純堿濾過真空機現(xiàn)狀及選用方向

陳勇

（南通大通寶富風機有限公司，江蘇 南通226010）

1 中國純堿濾過真空機種類及使用狀態(tài)

1.1 水環(huán)式真空泵

2萬t左右純堿小廠對于過濾室和有關管道的流量及真空度要求較低，水環(huán)式真空泵正好滿足其性能需求。由于水環(huán)泵中氣體壓縮是等溫的，因此可以抽除易燃、易爆的氣體。由于沒有排氣閥及摩擦表面，可以抽除帶塵埃的氣體、可凝性氣體和氣水混合物。有了這些突出的特點，盡管它效率低，仍然得到了廣泛的應用。

1.1.1 優(yōu)點

結構簡單，制造精度要求不高，容易加工。結構緊湊，泵的轉數(shù)較高，一般可與電動機直聯(lián)，無須減速裝置。小結構尺寸卻可以獲得大的排氣量，占地面積也小。壓縮氣體基本上是等溫的，即壓縮氣體過程溫度變化很小。由于泵腔內(nèi)沒有金屬摩擦表面，無須對泵內(nèi)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。吸氣均勻，工作平穩(wěn)可靠，操作簡單，維修方便。

1.1.2 缺點

效率低，一般在30%左右，較好的可達50%。真空度低，這不僅是因為受結構方面的限制，更重要的是受工作液飽和蒸氣壓的限制。耗水量大，當流量為8.33 m3/min，真空度為3 300 Pa時，每臺耗水量達到1.2 t/h；當其流量達到目前常見的700 m3/min時，其耗水量會呈幾何倍數(shù)增長，且在其效率低情況下，功耗也與透平設備差異較大。

1.2 多級透平真空機

在國內(nèi)“放大壓小”政策驅使下，國內(nèi)起來很多60萬t及以上堿廠，包括中鹽昆山堿業(yè)、青海五彩礦業(yè)、青海昆侖堿業(yè)、青海鹽湖金屬鎂、天津堿廠等項目，其過濾室和有關管道的流量均要求在700 m3/min以上，真空度為70 kPa以上，如采用水環(huán)式真空泵，則需配備幾十臺真空泵來滿足工況需求，對生產(chǎn)成本及后續(xù)維護費用帶來很大負擔。目前化一院（天辰）、化八院（成達）在該工段均采用多級透平真空機組。

第二，從學生個體因材施教。班級之間存在差異性，而學生之間同樣也是如此，具體體現(xiàn)在：個人學習能力、學習態(tài)度以及身體素質等等方面的差異。在課堂教學過程中，教師需要充分考慮各個影響因素，盡可能照顧到每一位學生，根據(jù)學生的特點，采取有針對性的教學方法激勵學生參與體育運動，從而實現(xiàn)高效課堂的目標。[3]

1.2.1 優(yōu)點

輸送的氣體清潔、干燥且無油。低轉速機械，使用壽命長，絕無脈動，超低噪聲。效率高，多變效率一般可達80%。振動極微，穩(wěn)定區(qū)域廣，操作簡單，容易安裝，費用低。

