大型RH精炼炉机械真空系统优化设计与应用

施汉生，陈 民，朱嗣勇，吴孔明，张 明

(1.山东钢铁集团日照有限公司， 山东 日照 276805;2.中国重型机械研究院股份公司，陕西 西安 710032)

0 前言

由于干式机械真空系统具有即用即起、节能、环保的优点，在大型RH精炼真空系统应用越来越广泛。新建、改造的大型RH精炼配套机械真空系统都面临真空泵数量大、控制阀门多、泵间管道及除尘器体积大，占用空间大、基建投资高的问题。因此，优化所配置机械真空系统结构设计，实现布置模块化，方便维修操作，进一步压缩无效真空容积，实现节能运行，对提升机械真空系统能效指标具有重要意义。

1 大型RH精炼机械真空系统结构设计现状及存在问题

1.1 大型RH精炼机械真空系统结构设计现状

目前，构建大型RH精炼所配置的机械真空泵总数量都在数十台以上。按照RH精炼工艺参数要求机械真空系统系统所能实现的功能，既有的大型RH精炼机械真空系统有三种结构模式：三级泵组并联模式、多级并串组合模块式和四级分散模式，各有优缺点。

三级泵组并联模式为三级模块化设计，单级压缩比大，机械真空泵发热明显，机械泵的效率、温升难以平衡。级间泵的数量成固定比例，一旦个别机械泵故障，整个泵组就必须退出运行，系统总体抽气能力明显下降，甚至造成系统停机，操作柔性极差。典型的三级泵组并联模式为两级爱德华罗茨泵与一级爱德华螺杆泵按照221模式组成三级真空泵组，再按照RH精炼工艺参数实际需要的总抽气量确定系统泵组数量。此类结构典型样式如图1(图示泵组有省略)所示。

图1 三级泵组并联模式

多级并串组合模块式主要为小型机械真空泵组合，主要是真空泵数量多，组合复杂，需要模块化设计。此种模块式组合主要用于小型初抽泵，有三级设计也有四级设计，甚至达到五级组合设计。通过真空泵多级并串组合成模块式，再按照RH精炼工艺实际需要的总抽气量确定系统泵组数量。多级并串组合模块式虽具有一定控制柔性，但其机械真空泵抽气能力小，模块化设计组成大型RH精炼机械真空系统真空泵的数量更多，控制及管道布置最为复杂。此类结构形式典型样式如图2所示。

图2 并串组合模块式

四级分散模式为四级，单级分配的压缩比变小，前级螺杆泵排气能力满足要求后，机械真空泵发热得到明显控制，机械泵的效率、温升得到优化平衡。各级间泵的数量可以根据RH精炼工艺参数要求动态调整，个别机械真空泵故障，不会导致系统总体抽气能力明显下降，操作柔性好。四级分散模式主要用于中大型初抽泵(连接真空槽气体出口的泵)，大型初抽泵单台名义抽速高达10×104m3/h(67 Pa，20℃)，构建系统真空泵的数量少，但操作控制柔性极差，单台故障系统总抽气量损失大，严重制约系统稳定运行；中型泵单台名义抽气量5×104m3/h(67 Pa，20℃)左右，操作控制柔性相对较好，单台故障系统总抽气量损失小，系统运行稳定性好。系统先按抽气能力大小以及各级压缩比分配要求，将大小不同、数量不同的机械真空泵按照合理分配的压缩比并联成四级后再串联成完整系统。此类结构布置示意如图3所示。

图3 四级分散模式

1.2 大型RH精炼机械真空系统结构设计存在的问题

当前大型RH精炼机械真空系统结构设计需要重点解决合理布置、柔性操作、节能高效的问题。

1.2.1 操作控制柔性问题

RH精炼在品种开发中承担重要作用，机械真空系统需要随工艺操作参数变化而变化，才能不断提高钢水精炼效率，这就对真空系统操作控制柔性提出了较高要求。大型化与模块化设计严重制约大型RH精炼机械真空系统操作控制柔性；小型泵操作控制柔性好，也带来真空泵及控制阀门数量过多、故障点、泄漏点增多的弊端。

1.2.2 机械真空泵布置泵房占地面积大

已经构建的大型机械真空系统，无论何种结构型式，从结构稳定性上考虑，将体积、重量、排气量大的真空泵安装布置在地面，占地面积大，导致联接管道拐弯增多，无效抽真空体积明显增多，建设与运行成本显著增加。

1.2.3 管道结构布置检修性差

大型RH精炼机械真空系统无论采用哪种结构型式，其初抽泵及中间级真空泵均为罗茨泵。通常卧式结构的齿轮润滑以及运行稳定性要优于立式结构，所以大型RH精炼机械真空系统优先选用卧式结构，为了更换真空泵吊装方便，进气口都设计了可拆卸移除的弯头，并通过弯头与真空泵连接，都将进气主管道布置在泵的一侧，弯头等无效真空容积增大，如图4所示。

