纯碱滤过真空机现状及选用方向

陈勇

（南通大通宝富风机有限公司，江苏 南通226010）

1 中国纯碱滤过真空机种类及使用状态

1.1 水环式真空泵

2万t左右纯碱小厂对于过滤室和有关管道的流量及真空度要求较低，水环式真空泵正好满足其性能需求。由于水环泵中气体压缩是等温的，因此可以抽除易燃、易爆的气体。由于没有排气阀及摩擦表面，可以抽除带尘埃的气体、可凝性气体和气水混合物。有了这些突出的特点，尽管它效率低，仍然得到了广泛的应用。

1.1.1 优点

结构简单，制造精度要求不高，容易加工。结构紧凑，泵的转数较高，一般可与电动机直联，无须减速装置。小结构尺寸却可以获得大的排气量，占地面积也小。压缩气体基本上是等温的，即压缩气体过程温度变化很小。由于泵腔内没有金属摩擦表面，无须对泵内进行润滑，而且磨损很小。转动件和固定件之间的密封可直接由水封来完成。吸气均匀，工作平稳可靠，操作简单，维修方便。

1.1.2 缺点

效率低，一般在30%左右，较好的可达50%。真空度低，这不仅是因为受结构方面的限制，更重要的是受工作液饱和蒸气压的限制。耗水量大，当流量为8.33 m3/min，真空度为3 300 Pa时，每台耗水量达到1.2 t/h；当其流量达到目前常见的700 m3/min时，其耗水量会呈几何倍数增长，且在其效率低情况下，功耗也与透平设备差异较大。

1.2 多级透平真空机

在国内“放大压小”政策驱使下，国内起来很多60万t及以上碱厂，包括中盐昆山碱业、青海五彩矿业、青海昆仑碱业、青海盐湖金属镁、天津碱厂等项目，其过滤室和有关管道的流量均要求在700 m3/min以上，真空度为70 kPa以上，如采用水环式真空泵，则需配备几十台真空泵来满足工况需求，对生产成本及后续维护费用带来很大负担。目前化一院（天辰）、化八院（成达）在该工段均采用多级透平真空机组。

第二，从学生个体因材施教。班级之间存在差异性，而学生之间同样也是如此，具体体现在：个人学习能力、学习态度以及身体素质等等方面的差异。在课堂教学过程中，教师需要充分考虑各个影响因素，尽可能照顾到每一位学生，根据学生的特点，采取有针对性的教学方法激励学生参与体育运动，从而实现高效课堂的目标。[3]

1.2.1 优点

输送的气体清洁、干燥且无油。低转速机械，使用寿命长，绝无脉动，超低噪声。效率高，多变效率一般可达80%。振动极微，稳定区域广，操作简单，容易安装，费用低。

1.2.2 缺点

满载效率高于水环式真空泵，略低于单级高速透平真空机。当小流量运行时易出现喘振现象（透平类真空机不可避免）。

1.3 单级透平真空机

本公司自2006年开始研发生产单级高速透平真空机，先后配套给天津铁厂、大唐、华电、国电等国企、央企，应用领域包括电厂脱硫、污水处理、煤气加压、硫磺回收、蒸汽再应用等。相较多级透平真空机，二者的区别是单级高速透平真空机只有一组叶轮，空气的压缩是一次压缩完成的，而多级透平真空机在一根主轴上有多组叶轮，空气的压缩是在多组叶轮间逐步完成的。由于透平真空机是依靠提高空气的流动速度即空气动能来压缩空气提高压力，所以要获得同样的压力，单级透平真空机的叶轮必须比多级真空机的转速高数十倍。由于压力很大程度上依靠提高转速来提供，而转速受平衡、润滑及材料性能等多方面的限制，所以单级透平真空机更多被使用于低压力场合，而高压力工况下更多使用多级透平真空机。单级透平真空机一般依靠齿轮箱获得极高转速，由于转速特别高，所以控制和维护保养真空机特别重要，必须配套单独的润滑油站，同时由于高转速使诸多部件如叶片等磨损较大，所以单级透平真空机的寿命比多级透平真空机短。

1.3.1 优点

叶轮采用先进的空气动力学设计，整体数控铣制，效率高，一般可达83%以上。性能曲线平坦，稳定工况范围比较宽，采用进口预旋器可使流量在70%～100%范围内调节。采用PLC及防喘振技术，机电一体化，自动化程度高，运行可靠。

1.3.2 缺点

机构复杂，机组有润滑油站、齿轮变速箱等辅助机构和设置。转速高、噪声大。维护量大、维护难度高、真空机部件磨损快，而且对平衡、装配要求极高。

2 纯碱滤过真空机实际选用分析

2.1 功耗比较

功耗比较如图1所示。

图1 功耗比较

水环式真空泵效率一般在30%左右，较好的可达50%。理论上在小厂使用，所需流量、真空度不大，基数小，因此效率劣势不是特别明显。但如在60万t及以上碱厂使用，其耗水量大，能耗高的缺点表现较突出，与多级透平真空机及单级高速真空机的差异较大。

