水環真空泵在泵抽真空引水系統中的應用

史雪冬(中海油惠州石化有限公司，廣東 惠州 516086)

0 引言

大流量、低揚程水泵在石油化工、污水處理及其他生產領域的應用范圍廣闊，有些泵還需要有自吸引水功能，而在啟泵或者運行過程中極易因管道內存留空氣排出不凈而發生抽空或汽蝕現象，這會導致損傷設備，維護成本提高的同時能耗也會相應增加，造成極大浪費。而由水環真空泵組成的抽真空引水系統可有效解決此問題。

1 背景

惠州石化北廠301單元雨水監控池有2臺集水池提升泵(流量200 m3/h、揚程50 m)和8臺出水槽提升泵(6臺流量3 600 m3/h、2臺2 700 m3/h，揚程均為50 m)，共10臺泵的抽真空系統均存在自吸機或吸附器的功率不足、抽真空管線的管徑較小等問題，造成啟泵困難、啟動時間過長、填料密封存在干磨，而且當暴雨天氣時，出水槽提升泵抽真空引水系統啟動和運行時間較長，流程繁瑣，會延誤雨水及時外排，甚至可能造成安全或環保事故。同時設備檢維修成本和工作量巨大，頻繁啟停造成的能耗也很大，需要考慮合適的抽真空引水設備。

2 方案選擇

參考現有技術，抽真空引水系統主要有真空罐式、強自吸式以及水環真空泵式幾類系統。其中，真空罐式系統隨泵一起，置于泵前端，和泵一起使用，首次啟泵前需要將泵腔和自吸罐灌滿排氣，且對密封性要求很高，主要應用場合為泵流量和揚程不大的地方，如一般的吸上高度較小的場合，流量和吸上高度過大則會相應增加罐容，也難以有效達到抽真空效果；強自吸系統主要由一套獨立的強自吸機(內置羅茨風機)組成，啟泵前先啟動自吸機將泵內氣體強制排凈再聯鎖或手動啟泵，可以應用到大流量低揚程的場合，比如循環水泵的啟動，但因吸力有限，遇到大流量的泵時需要每臺水泵都單獨配置一套強自吸系統，增加了投資成本和維護工作量；而真空泵組成的抽真空引水系統則不存在上述缺陷。考慮到介質組成中包含水蒸氣和液體水，真空泵選用水環式真空泵，而非采用射流或羅茨式真空泵；同時為防止液體水進入真空泵造成機械損傷，真空泵前需要設置緩沖罐一個，并在緩沖罐入口前管線上設置水流開關以便自動停真空泵。另外，真空泵出口應配套汽水分離器。因此本次采用水環真空泵組對301單元雨水監控池集水池提升泵及出水槽提升泵抽真空系統進行優化改造，使提升泵能快速啟動。

3 原理及特點

3.1 原理

本真空引水系統的核心部分即水環式真空泵，主要用于粗真空的形成過程。結構如圖1所示的單作用液環真空泵。大多數情況下，液環真空泵以水作為工作液體，故而人們習慣上將其稱之為水環真空泵。其具體工作原理如下[1]：

泵內裝有適量的水作為工作液，葉輪偏心安裝在近似圓形的泵體中，當葉輪按圖示方向以一定速度旋轉時，由于離心力的作用，進入泵體的水被葉輪甩向四周，形成了一個緊貼泵腔的液環，液環內表面恰好與葉輪輪轂相切，形成一個月牙形空間。而這一空間又被葉輪分成與葉片數目相等的若干個“氣腔”。以示意圖中豎直中心線為例，從頂部到底部的180°范圍內，“氣腔”的容積逐漸增大，壓強不斷降低，氣體從被抽系統中吸入。過了中心線后，當葉輪繼續旋轉，由于葉輪的偏心結構設計，相應的“氣腔”容積又逐漸變小，壓力不斷增大，使吸入的氣體處于壓縮狀態，當壓力達到外界壓力時，氣體從輔助排氣閥提前排氣。在泵的連續運轉過程中，每旋轉一周完成一個吸氣和排氣的過程，從而達到連續抽氣的目的。

圖1 水環真空泵示意圖

3.2 系統配置

水環真空引水裝置主要由水環式真空泵、真空罐、汽水分離器、閥門、管件等組合工作，并配有操作柱等來控制操作以獲得工藝所要求的真空環境。從而滿足10臺離心泵依此實現抽真空吸上的要求。水環真空引水機組示意圖如圖2所示。

