大型RH精煉爐機械真空系統優化設計與應用

施漢生，陳 民，朱嗣勇，吳孔明，張 明

(1.山東鋼鐵集團日照有限公司， 山東 日照 276805;2.中國重型機械研究院股份公司，陜西 西安 710032)

0 前言

由于干式機械真空系統具有即用即起、節能、環保的優點，在大型RH精煉真空系統應用越來越廣泛。新建、改造的大型RH精煉配套機械真空系統都面臨真空泵數量大、控制閥門多、泵間管道及除塵器體積大，占用空間大、基建投資高的問題。因此，優化所配置機械真空系統結構設計，實現布置模塊化，方便維修操作，進一步壓縮無效真空容積，實現節能運行，對提升機械真空系統能效指標具有重要意義。

1 大型RH精煉機械真空系統結構設計現狀及存在問題

1.1 大型RH精煉機械真空系統結構設計現狀

目前，構建大型RH精煉所配置的機械真空泵總數量都在數十臺以上。按照RH精煉工藝參數要求機械真空系統系統所能實現的功能，既有的大型RH精煉機械真空系統有三種結構模式：三級泵組并聯模式、多級并串組合模塊式和四級分散模式，各有優缺點。

三級泵組并聯模式為三級模塊化設計，單級壓縮比大，機械真空泵發熱明顯，機械泵的效率、溫升難以平衡。級間泵的數量成固定比例，一旦個別機械泵故障，整個泵組就必須退出運行，系統總體抽氣能力明顯下降，甚至造成系統停機，操作柔性極差。典型的三級泵組并聯模式為兩級愛德華羅茨泵與一級愛德華螺桿泵按照221模式組成三級真空泵組，再按照RH精煉工藝參數實際需要的總抽氣量確定系統泵組數量。此類結構典型樣式如圖1(圖示泵組有省略)所示。

圖1 三級泵組并聯模式

多級并串組合模塊式主要為小型機械真空泵組合，主要是真空泵數量多，組合復雜，需要模塊化設計。此種模塊式組合主要用于小型初抽泵，有三級設計也有四級設計，甚至達到五級組合設計。通過真空泵多級并串組合成模塊式，再按照RH精煉工藝實際需要的總抽氣量確定系統泵組數量。多級并串組合模塊式雖具有一定控制柔性，但其機械真空泵抽氣能力小，模塊化設計組成大型RH精煉機械真空系統真空泵的數量更多，控制及管道布置最為復雜。此類結構形式典型樣式如圖2所示。

圖2 并串組合模塊式

四級分散模式為四級，單級分配的壓縮比變小，前級螺桿泵排氣能力滿足要求后，機械真空泵發熱得到明顯控制，機械泵的效率、溫升得到優化平衡。各級間泵的數量可以根據RH精煉工藝參數要求動態調整，個別機械真空泵故障，不會導致系統總體抽氣能力明顯下降，操作柔性好。四級分散模式主要用于中大型初抽泵(連接真空槽氣體出口的泵)，大型初抽泵單臺名義抽速高達10×104m3/h(67 Pa，20℃)，構建系統真空泵的數量少，但操作控制柔性極差，單臺故障系統總抽氣量損失大，嚴重制約系統穩定運行；中型泵單臺名義抽氣量5×104m3/h(67 Pa，20℃)左右，操作控制柔性相對較好，單臺故障系統總抽氣量損失小，系統運行穩定性好。系統先按抽氣能力大小以及各級壓縮比分配要求，將大小不同、數量不同的機械真空泵按照合理分配的壓縮比并聯成四級后再串聯成完整系統。此類結構布置示意如圖3所示。

圖3 四級分散模式

1.2 大型RH精煉機械真空系統結構設計存在的問題

當前大型RH精煉機械真空系統結構設計需要重點解決合理布置、柔性操作、節能高效的問題。

1.2.1 操作控制柔性問題

RH精煉在品種開發中承擔重要作用，機械真空系統需要隨工藝操作參數變化而變化，才能不斷提高鋼水精煉效率，這就對真空系統操作控制柔性提出了較高要求。大型化與模塊化設計嚴重制約大型RH精煉機械真空系統操作控制柔性；小型泵操作控制柔性好，也帶來真空泵及控制閥門數量過多、故障點、泄漏點增多的弊端。

1.2.2 機械真空泵布置泵房占地面積大

已經構建的大型機械真空系統，無論何種結構型式，從結構穩定性上考慮，將體積、重量、排氣量大的真空泵安裝布置在地面，占地面積大，導致聯接管道拐彎增多，無效抽真空體積明顯增多，建設與運行成本顯著增加。

1.2.3 管道結構布置檢修性差

大型RH精煉機械真空系統無論采用哪種結構型式，其初抽泵及中間級真空泵均為羅茨泵。通常臥式結構的齒輪潤滑以及運行穩定性要優于立式結構，所以大型RH精煉機械真空系統優先選用臥式結構，為了更換真空泵吊裝方便，進氣口都設計了可拆卸移除的彎頭，并通過彎頭與真空泵連接，都將進氣主管道布置在泵的一側，彎頭等無效真空容積增大，如圖4所示。

