蒸汽噴射－水環泵改造可行性研究

張 鈺，吳建龍，賀 琪，閆 娟

(中國重型機械研究院股份公司，陜西 西安 710032)

0 前言

目前，鋼鐵行業面對發展嚴峻形勢和環保壓力的不斷增大，嚴格能源環保標準和總量限制、大力推進節能減排，將是未來破解行業產能過剩困境的重要途徑，是倒逼行業轉型發展的有效手段［1］。鋼鐵行業產能嚴重過剩，形勢極為嚴峻。國家要求鋼鐵行業必須有效降低能源消耗，加強二次能源回收利用［2］。

為積極響應國家號召，中國重型機械研究院股份公司立足原有蒸汽噴射真空泵技術，協同國內某煉鋼廠相關技術、管理人員，進行深入細致的現場調查和技術交流，提出利用成熟的水環真空泵取代末級蒸汽噴射泵以節省大量蒸汽。本改造不僅可以解決或有效緩解蒸汽不足的問題，而且可以利用回收利用節余蒸汽，節約噸鋼成本，增強行業競爭能力。節余的流量波動大的低壓飽和蒸汽適用于螺桿膨脹發電［3］，實現二次能源回收利用，降低噸鋼成本≥1.0元/t。

1 技術可行性

1.1 蒸汽噴射真空泵系統分析

水蒸汽噴射真空泵是靠拉瓦爾噴咀噴出的高速水蒸汽流來攜帶氣體的。該鋼廠利用五級泵組合抽出鋼液內的廢氣，建立了真空精煉所需的真空度。

1.1.1 技術參數

第一級泵吸入壓力 67Pa

第五級泵入口極限壓力 ≤25kPa

排氣量 1 000 kg/h

蒸汽壓力 0.8～1.0 MPa(表壓)

蒸汽溫度 185～195℃

蒸汽耗量 最大38t/h

濁環冷卻水壓力 0.3 MPa

濁環冷卻水溫度 ≤35℃

濁環冷卻水耗量 最大2000t/h

吸氣溫度 ≤300℃

廢氣介質 空氣

1.1.2 五級蒸汽噴射泵性能曲線

根據RH/VD真空度、抽氣時間和抽氣速度的要求，五級泵性能曲線走勢如圖1所示，如要替代取代第五級蒸汽噴射泵，必須在4-5曲線間進行。

圖1 五級蒸汽噴射泵系統真空度、抽氣量曲線Fig.1 The curve of vacuum and pumping quantity of five stage steam jet ejector

1.2 水環真空泵系統分析

水環真空泵是靠泵腔容積的變化來實現吸氣、壓縮和排氣的，屬于變容式粗真空泵。系統如圖2所示。

1.2.1 水環泵的優點

圖2 水環泵系統示意圖Fig.2 The system diagram of water ring vacuum bump

由于泵腔內沒有金屬磨擦表面，且工作水為壓縮介質，無須對泵內進行潤滑，而且磨損很小。轉動件和固定件之間的密封可直接由水封來完成;即使在抽吸腐蝕性氣體和含有液滴的氣體也不會有什么壞的影響。設備具有抗氣蝕的能力，防止長期氣蝕對泵體內腔和葉輪的損害，延長泵的使用壽命;意外地混入灰塵，泵也能夠承受;吸氣均勻，工作平穩可靠，操作簡單，維修方便。相當于通用的離心泵［5］。在正常設備運行條件下，連續自動運行，可無人值班。

1.2.2 水環泵性能曲線

如圖3所示，水環泵性能曲線平緩，在工作點處略有下降。軸功率平滑遞增，在工作點附近達到最大。顯然，泵性能平穩可靠。曲線與圖1不同，特別是抽氣速度和極限真空度不同。大抽氣量時，極限真空度可達20 kPa以上。

1.2.3 技術參數

根據圖1和圖3，選工作點真空度35 kPa、排氣量240 m3/min的高效水環真空泵。其技術參數如下:

吸入壓力 ≤35 kPa

極限壓力 ≤25 kPa

排氣量 ≥240 m3/min

工作液溫度 ≥15℃

吸氣溫度 ≥20℃

工作介質 空氣

電機功率 315 kw

電壓工頻 380 V

圖3 水環泵真空度、抽氣量、軸功率曲線［6］Fig.3 The curve of vacuum and pumping quantity，effective power of water ring vacuum bump

