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        干式真空泵在石化裝置中的選型特點(diǎn)及設(shè)計(jì)探討

        2020-08-26 06:30:10王超
        化工設(shè)備與管道 2020年3期
        關(guān)鍵詞:泵體干式真空泵

        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)行中會產(chǎn)生大量的污水,這些污水的處理會導(dǎo)致能耗和投資增加。近年來,隨著國家對石化行業(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泵,組成羅茨爪式真空泵,用于壓力相對較低、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轉(zhuǎn)子對、各級隔板、泵體、軸、電機(jī)、同步齒輪組成,各級轉(zhuǎn)子對安裝在泵軸上,各級隔板安裝在泵體上,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)通過同步齒輪帶動泵軸轉(zhuǎn)動,泵軸帶動各級轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動,隨著轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動,氣體依次通過進(jìn)氣口—各級腔體—各級隔板氣體通道—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,它們在性能上也有差異,其中在國內(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、三級和四級,兩級爪式泵的極限真空在500 Pa 左右,三級泵的極限真空在50 Pa 左右,四級泵的極限真空能達(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),級數(shù)為三級。

        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)通過同步齒輪帶動螺桿轉(zhuǎn)動,隨著螺桿的轉(zhuǎn)動,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,對于易燃易爆氣體,必須采用氮?dú)獯祾撸虼藢Y(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)地對加工精度要求更高,因此價(jià)格也更高;另外,對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 臺爪式真空泵無法滿足,必須用兩臺EDP 250 才能滿足工藝要求,而對于螺桿真空泵,僅需1 臺即可滿足工藝要求。具體選型方案對比見表7。

        從選型方案可看出,方案1 的投資運(yùn)行費(fèi)用相對較高,方案1 采用2 臺泵,其運(yùn)行維護(hù)也相對麻煩。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設(shè)備就能滿足工藝要求,也有利于業(yè)主對該泵進(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,因此對于相對重要的工況或不設(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),為了便于對泵進(jìn)行吹掃,會在泵的入口設(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),先對泵進(jìn)行氮?dú)獯祾卟僮鳎祾咄瓿珊?,降低泵的轉(zhuǎn)速,通入清洗溶劑對泵腔清洗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)的溫度會不斷升高,如果泵的冷卻系統(tǒng)出現(xiàn)故障(比如堵塞)會導(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)對上游系統(tǒng)造成污染。

        泵的軸封處一般也會設(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。

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