1.2.2 缺點

滿載效率高于水環(huán)式真空泵，略低于單級高速透平真空機。當小流量運行時易出現(xiàn)喘振現(xiàn)象（透平類真空機不可避免）。

1.3 單級透平真空機

本公司自2006年開始研發(fā)生產(chǎn)單級高速透平真空機，先后配套給天津鐵廠、大唐、華電、國電等國企、央企，應用領域包括電廠脫硫、污水處理、煤氣加壓、硫磺回收、蒸汽再應用等。相較多級透平真空機，二者的區(qū)別是單級高速透平真空機只有一組葉輪，空氣的壓縮是一次壓縮完成的，而多級透平真空機在一根主軸上有多組葉輪，空氣的壓縮是在多組葉輪間逐步完成的。由于透平真空機是依靠提高空氣的流動速度即空氣動能來壓縮空氣提高壓力，所以要獲得同樣的壓力，單級透平真空機的葉輪必須比多級真空機的轉速高數(shù)十倍。由于壓力很大程度上依靠提高轉速來提供，而轉速受平衡、潤滑及材料性能等多方面的限制，所以單級透平真空機更多被使用于低壓力場合，而高壓力工況下更多使用多級透平真空機。單級透平真空機一般依靠齒輪箱獲得極高轉速，由于轉速特別高，所以控制和維護保養(yǎng)真空機特別重要，必須配套單獨的潤滑油站，同時由于高轉速使諸多部件如葉片等磨損較大，所以單級透平真空機的壽命比多級透平真空機短。

1.3.1 優(yōu)點

葉輪采用先進的空氣動力學設計，整體數(shù)控銑制，效率高，一般可達83%以上。性能曲線平坦，穩(wěn)定工況范圍比較寬，采用進口預旋器可使流量在70%～100%范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。采用PLC及防喘振技術，機電一體化，自動化程度高，運行可靠。

1.3.2 缺點

機構復雜，機組有潤滑油站、齒輪變速箱等輔助機構和設置。轉速高、噪聲大。維護量大、維護難度高、真空機部件磨損快，而且對平衡、裝配要求極高。

2 純堿濾過真空機實際選用分析

2.1 功耗比較

功耗比較如圖1所示。

圖1 功耗比較

水環(huán)式真空泵效率一般在30%左右，較好的可達50%。理論上在小廠使用，所需流量、真空度不大，基數(shù)小，因此效率劣勢不是特別明顯。但如在60萬t及以上堿廠使用，其耗水量大，能耗高的缺點表現(xiàn)較突出，與多級透平真空機及單級高速真空機的差異較大。

多級透平真空機與單級透平真空機均為透平設備，單級高速透平真空機采用三元流理論進行設計，軸向進氣，并在葉輪前面設有進氣預旋裝置，減少了進氣損失，加之單級高速透平真空機為一級結構，流道短、損失小。綜合以上因素，傳統(tǒng)意義上單級高速透平真空機的整機效率較多級透平真空機提高5%～10%左右，如圖2所示，可以為用戶創(chuàng)造較高的經(jīng)濟效益。

圖2 單機真空機和多級真空機多變效率比較

單級透平真空機設計最高效率點大于多級透平真空機，但因真空機設計參數(shù)與實際工況往往有一定差距，造成單級透平真空機實際工作效率、電機功耗不一定大于多級透平真空機，所謂省功率也僅在額定設計工況下節(jié)能。

2.2 安全性比較

水環(huán)式真空泵（如圖3所示）及多級透平真空機（如圖4所示）均屬低轉速機械，設備精度較單級低，從前期投入成本看，可自動化控制也可無需自動化控制，故障率低，檢修周期長，連續(xù)運行時間短，產(chǎn)品可靠性高。運維人員的技能要求低。機體內(nèi)部間隙大，機組對遇特殊工況抗壓性高。圖3、圖4為水環(huán)式真空泵、多級透平真空機運行10年的狀態(tài)，考慮到輸送介質含水蒸氣、氨氣、二氧化碳、空氣等因素，選用相應設備材料，理論上是不會被磨損的。

圖3 水環(huán)式真空泵

圖4 多級透平真空機

單級透平真空機轉速一般達20 000 r/min，設備精度高，因轉速高需自動化控制，真空機運行時對運維人員的技能要求高，全自動防喘振控制及實時狀態(tài)監(jiān)控，確保設備始終處于安全經(jīng)濟運行模式，機體內(nèi)部間隙小，機組遇特殊工況，如水滴、特殊氣體造成的沖刷，短時間內(nèi)造成磨損易損傷機組。葉輪（如圖5所示）轉速為23 500 r/min，葉輪材質為TC4，使用2年后葉輪葉片入口沖蝕情況明顯，后續(xù)可能造成轉子不平衡，使真空機振動加劇。

