王超

（中海油石化工程有限公司，濟南 250000）

關鍵字：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行中會產(chǎn)生大量的污水，這些污水的處理會導致能耗和投資增加。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、制苯裝置預分餾等，根據(jù)具體操作工況和介質特性，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)多個工程項目設計工作經(jīng)驗，對爪式和螺桿干式真空泵的種類和結構特點進行分析，并給出了選型設計的注意事 項。

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驗室使用。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計進行研究。

2 爪式真空泵

爪式真空泵主要由各級轉子對、各級隔板、泵體、軸、電機、同步齒輪組成，各級轉子對安裝在泵軸上，各級隔板安裝在泵體上，隔板設置有排氣道；隔板、轉子及泵體形成各級泵腔，具體結構如圖1 所示。

圖1 爪型泵結構原理圖Fig.1 Structure principle diagram of claw pump

（1）工作時，電機通過同步齒輪帶動泵軸轉動，泵軸帶動各級轉子轉動，隨著轉子的轉動，氣體依次通過進氣口—各級腔體—各級隔板氣體通道—排氣孔，如圖2 所示：當轉子轉到（a）位置時，進氣通道即將打開，排氣通道處于關閉狀態(tài)；

（2）當轉子由（a）轉到（b）位置時，進氣通道逐漸打開，吸氣腔逐漸增大，開始進氣，排氣通道關閉，排氣腔逐漸減少，氣體壓縮；

（3）當轉子由（b）轉到（c）位置時，吸氣腔繼續(xù)增大，排氣腔繼續(xù)減小，進氣通道打開，排氣通道逐漸打開，泵處于吸氣排氣狀態(tài)，轉到（c） 位置時最終完成吸氣排氣；

（4）當轉子由（c）轉到（d）位置時，吸氣腔和排氣腔互相聯(lián)通，吸氣腔和排氣腔內氣體相互混合；

（5）當轉子由（d）轉到（a）位置時，吸氣腔逐漸增大，形成負壓，準備開始吸氣，從而進入下一個循環(huán)。轉子旋轉一周會完成一次吸氣和排氣過程[5]。

圖2 轉子工作原理圖Fig.2 Working principle diagram of rotor

多級爪式泵根據(jù)轉子的布置型式可分為立式和臥式；根據(jù)轉子工作原理和具體結構可分為螺旋型、反爪型及螺旋反爪型，它們在性能上也有差異，其中在國內石化裝置中立式反爪型應用最為廣泛，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到1 Pa 左右。

該泵的優(yōu)點是可以處理帶有固體顆粒和液體的介質，泵腔內不需要冷卻，氣體在泵腔內停留時間較短，轉子具有較強的抗腐蝕能力，性能可靠；缺點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，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、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，以保證泵在工作時相互之間無摩擦、運轉平穩(wěn)，見圖3。其工作原理與螺桿壓縮機類似，電機通過同步齒輪帶動螺桿轉動，隨著螺桿的轉動，氣體從入口經(jīng)過螺桿擠壓最終到達排氣口，完成吸氣排氣的過程[6]。為降低螺桿真空泵腔體內的溫度，防止因溫度過高導致泵卡死，必須要用冷卻水冷卻螺桿內部或采用空氣或氮氣吹掃螺桿及內部泵腔，對于易燃易爆氣體，必須采用氮氣吹掃，因此對結構設計要求較高。

另外，SIHI 螺桿真空泵設計兩個電機同步驅動兩個轉子，取消同步齒輪和聯(lián)軸器，可保證在控制轉速和轉矩的同時，轉子部件相互之間無接觸；電機腔和泵腔采用特殊的靜密封。

圖3 螺桿泵結構示意Fig.3 Structure diagram of screw vacuum pump

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

表3 不同螺桿結構特性比較表Table 3 Performance comparison of different screws

如果處理具有腐蝕性和顆粒的氣體介質時，為延長泵使用壽命，需要在螺桿表面和泵腔進行涂層設計，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 涂層的基礎上再涂一層PFA）以及Hastelloy C 涂層，針對介質的特性可選擇不同的涂層技術，表4 列出了各涂層特點[8]。

圖4 不同螺桿結構示意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)點是抽速范圍寬廣，吸氣量可達1 500 m3/h，可以滿足不同的壓力要求，并獲得較高的真空度。

缺點是螺桿加工精度要求較高，造價高，對于不純凈含有顆粒雜質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 工程選型設計注意事項

