水環(huán)泵+蒸汽噴射真空泵系統(tǒng)在鞍鋼的應(yīng)用

張鳳心，楊軼龍，趙雷，許海亮

（鞍鋼股份有限公司煉鋼總廠，遼寧 鞍山 114021）

目前，國(guó)內(nèi)外RH真空處理工藝普遍應(yīng)用蒸汽噴射真空泵系統(tǒng)，其具有抽氣能力強(qiáng)、抽速快、操作簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，但蒸汽耗量大，生產(chǎn)運(yùn)行成本高，已不適應(yīng)企業(yè)降本增效的需求。隨著我國(guó)水環(huán)泵技術(shù)的發(fā)展和廣泛應(yīng)用，用水環(huán)泵替代末級(jí)蒸汽噴射泵，即水環(huán)泵+蒸汽噴射真空泵系統(tǒng)的組合技術(shù)已經(jīng)成熟，這種模式不僅能夠降低蒸汽耗量和生產(chǎn)成本，而且適應(yīng)能力強(qiáng)，生產(chǎn)模式多樣化。為此，鞍鋼股份有限公司煉鋼總廠二分廠新增的100 t RH真空泵系統(tǒng)采用了水環(huán)泵+蒸汽噴射真空泵的組合模式，并且整套系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了國(guó)產(chǎn)化。本文對(duì)此做一介紹。

1 系統(tǒng)的技術(shù)參數(shù)和組成

1.1 系統(tǒng)的技術(shù)參數(shù)

RH真空泵系統(tǒng)的主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 RH真空泵系統(tǒng)的主要技術(shù)參數(shù)Table 1 Main Technological Parameters for RH Vacuum Pump System

1.2 系統(tǒng)的組成

RH真空泵系統(tǒng)由水環(huán)泵和蒸汽噴射泵兩部分組成，圖1為水環(huán)泵+蒸汽噴射真空泵系統(tǒng)的流程圖。

圖1 水環(huán)泵+蒸汽噴射真空泵系統(tǒng)的流程圖Fig.1 Flow Diagram for Water Circulation Pump Plus Steam-jet Vacuum Pump System

1.2.1 水環(huán)泵的組成和工作原理

由圖1所示，從C2冷凝器的頂部引出一根抽氣管，經(jīng)過廢氣過濾器過濾掉氣體中的大顆粒接入并聯(lián)布置的三臺(tái)水環(huán)泵W4a、W4b、W4c，用于代替S4a、S4b兩臺(tái)蒸汽噴射泵的作用。每臺(tái)水環(huán)泵連接管道上安裝入口切斷閥，并在管道上安裝有啟動(dòng)閥和氣鎮(zhèn)閥，水環(huán)泵的出口安裝消音器，可大大減少噪聲，被抽氣體通過消音器排到廠房外。

水環(huán)泵的工作原理為：?jiǎn)?dòng)前通過水環(huán)液補(bǔ)水管線給真空泵腔體加適量的水作為工作液,啟動(dòng)水環(huán)泵葉輪順時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí),由于離心力的作用，水被葉輪拋向四周,形成一個(gè)決定于泵腔形狀的近似于等厚度的封閉圓環(huán)。圖2為水環(huán)泵的結(jié)構(gòu)和抽氣性能曲線。 由圖 2（a）所示，水環(huán)的上部分內(nèi)表面恰好與葉輪輪轂相切,水環(huán)的下部分內(nèi)表面剛好與葉片頂端接觸 （實(shí)際上葉片在水環(huán)內(nèi)有一定的插入深度）。此時(shí)葉輪輪轂與水環(huán)之間形成一個(gè)月牙形空間,而這一空間又被葉輪分成與葉片數(shù)目相等的若干個(gè)小腔。如果以葉輪的上部0°為起點(diǎn),那么葉輪在旋轉(zhuǎn)前 180°時(shí)小腔的容積由小變大,且與端面上的吸氣口相通,此時(shí)氣體被吸入,當(dāng)吸氣終了時(shí)，小腔則與吸氣口隔絕;當(dāng)葉輪繼續(xù)旋轉(zhuǎn)時(shí),小腔由大變小,使氣體被壓縮;當(dāng)小腔與排氣口相通時(shí),氣體便被排出泵外，完成一個(gè)抽氣過程。水環(huán)泵是靠泵腔容積的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)吸氣、壓縮和排氣的,因此，它屬于變?nèi)菔秸婵毡?。由圖2（b）看出，水環(huán)泵的吸入氣體壓力決定著輸出功率，當(dāng)壓力在20～100 kPa時(shí)，水環(huán)泵的工作效率高，抽氣速度也會(huì)較快。結(jié)合RH蒸汽噴射泵的工作模式，水環(huán)泵能夠替代末級(jí)蒸汽噴射泵。