图4 罗茨泵安装示意图

1.2.4 无效抽真空容积比例高

相同配置的机械真空系统，无效反复抽真空容积比例决定了系统能耗高低。大型RH精炼所配置的机械真空系统由于真空泵数量多，连接管道体积大，控制阀门及联接弯头多，结构布置设计特别是进气弯头及旁通管道设计均属无效真空体积，进一步扩大了机械真空系统无效反复抽真空容积比例，能效大大降低。

1.2.5 级间控制阀门易泄露

大型RH精炼机械真空系统通常根据工艺操作需求，设置了复杂的旁通管道与级间控制阀门，级间阀门容易泄露，会使真空系统增加额外负荷，系统真空泵迅速发热，增加了操作控制难度与故障源。

2 大型RH精炼机械真空系统结构设计优化

大型RH精炼所配置的机械真空系统参数确定后，在系统实际构建过程中，结合精炼工艺参数进行布置合理优化，在结构设计细节上不断进行完善，充分降低无效反复抽真空容积比例，从而进一步降低机械真空系统能耗指标。

2.1 机械真空系统结构与布置模式确定

从已经构建的大型RH精炼机械真空系统来看，选用中型机械真空泵组合成四级分散模式其结构相对优化，既能控制系统真空泵总数量，又能使其具有操作柔性，是大型RH精炼机械真空系统较为优化的结构模式，可以优先采用。

2.2 机械真空系统四级分散模式结构再优化

采用中型真空泵以四级分散模式构建的机械真空系统，通常从系统一侧配置旁通管道与级间控制阀门，控制复杂，存在级间气体泄露风险，需要再优化。利用真空系统前级螺杆泵预抽压差推动后级罗茨泵自由转动，能保持气流流动通畅的特点，优化控制方式，删除系统旁通结构道，同时采用捕频控制(控制变频器自动检测真空泵自由转动频率，以此为基点进行快速启动)方法，实现各种工艺参数操作工况下真空泵的启停与运行控制，结构布置与操作控制更加简洁方便，优化后的系统布置如图6所示。

图5 四级分散模式优化前后对比图

2.3 机械真空泵安装更换方式优化

针对大型RH精炼机械真空系统真空泵数量多，安装、检修空间狭小，拆卸吊装不方便的特点，需要进一步优化机械真空泵安装更换方式：每级真空泵设计一套真空泵运输小车，每台真空泵设计具有滚动机构的移动支架。真空泵运输小车可以将旧真空泵运离吊装位，将新真空泵运输到吊装位输到位；移动支架可以带动真空泵由工作位进入吊运、安装位，达到方便真空泵检修更换的目的。移动支架可以是可拆卸滚动机构也可以是带偏心装置的滚动机构，需移动真空泵时，安装或调整偏心装置使滚动机构工作，实现轻松移动，移动结束拆除滚动机构或转动偏心机构，固定移动支架，如图6、图7所示。具体实施需做详细模块化结构设计。

图6 真空泵移动支架示意图

图7 真空泵安装拆卸吊装示意图

2.4 机械真空系统无效反复抽真空体积压缩优化

基于机械真空泵安装更换方式优化方案，为了降低管路阻损，进一步压缩机械真空系统无效抽真空容积，按照系统气流方向，将真空泵从上到下、从大到小集中叠摞布置，消除管道弯头，大大压缩真空泵布置空间，缩短了驱动动力电缆长度，使得无效反复抽真空体积占比最小化，真正实现机械真空系统高效节能，结构布置如图8所示。

图8 机械真空系统中真空泵叠摞布置示意图

3 优化设计系统的应用

山东钢铁集团日照精品基地一期工程建设过程中，由中国重型机械研究院股份公司以EPC方式构建了3套210 t大型RH精炼机械真空系统，总抽气量为110×104m3/h(67 Pa，20℃)。在系统构建方案设计过程中，经过反复优化设计，选用了中型泵采用四级分散模式，对系统真空泵的布置、管道结构以及阀门的配置等影响无效真空容积占比的因素，结合现场工况实际，细化系统结构设计，尽可能压缩真空系统无效反复抽真空容积占比，降低系统能耗；并结合机械真空泵的特点，采用了捕频控制技术，省略了常规通用的旁通管道及旁通控制阀，使得大型RH精炼机械真空系统结构更简洁，节省了大量投资；真空泵叠摞布置设计，消除了管道弯头设计，结构更紧凑，操作控制柔性好，能耗低，运行成本低。真空泵叠摞布置已获得授权《大型干式机械真空系统中真空泵叠摞布置及更换方法》发明专利(专利号为CN201710195146.X)。