水環(huán)泵與蒸汽泵組合系統(tǒng)的控制模式

程紅兵，孟 娜，付 康

(1.中國重型機(jī)械研究院股份公司，陜西 西安 710032；2.中國重型機(jī)械研究院股份公司成都分院，四川 成都 610021)

0 前言

鋼液爐外真空精煉的核心設(shè)備是真空泵系統(tǒng)[1]。真空泵系統(tǒng)有很多種配置形式，各鋼廠需要結(jié)合本廠實(shí)際情況選用不同的配置型式。蒸汽噴射真空泵系統(tǒng)由于抽氣能力大、抽速快、操作簡單、維護(hù)成本低等優(yōu)點(diǎn)，能很好地適用于各種爐外真空精煉工藝的要求，是最常見的真空泵系統(tǒng)配置形式。

然而蒸汽噴射泵蒸汽耗量大，生產(chǎn)運(yùn)行成本較高。同時(shí)，由于水環(huán)泵的極限真空度為3.3～16.0 kPa，工作真空度為10.0～30.0 kPa，故其在鋼液真空精煉系統(tǒng)中，通常用水環(huán)泵替代末級(jí)蒸汽泵，在較高真空段依然采用蒸汽噴射泵，即蒸汽泵和水環(huán)泵的組合真空泵模式。此模式是用機(jī)械泵替代蒸汽泵，用電耗替代蒸汽消耗，利用電能成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于中壓蒸汽成本而相應(yīng)減少精煉生產(chǎn)的運(yùn)行成本。

目前，水環(huán)泵和蒸汽泵的組合模式一般選擇兩臺(tái)或三臺(tái)水環(huán)泵作為末級(jí)泵，在整個(gè)真空處理期間，末級(jí)泵中至少有兩臺(tái)水環(huán)泵需始終處于工作狀態(tài)[2-4]。在冶煉行業(yè)節(jié)能減排的強(qiáng)烈要求下，迫切需要進(jìn)一步優(yōu)化上述組合模式的控制方式，與生產(chǎn)相協(xié)調(diào)，以發(fā)揮蒸汽泵和水環(huán)泵的優(yōu)勢，節(jié)約蒸汽、減少冷凝水耗量、并且節(jié)約電能[5,6]。

1 生產(chǎn)現(xiàn)狀

攀鋼1#方坯RH主要用于冶煉重軌鋼。RH處理后的鋼水是否滿足工藝要求是重軌鋼冶煉過程中至關(guān)重要的一環(huán)，而RH的精煉水平與真空泵系統(tǒng)的性能直接相關(guān)。目前，1#方坯RH的年產(chǎn)量達(dá)140萬噸，平均每爐鋼水的處理時(shí)間為15～18 min左右，正常情況下每天處理鋼水30爐左右。由于1#方坯RH生產(chǎn)必須保持穩(wěn)定連續(xù)，對其真空泵系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能降耗方面的改造具有重大的經(jīng)濟(jì)和現(xiàn)實(shí)意義。

2 改造方案的確定

2.1 改造方案

1#方坯RH的真空泵系統(tǒng)為四級(jí)蒸汽噴射真空泵，其系統(tǒng)原理圖如圖1所示。主要包括增壓泵B1、B2，冷凝器C1、C2、C3，增壓泵B1與增壓泵B2通過抽氣管道相連，增壓泵B2與冷凝器C1相連，冷凝器C1通過噴射泵S3a、S3b與冷凝器C2連通，冷凝器C2通過噴射泵S4a、S4b與冷凝器C3連通，其中噴射泵S3a與噴射泵S3b及噴射泵S4a與噴射泵S4b均屬于并聯(lián)關(guān)系。

在原蒸汽泵系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增設(shè)兩臺(tái)水環(huán)泵作為

末級(jí)蒸汽泵(噴射泵S4a、S4b)的替代泵，同時(shí)保留末級(jí)蒸汽噴射泵作為備用泵[7-9]。如圖2所示，從C2冷凝器頂部引出一根抽氣管，接入并聯(lián)的兩臺(tái)水環(huán)泵W4c和W4d。新增的水環(huán)泵的出口匯聚接在一根排氣管上，然后接入廢氣排放管，管道上設(shè)置相應(yīng)的控制閥門。改造后，新的真空泵系統(tǒng)的末級(jí)泵為兩臺(tái)蒸汽泵(噴射泵S4a、S4b)和兩臺(tái)水環(huán)泵(W4c、W4d)的不同組合。