圖2 水環(huán)泵的結(jié)構(gòu)和抽氣性能曲線Fig.2 Structure of Water Circulation Pump and Its Vacuum Performance Curves

1.2.2 蒸汽噴射泵的組成和工作原理

由圖1所示，蒸汽噴射泵系統(tǒng)由四級(jí)蒸汽噴射真空泵組成，主要包括增壓泵S1、S2,冷凝器C1、C2、C3。增壓泵S1與S2通過抽氣管道相連，增壓泵S2與冷凝器C1相連，冷凝器C1通過噴射泵S3a、S3b與冷凝器C2相連；冷凝器C2通過噴射泵S4a、S4b與冷凝器C3相連，其中噴射泵S3a與S3b、噴射泵S4a與S4b均屬于并聯(lián)關(guān)系。噴射泵S3b、S4a和S4b的吸入口設(shè)有氣動(dòng)切斷閥，能將噴射泵迅速切斷并為C2排氣接水環(huán)泵提供條件。

圖3 為蒸汽噴射泵的結(jié)構(gòu)和抽氣性能曲線。圖3（a）為蒸汽噴射泵的工作原理示意圖，即高壓蒸汽經(jīng)過噴嘴加速后獲得超音速氣流，進(jìn)入混合段，在混合室內(nèi)造成低壓，將被抽氣體吸入，并與之進(jìn)行動(dòng)量交換進(jìn)入擴(kuò)壓段。擴(kuò)壓段喉管混合氣體壓力上升，速度降至音速。速度進(jìn)一步下降接近于零，壓力高于出口壓力，從而達(dá)到抽氣的目的。由圖3（b）抽氣性能曲線可知，在臨界點(diǎn)之前，蒸汽噴射泵的抽氣量與吸入氣體壓力無(wú)關(guān)。當(dāng)過臨界點(diǎn)后，吸入氣體的壓力越高，噴射泵的抽氣量越大，抽氣能力也就越強(qiáng)。

圖3 蒸汽噴射泵的結(jié)構(gòu)和抽氣性能曲線Fig.3 Structure of Steam-jet Pump and Its Vacuum Performance Curves

2 應(yīng)用實(shí)踐

由水環(huán)泵+蒸汽噴射泵組成的RH真空泵系統(tǒng)具有兩種工作模式：四級(jí)全蒸汽噴射泵模式和水環(huán)泵+（三級(jí)）蒸汽噴射泵模式，兩種模式可以互相獨(dú)立使用。下面分別對(duì)兩種模式的工作流程進(jìn)行介紹，并對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

2.1 全蒸汽噴射泵模式

在全蒸汽噴射泵模式下，泵啟動(dòng)順序?yàn)椋寒?dāng)抽氣開始時(shí)，首先打開XV303、XV304、XV305切斷閥、XV202（C2、C3 下）冷凝器進(jìn)水閥和XV208 進(jìn)水閥，關(guān)閉破空閥；打開噴射泵S4b蒸汽閥XV107和噴射泵S4a蒸汽閥XV106，延時(shí)20 s打開主真空截止閥，C2、C3冷凝器通水；當(dāng)真空度降至45 kPa以下時(shí)，打開三級(jí)輔噴射泵S3b蒸汽閥XV105、三級(jí)主噴射泵S3a蒸汽閥XV104；當(dāng)真空度降至10 kPa時(shí)，關(guān)閉XV303、XV305切斷閥，依次關(guān)閉噴射泵S4b蒸汽閥XV107、噴射泵S3b蒸汽閥 XV105，關(guān)閉 XV202（C2、C3 下）冷凝器進(jìn)水閥和XV208進(jìn)水閥，打開C1下冷凝器進(jìn)水閥XV201，打開增壓泵S2蒸汽閥XV103；當(dāng)真空度達(dá)到1.5 kPa時(shí)，打開增壓泵S1蒸汽閥XV102；直至真空達(dá)到67 Pa以下，全泵投入 （S1+S2+S3a+S4a）。表2為全蒸汽噴射泵模式抽氣時(shí)間的測(cè)試結(jié)果，該模式下抽氣共192 s。