多级透平真空机与单级透平真空机均为透平设备，单级高速透平真空机采用三元流理论进行设计，轴向进气，并在叶轮前面设有进气预旋装置，减少了进气损失，加之单级高速透平真空机为一级结构，流道短、损失小。综合以上因素，传统意义上单级高速透平真空机的整机效率较多级透平真空机提高5%～10%左右，如图2所示，可以为用户创造较高的经济效益。

图2 单机真空机和多级真空机多变效率比较

单级透平真空机设计最高效率点大于多级透平真空机，但因真空机设计参数与实际工况往往有一定差距，造成单级透平真空机实际工作效率、电机功耗不一定大于多级透平真空机，所谓省功率也仅在额定设计工况下节能。

2.2 安全性比较

水环式真空泵（如图3所示）及多级透平真空机（如图4所示）均属低转速机械，设备精度较单级低，从前期投入成本看，可自动化控制也可无需自动化控制，故障率低，检修周期长，连续运行时间短，产品可靠性高。运维人员的技能要求低。机体内部间隙大，机组对遇特殊工况抗压性高。图3、图4为水环式真空泵、多级透平真空机运行10年的状态，考虑到输送介质含水蒸气、氨气、二氧化碳、空气等因素，选用相应设备材料，理论上是不会被磨损的。

图3 水环式真空泵

图4 多级透平真空机

单级透平真空机转速一般达20 000 r/min，设备精度高，因转速高需自动化控制，真空机运行时对运维人员的技能要求高，全自动防喘振控制及实时状态监控，确保设备始终处于安全经济运行模式，机体内部间隙小，机组遇特殊工况，如水滴、特殊气体造成的冲刷，短时间内造成磨损易损伤机组。叶轮（如图5所示）转速为23 500 r/min，叶轮材质为TC4，使用2年后叶轮叶片入口冲蚀情况明显，后续可能造成转子不平衡，使真空机振动加剧。

图5 叶轮

2.3 噪声分析

近年来，各级政府部门对环保越来越重视，公众环保意识也随之加强。比如水、大气、土壤等传统污染被“围追堵截”，近年来有了很大改观。前不久，生态环境部公布5月全国“12369”环保举报办理情况，噪声污染举报占41.4%。噪声污染对岗位从业人员、居民的工作及生活的影响不可小觑。

水环式真空泵的正常声响是水环涡流造成的。声响随着压缩比的增加而加剧（但轴功率上升并不多）。当达到最大压缩比时，气量为零，吸气孔到排气孔的整个水环全部形成涡流，使气量脉动和噪声达到最大值。这个噪声与泵的圆周速度、吸入压力、泵体壁厚、气水分离器结构以及供水盆有关。对于运行的泵，如果适当调节供水量，或者在进气管路上装一个小阀门把部分大气排放到泵体里面，这种声响有可能被降低。

透平式真空机噪声主要来源为气动噪声，约占45%，气动噪声主要包括旋转噪声和涡流噪声。旋转噪声又称离散频率噪声，当叶轮旋转时，叶轮上的叶片通道出口处的气流压力与气流速度都有较大的变化。当蜗舌与叶片出口边缘间的间隙较小时，旋转的叶片通道掠过蜗舌处就会出现周期性的压力和速度脉动。涡流噪声也称旋涡噪声，是叶轮在旋转过程中，叶轮叶片与气体相互作用、耦合所辐射的宽频带噪声，包括来流紊流噪声、紊流边界层噪声、尾缘涡流脱落噪声和叶尖涡流噪声。

虽然都是透平式真空机，单级高速透平真空机因其转速为多级透平真空机的3～5倍，其造成的噪声还是相对较高。控制真空泵（机）噪声的方法很多，对于降噪要求高的场合，可以采用消声隔声房（如图6所示）。也有设备进、出口及放空处安装阻性消声器。噪声问题，在中国基本上已可得到有效控制。

图6 消声隔声房

3 结论

由于水环式真空泵气量较小，其单台成本较低，且机器操作维护难度较小，对于小型碱厂是最佳选择。在大型纯碱厂，水环式真空泵也因为气量较小，无法适应大流量工况下运行，不能与多级透平真空机、单级透平真空机放在同一平台进行竞争。

在600万t以上纯碱厂，排除效率最低且流量范围小的水环式真空泵，单级、多级透平真空机比较结论如下。

单级透平真空机与多级透平真空机相比，单个叶轮效率损失少，优势是效率高，但也仅限在额定设计工况下省功。单级机组尺寸小，但因高速运行设备，机组内间隙较小，对于操作人员技能要求较高，后续维保费用高。一旦发生机组喘振、失速、异物进入会造成重大损失。

多级透平真空机闭式叶轮效力较高，轴位移平稳性好，但制作工艺繁杂，单级透平真空机半开式叶轮效力较低，叶顶间隙对轴位移的变更比较敏感，但制作工艺简略。

在纯净气体环境中，单级透平真空机较多级透平真空机优势明显。正因为其转速高，因此环境介质复杂，如纯碱厂真空系统内水蒸气、氨气、二氧化碳，高转速机械易造成叶轮冲击较大，机壳内部气流速度高，叶轮、壳体短时间被磨损腐蚀，后续备件采购量大，成本居高不下。

透平真空机入口易形成负压，介质内水汽会凝结成水，对单级透平真空机转速叶轮造成的冲蚀较明显。