圖4 羅茨泵安裝示意圖

1.2.4 無效抽真空容積比例高

相同配置的機械真空系統，無效反復抽真空容積比例決定了系統能耗高低。大型RH精煉所配置的機械真空系統由于真空泵數量多，連接管道體積大，控制閥門及聯接彎頭多，結構布置設計特別是進氣彎頭及旁通管道設計均屬無效真空體積，進一步擴大了機械真空系統無效反復抽真空容積比例，能效大大降低。

1.2.5 級間控制閥門易泄露

大型RH精煉機械真空系統通常根據工藝操作需求，設置了復雜的旁通管道與級間控制閥門，級間閥門容易泄露，會使真空系統增加額外負荷，系統真空泵迅速發熱，增加了操作控制難度與故障源。

2 大型RH精煉機械真空系統結構設計優化

大型RH精煉所配置的機械真空系統參數確定后，在系統實際構建過程中，結合精煉工藝參數進行布置合理優化，在結構設計細節上不斷進行完善，充分降低無效反復抽真空容積比例，從而進一步降低機械真空系統能耗指標。

2.1 機械真空系統結構與布置模式確定

從已經構建的大型RH精煉機械真空系統來看，選用中型機械真空泵組合成四級分散模式其結構相對優化，既能控制系統真空泵總數量，又能使其具有操作柔性，是大型RH精煉機械真空系統較為優化的結構模式，可以優先采用。

2.2 機械真空系統四級分散模式結構再優化

采用中型真空泵以四級分散模式構建的機械真空系統，通常從系統一側配置旁通管道與級間控制閥門，控制復雜，存在級間氣體泄露風險，需要再優化。利用真空系統前級螺桿泵預抽壓差推動后級羅茨泵自由轉動，能保持氣流流動通暢的特點，優化控制方式，刪除系統旁通結構道，同時采用捕頻控制(控制變頻器自動檢測真空泵自由轉動頻率，以此為基點進行快速啟動)方法，實現各種工藝參數操作工況下真空泵的啟停與運行控制，結構布置與操作控制更加簡潔方便，優化后的系統布置如圖6所示。

圖5 四級分散模式優化前后對比圖

2.3 機械真空泵安裝更換方式優化

針對大型RH精煉機械真空系統真空泵數量多，安裝、檢修空間狹小，拆卸吊裝不方便的特點，需要進一步優化機械真空泵安裝更換方式：每級真空泵設計一套真空泵運輸小車，每臺真空泵設計具有滾動機構的移動支架。真空泵運輸小車可以將舊真空泵運離吊裝位，將新真空泵運輸到吊裝位輸到位；移動支架可以帶動真空泵由工作位進入吊運、安裝位，達到方便真空泵檢修更換的目的。移動支架可以是可拆卸滾動機構也可以是帶偏心裝置的滾動機構，需移動真空泵時，安裝或調整偏心裝置使滾動機構工作，實現輕松移動，移動結束拆除滾動機構或轉動偏心機構，固定移動支架，如圖6、圖7所示。具體實施需做詳細模塊化結構設計。

圖6 真空泵移動支架示意圖

圖7 真空泵安裝拆卸吊裝示意圖

2.4 機械真空系統無效反復抽真空體積壓縮優化

基于機械真空泵安裝更換方式優化方案，為了降低管路阻損，進一步壓縮機械真空系統無效抽真空容積，按照系統氣流方向，將真空泵從上到下、從大到小集中疊摞布置，消除管道彎頭，大大壓縮真空泵布置空間，縮短了驅動動力電纜長度，使得無效反復抽真空體積占比最小化，真正實現機械真空系統高效節能，結構布置如圖8所示。

圖8 機械真空系統中真空泵疊摞布置示意圖

3 優化設計系統的應用

山東鋼鐵集團日照精品基地一期工程建設過程中，由中國重型機械研究院股份公司以EPC方式構建了3套210 t大型RH精煉機械真空系統，總抽氣量為110×104m3/h(67 Pa，20℃)。在系統構建方案設計過程中，經過反復優化設計，選用了中型泵采用四級分散模式，對系統真空泵的布置、管道結構以及閥門的配置等影響無效真空容積占比的因素，結合現場工況實際，細化系統結構設計，盡可能壓縮真空系統無效反復抽真空容積占比，降低系統能耗；并結合機械真空泵的特點，采用了捕頻控制技術，省略了常規通用的旁通管道及旁通控制閥，使得大型RH精煉機械真空系統結構更簡潔，節省了大量投資；真空泵疊摞布置設計，消除了管道彎頭設計，結構更緊湊，操作控制柔性好，能耗低，運行成本低。真空泵疊摞布置已獲得授權《大型干式機械真空系統中真空泵疊摞布置及更換方法》發明專利(專利號為CN201710195146.X)。