圖1 真空泵系統(tǒng)原理圖

圖2 改造后真空泵系統(tǒng)原理圖

2.2 技術(shù)參數(shù)

真空泵系統(tǒng)在改造前后，其功能和抽氣能力不變，但改造后的蒸汽耗量明顯降低，詳細(xì)技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 技術(shù)參數(shù)

2.3 系統(tǒng)的控制模式

改造后的真空泵系統(tǒng)的末級(jí)泵為4臺(tái)，在真空處理前需對其的工作模式進(jìn)行選擇，即對參與工作的數(shù)量和A/B列進(jìn)行選擇。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，設(shè)置了末級(jí)泵的模式選擇，如表2所示。其中，A列泵為主泵，全程參與真空泵工作；B列泵為輔泵，在增壓泵啟動(dòng)后停止；A+屬于主泵(A列)，與A列泵的功能相同，真空處理開始后隨系統(tǒng)啟動(dòng)，達(dá)到設(shè)定的真空度后停止。

表2 末級(jí)泵的模式選擇

改造后的末級(jí)泵模式選擇，其特點(diǎn)在于組合方式多樣。每行均可多選，可以選蒸汽泵也可選水環(huán)泵。它與傳統(tǒng)控制模式的最大區(qū)別在于增設(shè)的A+列泵的特殊性，當(dāng)所選的處于A+列的泵在真空度到達(dá)設(shè)定壓力后停泵。目的在于增大末級(jí)泵的抽氣能力，縮短抽氣時(shí)間。當(dāng)鋼液放氣量減少，真空泵的負(fù)荷減輕時(shí)，停止4A+工作，僅用1臺(tái)泵(4A)維持真空度。末級(jí)泵的模式選擇確定后，真空泵系統(tǒng)的工作模式詳見表3。

本文所述的水環(huán)泵與蒸汽泵組合的真空泵系統(tǒng)配置模式及其控制方法適用于4級(jí)蒸汽泵，同樣適用于5級(jí)蒸汽泵系統(tǒng)。

3 實(shí)際應(yīng)用效果及優(yōu)勢

在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，為便于操作，對幾種常用的組合進(jìn)行了分類列舉見表4，操作人員依據(jù)生產(chǎn)工藝的要求可在推薦的末級(jí)泵模式中選擇一種應(yīng)用于具體的鋼水真空處理。

表3 工作模式表

表4 末級(jí)泵工作模式組合

當(dāng)處理鋼種對抽氣速度無嚴(yán)格要求時(shí)(工況1)，僅需對鋼液進(jìn)行一般的處理即可。此時(shí)末級(jí)泵的模式選擇有兩種，即表4中A列和A+列分別選擇一臺(tái)水環(huán)泵。真空處理開始后兩臺(tái)水環(huán)泵均啟動(dòng)，然后按照表3的工作模式工作。

當(dāng)處理鋼種要求超低碳、深脫氫，或處理時(shí)間要求比較長時(shí)(工況2)，末級(jí)泵的模式選擇為四種。即表4中A列和A+列分別選擇一臺(tái)水環(huán)泵，B列選擇一臺(tái)蒸汽泵。真空處理開始后兩臺(tái)水環(huán)泵和B列的蒸汽泵均啟動(dòng)，然后按照表3真空泵系統(tǒng)的工作模式工作。

兩臺(tái)水環(huán)泵均出現(xiàn)故障或檢修期間(工況3)，在模式選擇中選擇全蒸汽泵工作，即選擇S4a噴射泵或S4b噴射泵為A列泵，然后選擇S4b噴射泵或S4a噴射泵為B列泵，選擇后的結(jié)果詳見表4。真空處理開始后末級(jí)的兩個(gè)蒸汽泵均啟動(dòng)，然后按照表3真空泵系統(tǒng)的工作模式工作。