圖2 水環真空引水機組示意圖

3.3 技術說明

如需啟動1號水泵時，開啟1#真空泵，并開啟1號泵啟動按鈕，此時1號引水真空管和聯通管球閥和電磁閥打開，真空泵啟動管道內空氣被抽出，當聯通管道內空氣抽完后，利用電信號電磁閥關閉，引水真空管繼續抽真空，當水流開關有信號發出，傳至真空泵控制柜，此時真空引水器會發出信號，此時啟動1號水泵，關閉1號所有電磁閥，真空泵停止。啟動2號水泵時之前，先排凈真空罐內液體，之后重復上面的動作。

3.4 控制方式

抽真空系統有兩路抽真空主管路，一路是泵吸入口處抽真空主管路，連接直管為“聯通管”；另一路是泵體頂部抽真空主管路，連接管為“引水真空管”。需要為哪臺泵引水，哪臺水泵的“引水真空管”閥門和“聯通管”閥門打開，真空泵開啟，真空罐的下水位開關報警，連鎖關閉聯通管閥門。引水真空管路據需抽真空，待水流開關有信號發出(真空表顯示達到設定的負壓值)，說明水泵已滿水，關閉真空泵，可以啟動水泵。如需啟動第二臺泵，重復上面的動作。

4 設計選型

本套抽真空系統由2臺水環式真空泵(一用一備)、汽水分離器、入口緩沖罐及必要的安全及輔助附件組成。如當需要啟動泵某臺污提泵時，先打開該泵抽真空管道上的球閥，再啟動水環真空泵，總引水電磁閥打開，水通過管道進入引水罐內，當水位達到一定高度時，引水罐上的浮球液位開關接通，并發出電信號，總引水電磁閥關閉，真空泵停機，此時排空電磁閥與排水電磁閥打開，延時30 s后關閉。引水成功后，現場手動啟動污水提升泵，并關閉該提升泵抽真空管道上的球閥，同時打開抽真空管路上的泄水閥和進氣閥，將管路中的水放掉，水放掉后，將泄水閥和進水閥關閉。共10臺水泵，啟動任何一臺水泵時重復上述步驟即可。其流程框圖如圖3所示。

圖3 流程框圖

經核算，本套抽真空系統設計參數如表1所示。

經安裝調試后開車，啟泵時，提升泵的入口管線和泵殼能快速充滿液體，啟動時間5～8 min，滿足了設計要求，相比改造前，大大縮短了啟動時間，達到提升泵快速啟動、保護填料密封的目的。

表1 抽真空系統設計參數

5 注意事項

(1) 因機組采用機械密封(老舊型號多為填料密封)，故泵內無水時嚴禁開機，避免燒壞機封。(2) 本機組真空泵通常為一用一備模式，A泵、B泵串聯使用，兩泵吸入口均裝有對夾式球閥。如A泵開機運行，A泵處對夾式球閥應打開，B泵處對夾式球閥需關閉，反之。否則會影響真空度。(3) 從循環液罐經過循環供液管道應保持暢通。(4) 使用時應經常檢查工作液溫度，如超過30 ℃(泵工作液溫度應保持在18～22 ℃)，則應加大循環水箱的工作液置換次數。(5) 如停機時間較長，則在重新啟動前必須盤動轉子，確認轉動自如方能開機。(6) 水環真空泵在整個抽真空系統中的作用是非常重要的，需要有相應真空度環境生產產品的工藝，都是工藝指標較難控制的，它要求真空度要一直保持。而影響真空度的因素很多，如：抽氣量、工作液沸點、工作液溫度、工藝氣體在工作液中的溶解度、機械因素(如密封)、做工作液流量等，都需要予以關注。某些物料的特殊性比如容易會發出氣體、容易在真空泵中結垢堵塞或腐蝕真空設備，就會導致真空泵工作異常，進而影響整個系統甚至裝置的運行因此，必須重視真空度的問題，加強對工作液酸堿性的監測，防止設備腐蝕或結垢，同時操作過程中務必按照規程銷項操作。

6 結語

采用水環真空泵抽真空系統可以大大縮減抽真空時間，相比自吸罐和強自吸機而言，配置一套系統即可供多臺水泵共用，壓減了投資成本和占地面積，也減少了原先因啟泵時間過長而導致的維護工作量和電力損耗，使用和維護也較為方便，二期煉油項目三個循環水場即配置了水環真空泵式抽真空系統，抽真空效果明顯，整體使用效果較好。

同時，由于水環真空泵具有接近等溫壓縮、對粉塵不敏感、吸入氣體可以夾帶液體或大量水蒸氣等優點，也可作為壓縮機使用，作用類似于低壓的壓縮機。它在石油、化工、機械、造紙、輕工、冶金、醫藥和食品等諸多工藝過程中得到了應用范圍較為廣泛。此外，葉環真空泵可抽除易燃易爆的氣體，此外還可抽除含塵、含水的氣體，在化工大分子聚合物的抽提中也有廣泛應用。因此，水環真空泵的應用日益增大，在抽真空系統方面的應用具有很好地推廣價值。