1.3 改造可靠性

1.3.1 掌握現有蒸汽噴射泵參數

中重院是國內唯一800～1 000 kg/h排氣量以上鋼液精煉用蒸汽噴射泵設計單位。該鋼廠的RH和VD蒸汽噴射真空系統均由中重院自主設計成套供貨。其中第五級泵(S5a和S5b)的蒸汽參數、濁環水參數、極限真空度、抽氣速度、抽氣時間、廢氣溫度以及前級噴射泵抽氣性能和冷凝器冷卻效率等決定水環泵合理可靠改造的核心參數。

1.3.2 合理選配水環泵

如前所述，將在圖1中的4-5曲線間配置水環泵，合理取代第五級蒸汽噴射泵。其原因如下:

(1)圖1曲線真空度和抽氣量存在一定重合度的要求。超出重合區域，真空泵系統將無法工作;

(2)合理選取水環泵，避免極限真空度過高而導致電耗過大，避免過低而破壞曲線重合度;

(3)合理選取水環泵，避免抽氣量過高而導致電耗過大，避免過低而破壞曲線重合度;

(4)真空泵工作點必須選擇在重合區域內，保證系統穩定，避免耗能過大;

(5)在曲線4以上，水環泵將無法與原有蒸汽泵匹配，抽氣能力過低，導致系統失效;

(6)在曲線5以下，水環泵抽氣速度較低，導致系統抽氣時間延長，無法適應精煉工藝要求;

(7)在4-5曲線間，水環泵曲線配置越高，電耗越大;

(8)水環泵曲線平緩，但是蒸汽泵曲線陡峭。在4-5曲線間依靠水環泵抽氣的平均性能來衡量改造效果。為滿足RH、VD精煉對時間的要求，水環泵曲線應具備合適的曲率，即抽氣速度;

(9)水環泵排氣曲線與能耗曲線直接關聯，在工作點附近軸功率達到最大，避免過多浪費電能。

1.3.3 水環泵性能保證

(1)抽真空初期，泵同時開啟，并聯運行，提高系統抽氣速度。RH抽真空至35 kPa，需要的時間不大于1.5 min。抽至＜25 kPa的時間不大于2.0 min。VD抽真空至35 kPa，需要的時間不大于2.0 min，抽至＜25 kPa的時間不大于2.5 min;

(2)兩臺同時開啟，并聯運行，能夠滿足吹氧脫碳階段精煉工藝的各種需要。RH抽真空至35 kPa，需要的時間不大于2.0 min。抽至＜25 kPa的時間不大于2.5 min;VD抽真空至35 kPa，需要的時間不大于2.5 min，抽至＜25 kPa的時間不大于3.0 min;

(3)一臺開啟不但可以滿足RH預抽真空的需要，還可以維持高真空精煉脫氣的需要。每臺極限真空度可以抽至25 kPa以上;

(4)在冷卻水溫＜35℃時，工作點處，泵的最大抽干空氣量＞240 m3/min;

(5)根據原有蒸汽噴射泵抽氣性能的需要，水環泵工作點在35 kPa附近，極限真空度可以抽至25 kPa以上;

(6)為了保證水環泵排氣性能，確保原有C1和C2冷凝器將水環泵前的幾級水蒸汽噴射泵的工作蒸汽高效冷卻下來;

(7)為了保證水環泵排氣性能，盡量減小排氣管路引起的壓力損失，在水泵出口配汽水分離器，同時盡量縮短排氣管路;

(8)為了保證水環泵排氣性能，盡量控制工作水溫度，避免水溫過高;

(9)通過變頻控制，不但可以安全啟動，還可以按照吸入真空度恒定而質量流量變化的特點，采用壓力變送器的信號，通過PLC的設定，對泵的轉速進行變頻控制。適當調節從大氣壓到工作點的抽氣性能，使泵在最經濟的狀態下運行［7］。

(10)泵入口配自動切斷閥。停泵或切換運行或故障時自動關閉，避免大氣倒流破壞系統真空度。

1.3.4 降低故障率

在設計選配、制造、安裝、調試、運行階段盡可能降低水環泵故障率，措施如下:

(1)為保證工作水質，建議使用軟水，但考慮到經濟性和可實現性，采用原蒸汽冷卻系統的濁環水，并且在泵工作水入口管路上設置過濾器;

(2)為防止加大顆粒異物進入泵體，在泵進氣管道上安裝過濾器。當過濾器阻力過大或堵塞嚴重時，可自動切換至旁通管道;

(3)為防止泵內積灰、結垢，開泵前和停泵后必須利用工作水沖洗泵腔;

(4)如果停泵后葉輪因水垢卡死，用弱酸性溶液清洗，再用清水沖洗;

(5)運轉頻率較高時，內部機件生銹現象將減小。長期停機后，要及時放凈泵內的積水;水環區域部件可采用特殊材料(如不銹鋼)，但價格昂貴，一般碳鋼材料即可;

(6)合理選配水環泵，不追求過高真空度，可以防止汽蝕現象，或在泵體上增加排氣孔;

(7)根據真空度與工作水量的關系，合理調節工作水量到最佳供水量。長期運行，可以節省大量用水成本。泵在運轉過程中，用流量計檢測是否按照規定水封量注水;

(8)合理調節填料密封的供水量，使得供水壓力在0.02～0.04 MPa之間，取得最佳冷卻效果;

(9)為避免啟動電流過大損壞電氣部件，采用變頻啟動;

(10)運行中，經常監控供電電壓和軸功率(電流)是否正常，經常監控極限真空度和抽氣時間是否異常，如有異常，報警提示;

(11)運行中，經常監控泵體排氣時是否發出異常聲音，判斷是否出現故障;

(12)泵體安裝要求較高，需要精確定位，控制部件配合間隙。保證土建基礎滿足安裝要求;

(13)日常注意活動部位的潤滑，軸承溫升不大于75℃。每運行2500h，檢查更換一次軸承潤滑脂［8］;

(14)定期更換填料密封。根據填料密封處水滴情況判斷水滴量過大或過小，均需調節填料密封的松緊程度;

1.4 改造方案設計

1.4.1 方案說明

在C2冷凝器上引出抽氣管道，接至3臺水環泵組入口;排氣管道由水環泵組出口接至C3冷凝器出口管道，如圖4所示。3臺水環泵安裝在地面適當位置上。使用原有蒸汽泵系統的冷凝器濁環水作為工作水，并增加過濾器。排水進入回水收集箱內，循環利用。保留原有第五級蒸汽泵和C3冷凝器，作為備用泵。每個泵進氣口均有自動切斷閥，獨立排氣，獨立維護。系統離線改造，易于實現。

圖4 蒸汽噴射－水環真空泵系統示意圖Fig.4 The system diagram of steam jet ejector-water ring vacuum bump

1.4.3 項目選址

根據水環泵結構尺寸、自身重量和工作可能振動的特點以及真空系統管路最短原則，確定在原有蒸汽噴射真空泵較近區域內50～70 m2地面安裝設備。

2 經濟可行性

上世紀70年代，先進國家早已論證了蒸汽噴射-水環真空泵改造的經濟可行性。中重院技術人員及時跟蹤日本專家田中秀雄關于《節省能源的水環泵》的論著，翻譯并研究得出水環泵在吸氣壓強高于7.3 kPa時，其經濟性優于同等抽氣能力的純蒸汽噴射泵，二者的實際費用比較如圖5所示。

圖5 水環真空泵和蒸汽噴射泵的實際費用比較Fig.5 The practical cost compared with water ring vacuum bump and steam jet ejector

根據該鋼廠的實際工況，結合長期研究的成果，分析本次改造后將帶來的能源節省量預計收益情況，進一步說明項目改造的必要性。

2.1 計算條件

2.1.1 工藝條件

(1)鋼包平均處理爐容225 t;

(2)RH爐每天處理爐數19爐;

(3)RH爐凈真空處理時間平均37 min，其中啟動真空泵至8 kPa吹氧脫碳完成 時間約13.5 min，全泵開啟保持極限真空133 Pa以下至脫氫完成時間約23.5 min;

(4)RH每爐間需要預抽，平均時間2 min/爐;

