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構(gòu)以及系統(tǒng)復(fù)雜度，對真空泵裝置實施合理選型，保障石油化工相關(guān)生產(chǎn)工藝的有序?qū)嵤?，同時實現(xiàn)節(jié)能減耗目標，促進實現(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)展過程中，中國石油化工產(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需油的干操控運行真空裝置，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)部進行安裝，在啟動裝置中，需要將相應(yīng)工作液添加到泵內(nèi)。在裝置啟動后，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，葉輪和葉片把整個空間分解成數(shù)個不同體積腔體。在吸氣中，腔體內(nèi)部體積呈現(xiàn)出從小到大的變化趨勢，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，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際操作要求實施合理選擇。

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，其可以細分為多級高真空羅茨泵、中真空羅茨泵以及大氣直排羅茨泵。當(dāng)前在中國石化生產(chǎn)中普遍應(yīng)用機械增壓式羅茨泵。通過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)置了兩個三葉形轉(zhuǎn)子和八字形轉(zhuǎn)子，互相垂直安裝，通過一對齒輪同步運轉(zhuǎn)，帶動整個轉(zhuǎn)子實施反向同步旋轉(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，促進高速運行。機械增壓模式羅茨泵在實際運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。該種羅茨泵在實際應(yīng)用中無法單獨利用，需額外搭配前級泵進行應(yīng)用。啟動中，需要將前級泵前啟動，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)運轉(zhuǎn)羅茨泵，不然便會出現(xiàn)電機過載運行和泵轉(zhuǎn)子卡阻等問題[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驅(qū)動下反向旋轉(zhuǎn)螺桿構(gòu)成，實施各項操作。而螺桿和泵殼以及螺桿間存在相應(yīng)縫隙，確保各個金屬之間不接觸，促進轉(zhuǎn)子實現(xiàn)非接觸下的嚙合。螺桿真空泵在實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。裝置內(nèi)部各個工作部件具有較長的應(yīng)用壽命，在實際運行中不會產(chǎn)生摩擦現(xiàn)象。

第三是爪式真空泵當(dāng)前在我國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)制造的立式三級結(jié)構(gòu)，國內(nèi)郎禾科技企業(yè)制造的立式四級結(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)計為四級和三級壓縮模式，能夠得到相對較高真空度。該種形式真空泵內(nèi)部泵腔按照順序依次串聯(lián)，同時在各級泵腔當(dāng)中分別設(shè)置一對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動為主。當(dāng)爪型轉(zhuǎn)子吸入介質(zhì)后，被進一步壓縮和排放。各對轉(zhuǎn)子分別設(shè)置在兩個平行軸中，整個軸主要通過上下兩端軸承作為基礎(chǔ)支撐。爪式真空泵中因為涉及多種間隙控制，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，增加了泵安裝維護難度，而爪式真空泵在實際運行中的抽速相對較低。

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，對于整個裝置的穩(wěn)定運行具有重要作用，下面介紹幾種不同類型真空泵。在具體實踐運行中，泵內(nèi)傳輸氣體的升溫幅度相對較低。泵腔體中并不存在金屬摩擦面，也不需要額外實施潤滑處理，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施有效處理，成本低廉，具有較高抽速速率。而主要操作缺點包括機組運行效率較低，大概低30%左右，整體運行能耗較高。結(jié)構(gòu)配置十分復(fù)雜，占據(jù)空間較廣，在日常運行操作中需要采取相應(yīng)的維護措施。容易產(chǎn)生某種廢液，也不適合具有較高介質(zhì)純度要求場所。

大氣直排形式的羅茨泵在實際應(yīng)用中主要優(yōu)勢如下，即可單獨應(yīng)用，存在較大壓差，可以進行大氣直排。降低整體運行能耗、擁有較高體積效率。在實際運行中不會產(chǎn)生任何廢液，適合抽吸介質(zhì)具有較高純凈度要求的運行工況。該種設(shè)備的主要運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，存在較多維護點。

機械增壓形式的羅茨泵在實際應(yīng)用中主要包括以下優(yōu)勢，相關(guān)設(shè)備在具體運行中方便維護，整個占據(jù)空間面積相對較小，結(jié)構(gòu)配置較為簡潔。因為該羅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，在實際運行操作中不會產(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)用缺陷為無法單獨應(yīng)用，為此需要將泵和前級泵兩種設(shè)備實施串聯(lián)應(yīng)用，設(shè)備實際應(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)勢類似于機械增壓羅茨泵。

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、抽氣量大的運行工況下，參考相應(yīng)的技術(shù)指標和權(quán)衡經(jīng)濟，盡量選擇液環(huán)式真空泵進行生產(chǎn)運行。上述工況下，假如真空泵對應(yīng)機組存在較大吸氣量，如果選擇干式真空泵，在真空泵串聯(lián)數(shù)量相繼增加，在具體運行能耗和基礎(chǔ)配置上整體優(yōu)勢較低。

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，實施降溫處理，能夠有效維持恒定溫度，有利于環(huán)液運行，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，整個系統(tǒng)設(shè)備投運中能夠始終維持平穩(wěn)運行。

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，同時還會擴大污水處理成本。除此之外，設(shè)置液環(huán)真空泵，整個系統(tǒng)機組整體配置工作十分復(fù)雜，會產(chǎn)生大量能耗。考慮到出口壓力相對較低以及泵的抽吸速度較小等問題，可以選擇設(shè)置干式真空泵，不但不會產(chǎn)生任何多余廢液，整個系統(tǒng)配置也十分簡潔，和液環(huán)真空泵相比，整個機組運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

在應(yīng)用干式真空泵條件下需要重點注意以下內(nèi)容，第一是為了滿足系統(tǒng)運行中的極限真空數(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)速相對較高，所以需要實時監(jiān)控干式真空泵的振動狀態(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)實磨損狀況，實現(xiàn)機組運行狀態(tài)監(jiān)控目標。應(yīng)用干式真空泵時，泵內(nèi)介質(zhì)呈現(xiàn)出一種快速升溫狀態(tài)，普遍需要對泵的排氣壓力、外部泵殼溫度以及泵內(nèi)排氣溫度實施全面在線監(jiān)測，避免設(shè)備過載導(dǎo)致轉(zhuǎn)子過高升溫問題出現(xiàn)。

第二是針對相關(guān)機組設(shè)備實施防爆認證，在干式真空泵正常運行中容易產(chǎn)生機械活化現(xiàn)象，所以處于易燃易爆場所內(nèi)設(shè)置應(yīng)用干式真空泵，需要率先做好真空泵的整機防爆檢測認證。當(dāng)前，針對干式真空泵實施綜合檢測認證處理中，國內(nèi)的行業(yè)標準單純對泵組中的儀表設(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，可以在易燃易爆場所內(nèi)按照具體規(guī)范要求實施干式真空泵綜合選型設(shè)計工作，開展機組防爆檢測認證，優(yōu)化整個機組設(shè)備的運行穩(wěn)定性和可靠性。

4 結(jié)語

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行工況適合選擇干式真空泵對整個機組運行狀況實施合理保護監(jiān)測。對于各種易燃易爆場所中應(yīng)用干式真空泵時，需要開展防爆檢測。