末級(jí)泵分別選用全蒸汽泵和全水環(huán)泵的模式，保持蒸汽壓力穩(wěn)定在1.2 MPa左右，對專用的重軌鋼進(jìn)行鋼液真空處理。在連續(xù)3天的時(shí)間內(nèi)，記錄兩種模式下各處理20爐鋼水的抽氣時(shí)間(從系統(tǒng)啟動(dòng)至真空度達(dá)到0.3 kPa)和每爐鋼液處理周期內(nèi)的平均蒸汽耗量，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見圖3和圖4。由圖可知，末級(jí)泵完全選用水環(huán)泵的情況下，平均抽氣時(shí)間為2分46秒，滿足設(shè)計(jì)要求，平均蒸汽耗量為13.69 t/h，與末級(jí)泵為全蒸汽泵的模式相比，節(jié)約蒸汽耗量約23%。此數(shù)據(jù)不包含真空泵預(yù)抽所消耗的蒸汽耗量，僅為純工作時(shí)間比較。

圖3 末級(jí)泵采用蒸汽泵和水環(huán)泵時(shí)的抽氣時(shí)間

圖4 末級(jí)泵分別為蒸汽泵和水環(huán)泵時(shí)的蒸汽耗量

與現(xiàn)有的真空泵系統(tǒng)控制模式相比[10-15]，改造后的水環(huán)泵與蒸汽泵組合的真空泵系統(tǒng)的控制模式具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)真空泵工作模式組合多樣。綜合考慮生產(chǎn)工藝要求、抽氣時(shí)間、節(jié)能和設(shè)備故障與檢修等各方面的因素，真空泵系統(tǒng)的末級(jí)泵可以選用水環(huán)泵、蒸汽泵+水環(huán)泵、全蒸汽泵(在水環(huán)泵故障時(shí))等多種組合模式。

(2)節(jié)能減排。用水環(huán)泵替代部分蒸汽泵，部分蒸汽消耗由電能消耗替代，達(dá)到節(jié)能減排、節(jié)約生產(chǎn)成本的目的。真空泵系統(tǒng)的末級(jí)泵選用水環(huán)泵時(shí)，與原真空泵系統(tǒng)(末級(jí)泵為蒸汽泵)的蒸汽消耗相比，節(jié)約蒸汽用量20%～25%，而相應(yīng)電耗遠(yuǎn)低于蒸汽消耗的成本。同時(shí)，由于蒸汽耗量減少，也因此減少了冷凝水耗量，并有效地降低了回水溫度，減輕了水處理系統(tǒng)在高溫期補(bǔ)水降溫的間接成本，使工輔設(shè)施也起到了節(jié)能的效果。

(3)生產(chǎn)適應(yīng)能力強(qiáng)。在冶煉高品位鋼種(如超低碳、深脫氫等)及其它處理時(shí)間較長的鋼液的情況下，末級(jí)泵可以選水環(huán)泵和蒸汽泵組合的模式，以適時(shí)增大末級(jí)泵的抽氣能力，從而縮短抽氣時(shí)間。在對處理時(shí)間無特別要求時(shí)，末級(jí)泵可以只選水環(huán)泵工作；在真空泵故障或系統(tǒng)漏率過大時(shí)，末級(jí)泵可避開故障泵而任意組合適應(yīng)生產(chǎn)需求。

4 結(jié)束語

(1)根據(jù)冶煉鋼種對真空度的要求以及設(shè)備的運(yùn)行情況，靈活地選擇末級(jí)泵的工作數(shù)量和工作方式：水環(huán)泵、蒸汽泵+水環(huán)泵、全蒸汽泵(在水環(huán)泵故障時(shí))等多種組合模式，改造后的真空泵系統(tǒng)生產(chǎn)適應(yīng)能力強(qiáng)。

(2)末級(jí)泵采用水環(huán)泵與采用蒸汽泵模式相比，可節(jié)約蒸汽耗量23%左右，能更好地實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗的效果，降低了生產(chǎn)成本。由于蒸汽耗量減少，也因此減少了冷凝水耗量，并有效地降低了回水溫度，減輕了水處理系統(tǒng)在高溫期補(bǔ)水降溫的間接成本，使工輔設(shè)施也起到了節(jié)能的效果。