表2 全蒸汽噴射泵模式抽氣時(shí)間的測(cè)試結(jié)果Table 2 Test Results of Vacuum Time for All-steam Jet Pump Mode s

2.2 水環(huán)泵+蒸汽噴射泵模式

在水環(huán)泵+蒸汽噴射泵模式下，泵的啟動(dòng)順序?yàn)椋寒?dāng)抽氣開始時(shí)關(guān)閉XV304、XV305切斷閥，打開XV202（C2、C3下）冷凝器進(jìn)水閥，關(guān)閉XV208進(jìn)水閥，關(guān)閉破空閥；打開XV303切斷閥，啟動(dòng)水環(huán)泵 W4a、W4b、W4c，打開相應(yīng)的進(jìn)水閥 XV206、XV205、XV204，延時(shí)5 s后打開對(duì)應(yīng)水環(huán)泵進(jìn)氣閥門 XV306、XV307、XV308，延時(shí) 20 s打開主真空截止閥；當(dāng)真空度達(dá)到45 kPa時(shí)，打開三級(jí)輔噴射泵S3b蒸汽閥XV105、三級(jí)主噴射泵S3a蒸汽閥XV104；當(dāng)真空度達(dá)到10 kPa時(shí)，關(guān)閉XV303切斷閥，關(guān)閉噴射泵S3b蒸汽閥XV105，關(guān)閉XV202（C2/C3下）冷凝器進(jìn)水閥和XV208進(jìn)水閥，打開C1下冷凝器進(jìn)水閥XV201，打開增壓泵S2蒸汽閥XV103；關(guān)閉W4c水環(huán)泵進(jìn)氣閥XV308、10 s后停止W4c水環(huán)泵并關(guān)閉對(duì)應(yīng)的進(jìn)水閥XV204；當(dāng)真空度達(dá)到1.5 kPa時(shí)，打開增壓泵S1蒸汽閥XV102；關(guān)閉W4b水環(huán)泵進(jìn)氣閥XV307、10 s后停止W4b水環(huán)泵并關(guān)閉對(duì)應(yīng)的進(jìn)水閥XV205，當(dāng)真空度達(dá)到67 Pa時(shí)開始計(jì)時(shí)，全泵投入（S1+S2+S3a+W4a）。表3為水環(huán)泵+蒸汽噴射泵模式抽氣時(shí)間的測(cè)試結(jié)果，該模式下抽氣共150 s，比全蒸汽模式縮短了42 s，對(duì)縮短RH真空處理時(shí)間和提高產(chǎn)量起到了至關(guān)重要的作用。

表3 水環(huán)泵+蒸汽噴射泵模式抽氣時(shí)間的測(cè)試結(jié)果Table 3 Test Results of Vacuum Time for Water Circulation Pump Plus Steam-jet Vacuum Pump Mode s

2.3 兩種模式的蒸汽消耗對(duì)比

末級(jí)泵分別選用全蒸汽泵和水環(huán)泵的模式，保持蒸汽壓力穩(wěn)定在1.0 MPa，在連續(xù)3天的時(shí)間內(nèi)，記錄兩種模式下各處理20爐鋼水的蒸汽耗量，對(duì)比見圖4。由圖4可知，水環(huán)泵+蒸汽噴射泵模式的蒸汽耗量平均為13.69 t/h，比全蒸汽噴射泵模式少23%。