圖5 葉輪

2.3 噪聲分析

近年來，各級政府部門對環(huán)保越來越重視，公眾環(huán)保意識也隨之加強。比如水、大氣、土壤等傳統(tǒng)污染被“圍追堵截”，近年來有了很大改觀。前不久，生態(tài)環(huán)境部公布5月全國“12369”環(huán)保舉報辦理情況，噪聲污染舉報占41.4%。噪聲污染對崗位從業(yè)人員、居民的工作及生活的影響不可小覷。

水環(huán)式真空泵的正常聲響是水環(huán)渦流造成的。聲響隨著壓縮比的增加而加劇（但軸功率上升并不多）。當達到最大壓縮比時，氣量為零，吸氣孔到排氣孔的整個水環(huán)全部形成渦流，使氣量脈動和噪聲達到最大值。這個噪聲與泵的圓周速度、吸入壓力、泵體壁厚、氣水分離器結構以及供水盆有關。對于運行的泵，如果適當調(diào)節(jié)供水量，或者在進氣管路上裝一個小閥門把部分大氣排放到泵體里面，這種聲響有可能被降低。

透平式真空機噪聲主要來源為氣動噪聲，約占45%，氣動噪聲主要包括旋轉噪聲和渦流噪聲。旋轉噪聲又稱離散頻率噪聲，當葉輪旋轉時，葉輪上的葉片通道出口處的氣流壓力與氣流速度都有較大的變化。當蝸舌與葉片出口邊緣間的間隙較小時，旋轉的葉片通道掠過蝸舌處就會出現(xiàn)周期性的壓力和速度脈動。渦流噪聲也稱旋渦噪聲，是葉輪在旋轉過程中，葉輪葉片與氣體相互作用、耦合所輻射的寬頻帶噪聲，包括來流紊流噪聲、紊流邊界層噪聲、尾緣渦流脫落噪聲和葉尖渦流噪聲。

雖然都是透平式真空機，單級高速透平真空機因其轉速為多級透平真空機的3～5倍，其造成的噪聲還是相對較高。控制真空泵（機）噪聲的方法很多，對于降噪要求高的場合，可以采用消聲隔聲房（如圖6所示）。也有設備進、出口及放空處安裝阻性消聲器。噪聲問題，在中國基本上已可得到有效控制。

圖6 消聲隔聲房

3 結論

由于水環(huán)式真空泵氣量較小，其單臺成本較低，且機器操作維護難度較小，對于小型堿廠是最佳選擇。在大型純堿廠，水環(huán)式真空泵也因為氣量較小，無法適應大流量工況下運行，不能與多級透平真空機、單級透平真空機放在同一平臺進行競爭。

在600萬t以上純堿廠，排除效率最低且流量范圍小的水環(huán)式真空泵，單級、多級透平真空機比較結論如下。

單級透平真空機與多級透平真空機相比，單個葉輪效率損失少，優(yōu)勢是效率高，但也僅限在額定設計工況下省功。單級機組尺寸小，但因高速運行設備，機組內(nèi)間隙較小，對于操作人員技能要求較高，后續(xù)維保費用高。一旦發(fā)生機組喘振、失速、異物進入會造成重大損失。

多級透平真空機閉式葉輪效力較高，軸位移平穩(wěn)性好，但制作工藝繁雜，單級透平真空機半開式葉輪效力較低，葉頂間隙對軸位移的變更比較敏感，但制作工藝簡略。

在純凈氣體環(huán)境中，單級透平真空機較多級透平真空機優(yōu)勢明顯。正因為其轉速高，因此環(huán)境介質復雜，如純堿廠真空系統(tǒng)內(nèi)水蒸氣、氨氣、二氧化碳，高轉速機械易造成葉輪沖擊較大，機殼內(nèi)部氣流速度高，葉輪、殼體短時間被磨損腐蝕，后續(xù)備件采購量大，成本居高不下。

透平真空機入口易形成負壓，介質內(nèi)水汽會凝結成水，對單級透平真空機轉速葉輪造成的沖蝕較明顯。