(5)VD爐每天處理爐數3爐;

(6)VD爐凈真空處理時間平均30 min。其中，啟動真空泵至5kPa穩定脫氣(防止溢渣)時間約15 min;全泵開啟保持極限真空133 Pa以下至脫氫完成時間約15 min;

(7)RH和VD均選配為1 000 kg/h，67Pa真空泵;

(8)年有效工作天數348天。

2.1.2 蒸汽條件

(1)兩臺轉爐:收50t/h蒸汽;一臺轉爐處理時間40 min，兩臺交替生產，收集蒸汽;

(2)蓄熱站:蒸汽壓力0.9 MPa(絕壓)，溫度180℃;

(3)RH生產VD不生產時，結余≥10 t/h蒸汽。目前多余蒸汽并入低壓蒸汽管網，不收錢;

(4)RH與VD同時生產時，蒸汽供應不足，120元/t購買;

(5)RH處理時，G模式下，蒸汽峰值消耗最大值36 t/h;改造后30 t/h;D模式下，蒸汽峰值消耗最大值38 t/h;改造后，17 t/h;A模式下，蒸汽峰值消耗最大值6 t/h;改造后，0 t/h;

(6)VD處理時，G模式下，蒸汽峰值消耗最大值36 t/h;改造后，30.2 t/h;D模式下，蒸汽峰值消耗最大值37.5 t/h，改造后，16.7 t/h;A模式下，蒸汽峰值消耗最大值5.8 t/h;改造后，0 t/h。

2.1.3 水環泵條件

(1)電功率。每臺電機功率≤315 kW。B模式時，三臺同時啟動。第三臺泵在真空度建立初期開啟，約1.5 min后關閉，其余時間作為備用泵。C或D模式時，兩臺同時工作。A或E或F或G模式時，一臺工作。

(2)工作水來自濁環水，每臺流量＜20 m3/h，水溫＜35℃，進水壓力約＜1.0 MPa。

(3)電費:0.658元/度。

2.2 蒸汽節能預計收益

(1)年蒸汽節省量。RH年蒸汽節省量=原蒸汽年耗量－現蒸汽年耗量=151 894.8－103 531.3=48 363.5 t。折合年節省標煤為:

48 363.5×2 778/2 9271.2≈4 590.0 t

每爐噸鋼能耗折合標煤為:

4 590.0/149≈30.8 t

VD年蒸汽節省量=原蒸汽年耗量-現蒸汽年耗量=16 537.5－10 552.5=5 985 t(36.19%)。折合年節省標煤為:

每萬t鋼能耗折合標煤為:

上式中2 778 kJ/kg為絕壓0.9 MPa，175℃的飽和蒸汽的焓值;29 271.2 kJ為按1 t標準煤的發熱量;149萬t為RH年平均產量;24萬t為VD年平均產量。由此可見，RH和VD年節省蒸汽量非常可觀，總折合年節省標煤為5 148.0 t。顯然，當該廠產量增加后，蒸汽節省量更大。

蒸汽噴射泵工作原理和設計要求蒸汽應為絕壓0.9 MPa、195℃的過熱蒸汽(焓值為2 828 kJ/kg)。目前，該鋼廠真空泵僅工作在飽和蒸汽條件下，沒有達到最佳性能。如果提供過熱蒸汽，不但可以提高真空泵抽氣性能，還可以提高年節約標煤的數量。

(2)連續生產蒸汽節省量分析。分析表1可得:1爐VD消耗蒸汽量為9.625t，小于前四爐節省蒸汽量28.2t，節省的蒸汽量足以解決VD處理時供氣不足的問題。六爐共節省蒸汽量32.175t，可在RH處理同時再維持新的三爐VD繼續生產(新的三爐RH又可節省大量蒸汽)。以此類推，RH爐和VD爐同時改造可以保證連續生產。如果只改造RH的一臺真空泵，僅可以解決目前RH爐處理時三爐VD同時處理中1爐蒸汽不足的問題。但是如果VD產量較大時，將不能滿足供汽要求。