圖4 蒸汽消耗量的對(duì)比Fig.4 Comparison of Steam Consumption

2.4 經(jīng)濟(jì)效益分析

（1）水環(huán)泵+蒸汽噴射泵模式的電耗成本

由表3可知，真空度為101～45 kPa和45～10 kPa時(shí)是三臺(tái)水環(huán)泵運(yùn)轉(zhuǎn)，時(shí)間為110 s；真空度為10～1.5 kPa時(shí)是兩臺(tái)水環(huán)泵運(yùn)轉(zhuǎn)，時(shí)間為20 s；真空度為1.5～0.067 kPa時(shí)是一臺(tái)水環(huán)泵運(yùn)轉(zhuǎn)，時(shí)間為20 s，水環(huán)泵電機(jī)功率為200 kW，計(jì)算水環(huán)泵+蒸汽噴射泵模式的抽真空期間內(nèi)電能消耗為：

（110×3×200+20×2×200+20×200）÷3 600

=21.7 （kW·h）

平均處理一罐鋼水的時(shí)間為40 min，除去抽真空時(shí)間（150 s，即 2.5 min），進(jìn)入真空保持階段的時(shí)間為40-2.5=37.5 min，該階段是一臺(tái)水環(huán)泵運(yùn)轉(zhuǎn)，電能消耗為：

37.5×200÷60=125 （kW·h）。

所以，水環(huán)泵+蒸汽噴射泵模式下處理一罐鋼水的電能消耗為：

21.7+125=146.7 （kW·h）

RH年產(chǎn)量70萬(wàn)t，每罐鋼水100 t，以電能單價(jià) 0.556 元/（kW·h）計(jì)算，水環(huán)泵+蒸汽噴射泵模式的年消耗電能為：

700 000÷100×146.7×0.556÷10 000≈57.1（萬(wàn)元）

（2）水環(huán)泵+蒸汽噴射泵模式節(jié)省的蒸汽成本

由圖4可知，采用水環(huán)泵+蒸汽噴射泵模式處理一罐鋼水比采用全蒸汽噴射泵模式節(jié)省蒸汽耗量為：

（17.79-13.69）×40÷60≈2.73 t

年節(jié)省蒸汽耗量為：

700 000÷100×2.73=19 110 t

蒸汽單價(jià)為53元/GJ，每t蒸汽合2.73 GJ計(jì)算，年節(jié)省蒸汽成本為:

19 110×2.73×53÷10 000＝276.5（萬(wàn)元）

（3）降低成本

276.5－57.1=219.4（萬(wàn)元）

生產(chǎn)實(shí)踐表明，自2019年12月使用以來(lái)，國(guó)產(chǎn)化的高效水環(huán)泵+蒸汽噴射泵真空處理系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定，維護(hù)方便，生產(chǎn)適應(yīng)能力強(qiáng)。而且，生產(chǎn)模式多樣化，可以根據(jù)RH不同工藝要求，選用水環(huán)泵、水環(huán)泵+蒸汽噴射泵和全蒸汽噴射泵等多種組合模式，完全滿足RH抽真空的工藝要求。

3 結(jié)語(yǔ)

鞍鋼股份有限公司煉鋼總廠二分廠100 t RH成功應(yīng)用了國(guó)產(chǎn)化的高效水環(huán)泵+蒸汽噴射真空泵系統(tǒng)。該系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定，維護(hù)方便，生產(chǎn)適應(yīng)能力強(qiáng)，與傳統(tǒng)的全蒸汽噴射泵模式相比，可節(jié)約蒸汽耗量23%，年節(jié)省成本219.4萬(wàn)元，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能降耗的目的。同時(shí)，該模式的抽真空時(shí)間短，抽氣能力強(qiáng)，對(duì)縮短RH真空處理時(shí)間和提高產(chǎn)量起到了至關(guān)重要的作用。水環(huán)泵+蒸汽噴射真空泵系統(tǒng)可以根據(jù)RH真空度的工藝需求選用水環(huán)泵、水環(huán)泵+蒸汽噴射泵、全蒸汽噴射泵等多種組合模式，均能滿足RH的抽真空要求。