測泵入口和出口壓力是否滿足工藝設(shè)計(jì)要求。如果在運(yùn)行過程中發(fā)生報(bào)警，應(yīng)及時(shí)對(duì)泵的冷卻系統(tǒng)和管路系統(tǒng)進(jìn)行檢查，以避免泵的轉(zhuǎn)子發(fā)生損 壞。

5 結(jié)束語

干式真空泵種類很多，本文主要對(duì)石化裝置常用的爪式和螺桿真空泵結(jié)構(gòu)及技術(shù)特點(diǎn)進(jìn)行介紹，并結(jié)合筆者的工作經(jīng)驗(yàn)提出了對(duì)干式真空泵選型設(shè)計(jì)應(yīng)注意的事項(xiàng)，希望能為廣大工程設(shè)計(jì)人員提供參考和借鑒。