表1 蒸氣量對比表Tab.1 Steam amount contrast

(3)年蒸汽發電量。螺桿膨脹發電機適用于過熱蒸汽、飽和蒸汽、汽液兩相混合物，也適用于煙氣、含污熱水、熱液體等，可以回收不同種類的工業余熱。當余熱熱源不穩定，參數變化時，機組效率表現穩定。允許熱源壓力、流量在大范圍內波動(10% ～120%的范圍)，對機組效率影響不大;機內流速低，除泄露損失外，其他能量損失少，效率高［10］。利用螺桿膨脹發電，其技術參數如下:

提供蒸汽絕壓0.9 MPa;溫度180℃

RH節省蒸汽流量5.84 t/h

VD節省蒸汽流量0.83 t/h

裝機發電功率 ～600 kW/h

額定發電功率全凝～600 kw/h(蒸汽和汽水兩級發電)

凈發電功率～510 kW

年發電量(8 350 h)～425.9萬度

年節約標煤(350 g/度)～1 490.5t標煤

電費0.658元/度

年收益～280.2萬元

進、排汽壓力(絕對)0.9 MPa——微正壓

冷卻塔500t/h循環水量

凝結水去處到水箱——返回除氧器

循環水直接到冷卻塔，進入循環水系統

發電并網電壓AC400V或AC6.3kV頻率50HZ

高壓配電電壓AC6kV

低壓動力、照明電壓AC380/220V

控制電壓AC220、DC220V、DC24V

2.3 水環泵電耗

RH年總電耗120.1萬度，年耗電成本71.1萬元。VD年總電耗12.6萬度，年耗電成本8.3萬元。兩臺年總耗電:132.7萬度(8 350 h)，消耗標煤464.5 t標煤(350 g/度)，總耗電成本79.4萬元。

2.4 年節約成本

RH和VD年節約標煤=總蒸汽發電折標煤－總水環泵電耗折標煤=1490.5－464.5=1026t標煤。

RH和VD年節約成本=總蒸汽發電收益－總水環泵電耗=280.2－79.4=200.8萬元。噸鋼節約成本=200.8萬元/173萬t=1.16元/t。

3 結論

本次改造在不改變甚或優化系統原有系統抽氣性能，且滿足該廠RH/VD同時生產要求的情況下進行。改造順利完成后，不僅可以降低蒸汽的消耗，解決現有蒸汽資源不足的問題，而且可以將盈余低壓蒸汽通過螺桿膨脹發電，實現二次能源回收利用，降低噸鋼成本≥1.0元/t。

眾所周知，國內很多鋼廠由于生產節奏匹配、轉爐蒸汽回收、蓄熱器供汽、管路損失、真空泵性能下降、操作不當等問題導致鋼水真空精煉連續生產時蒸汽不能滿足多套甚或一套真空系統的用量需求，這往往使得真空精煉爐抽氣性能下降、真空度時頻繁波動、抽氣時間不斷延長，脫碳、脫氣和合金化質量下降，擾亂了精煉工藝，影響了生產節奏。同時，購買廠外蒸汽也使得噸鋼成本大大增加。希望對水環真空泵改造的可行性分析能夠給這些鋼廠提供有益的借鑒。

［1］蘇亞紅.節能減排倒逼鋼鐵行業轉型發展［N］.世界金屬導報，2013(2).

［2］蘭德年.鋼鐵行業節能減排方向及措施［J］.冶金管理，2008(7).

［3］李富強.兩種低壓飽和蒸汽發電技術在鋼鐵企業應用前景比較［A］.全國能源與熱工學術年會［C］.北京:中國金屬學會編，2008:403－405.

［4］陳永超，陳國明，李偉，等.一種抗磨損多級圓盤泵結構設計［J］.石油礦場機械，2013(10).

［5］楊希林.節省能源的水環真空泵［J］.重型機械，1980(12):48－54.

［6］俞健.水環真空泵數學模型與運行特性［J］.發電設備，2009(2).

［7］吳泰忠.水環真空泵的智能化節能控制［J］.機電工程技術，2006(5):77－79.

［8］李東日.CBF型水環真空泵維護保養［J］.黑龍江造紙，2008(2):57－58.

［9］楊希林.節省能源的水環真空泵［J］.重型機械，1980(12):48－54.

［10］許明，滕惠婷，陳剛，等.多相混輸泵結構優化設計［J］.石油礦場機械，2013(10).