根據(jù)干式真空泵的型式和技術特點，同時還應考慮工藝參數(shù)、使用壽命、設備維護是否方便、投資及運行成本等，對干式真空泵的選型設計應注意下列事項。

表4 不同涂層技術特點Table 4 Technical characteristics of different coatings

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

4.1 工藝操作及運行參數(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，導致真空泵的參數(shù)也各不相同，這直接導致真空泵選型的差異。

表6 干式真空泵工藝技術參數(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 的投資運行費用相對較高，方案1 采用2 臺泵，其運行維護也相對麻煩。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，只是抽負壓的時間延長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備就能滿足工藝要求，也有利于業(yè)主對該泵進行公開招標。

目前，國內生產(chǎn)的干式真空泵（螺桿和爪式）產(chǎn)品質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備機的情況下，一般選擇進口品牌；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，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，在設計選型時要特別注意泵抽速以及真空度的工藝要求，當抽速較大，真空度較高時，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

當抽除具有腐蝕性氣體、有毒氣體或聚合物時，為了便于對泵進行吹掃，會在泵的入口設置氮氣吹掃系統(tǒng)，當需要停泵檢修時，先關閉泵入口閥門，打開泵入口處氮氣吹掃系統(tǒng)，繼續(xù)運行泵20 ～ 30 min，待泵腔內吹掃干凈后停泵。

干式真空泵根據(jù)轉子的布置形式可分為立式和臥式，當泵送氣體介質含有自聚物時，自聚物容易在轉子表面結焦積碳，形成積碳化合物，若不能將這些積碳化合物及時排出，將導致轉子損壞，而立式真空泵可及時有效地排出固體物質，因此對于含有自聚物的氣體介質，應優(yōu)先選擇立式真空泵。

另外，在接近泵體出口端設置氮氣吹掃，以降低泵出口處介質溫度，防止自聚物發(fā)生結焦碳化；在泵入口設置清洗系統(tǒng)，當需要停泵檢修時，先對泵進行氮氣吹掃操作，吹掃完成后，降低泵的轉速，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氣，將泵轉速調整到正常轉速，檢查泵是否正常運轉，吹掃完成后停泵。這樣可有效清除泵內介質。

當抽除氣體在泵出口冷凝變成液體工況，例如油氣回收工藝，應將泵出口管設計成步步低，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 泵輔助設備選型設計

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，泵的入口應設置過濾器，以除去介質中固體顆粒和液體。一般采用真空緩沖罐或旋液分離器除去液相介質。采用網(wǎng)狀過濾器分離固體雜質效果較好。應根據(jù)具體工況設計過濾網(wǎng)目數(shù)，過濾網(wǎng)目數(shù)過大會導致壓力損失增大，造價高，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，泵內氣體介質一直處于壓縮過程，隨著氣體介質不斷被壓縮，介質的溫度會不斷升高，如果泵的冷卻系統(tǒng)出現(xiàn)故障（比如堵塞）會導致泵的轉子發(fā)生變形以及介質發(fā)生結焦，最終會導致泵卡死。因此泵的冷卻系統(tǒng)必須設置冷卻水過濾器、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，防止雜質進入換熱器發(fā)生堵塞；通過溫控閥可根據(jù)泵體溫度調節(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。泵體和冷卻器應設排凈閥，以便于定期對冷卻系統(tǒng)進行清洗，避免冷卻系統(tǒng)發(fā)生堵塞[10]。

（3）管路系統(tǒng)

泵的出口一般設置出口止回閥，以防止因泵出現(xiàn)故障，導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置氮氣吹掃，主要目的是防止齒輪箱的潤滑油進入泵內污染氣體介質，也可防止氣體介質從軸封處外漏。對于易燃易爆氣體介質，泵的進出應設置阻火器。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

真空泵應至少在泵體、真空泵出口以及后冷卻器出口處設置溫度變送器，以監(jiān)測泵體溫度、泵出口氣體介質溫度以及后冷卻器出口處氣體介質溫度是否滿足工藝設計要求。泵的入口和出口應設置壓力變送器，以監(jiān)測泵入口和出口壓力是否滿足工藝設計要求。如果在運行過程中發(fā)生報警，應及時對泵的冷卻系統(tǒng)和管路系統(tǒng)進行檢查，以避免泵的轉子發(fā)生損 壞。

5 結束語

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構及技術特點進行介紹，并結合筆者的工作經(jīng)驗提出了對干式真空泵選型設計應注意的事項，希望能為廣大工程設計人員提供參考和借鑒。