水环泵+蒸汽喷射真空泵系统在鞍钢的应用

张凤心，杨轶龙，赵雷，许海亮

（鞍钢股份有限公司炼钢总厂，辽宁 鞍山 114021）

目前，国内外RH真空处理工艺普遍应用蒸汽喷射真空泵系统，其具有抽气能力强、抽速快、操作简单等特点，但蒸汽耗量大，生产运行成本高，已不适应企业降本增效的需求。随着我国水环泵技术的发展和广泛应用，用水环泵替代末级蒸汽喷射泵，即水环泵+蒸汽喷射真空泵系统的组合技术已经成熟，这种模式不仅能够降低蒸汽耗量和生产成本，而且适应能力强，生产模式多样化。为此，鞍钢股份有限公司炼钢总厂二分厂新增的100 t RH真空泵系统采用了水环泵+蒸汽喷射真空泵的组合模式，并且整套系统实现了国产化。本文对此做一介绍。

1 系统的技术参数和组成

1.1 系统的技术参数

RH真空泵系统的主要技术参数见表1。

表1 RH真空泵系统的主要技术参数Table 1 Main Technological Parameters for RH Vacuum Pump System

1.2 系统的组成

RH真空泵系统由水环泵和蒸汽喷射泵两部分组成，图1为水环泵+蒸汽喷射真空泵系统的流程图。

图1 水环泵+蒸汽喷射真空泵系统的流程图Fig.1 Flow Diagram for Water Circulation Pump Plus Steam-jet Vacuum Pump System

1.2.1 水环泵的组成和工作原理

由图1所示，从C2冷凝器的顶部引出一根抽气管，经过废气过滤器过滤掉气体中的大颗粒接入并联布置的三台水环泵W4a、W4b、W4c，用于代替S4a、S4b两台蒸汽喷射泵的作用。每台水环泵连接管道上安装入口切断阀，并在管道上安装有启动阀和气镇阀，水环泵的出口安装消音器，可大大减少噪声，被抽气体通过消音器排到厂房外。

水环泵的工作原理为：启动前通过水环液补水管线给真空泵腔体加适量的水作为工作液,启动水环泵叶轮顺时针旋转时,由于离心力的作用，水被叶轮抛向四周,形成一个决定于泵腔形状的近似于等厚度的封闭圆环。图2为水环泵的结构和抽气性能曲线。 由图 2（a）所示，水环的上部分内表面恰好与叶轮轮毂相切,水环的下部分内表面刚好与叶片顶端接触 （实际上叶片在水环内有一定的插入深度）。此时叶轮轮毂与水环之间形成一个月牙形空间,而这一空间又被叶轮分成与叶片数目相等的若干个小腔。如果以叶轮的上部0°为起点,那么叶轮在旋转前 180°时小腔的容积由小变大,且与端面上的吸气口相通,此时气体被吸入,当吸气终了时，小腔则与吸气口隔绝;当叶轮继续旋转时,小腔由大变小,使气体被压缩;当小腔与排气口相通时,气体便被排出泵外，完成一个抽气过程。水环泵是靠泵腔容积的变化来实现吸气、压缩和排气的,因此，它属于变容式真空泵。由图2（b）看出，水环泵的吸入气体压力决定着输出功率，当压力在20～100 kPa时，水环泵的工作效率高，抽气速度也会较快。结合RH蒸汽喷射泵的工作模式，水环泵能够替代末级蒸汽喷射泵。

图2 水环泵的结构和抽气性能曲线Fig.2 Structure of Water Circulation Pump and Its Vacuum Performance Curves

1.2.2 蒸汽喷射泵的组成和工作原理

由图1所示，蒸汽喷射泵系统由四级蒸汽喷射真空泵组成，主要包括增压泵S1、S2,冷凝器C1、C2、C3。增压泵S1与S2通过抽气管道相连，增压泵S2与冷凝器C1相连，冷凝器C1通过喷射泵S3a、S3b与冷凝器C2相连；冷凝器C2通过喷射泵S4a、S4b与冷凝器C3相连，其中喷射泵S3a与S3b、喷射泵S4a与S4b均属于并联关系。喷射泵S3b、S4a和S4b的吸入口设有气动切断阀，能将喷射泵迅速切断并为C2排气接水环泵提供条件。

图3 为蒸汽喷射泵的结构和抽气性能曲线。图3（a）为蒸汽喷射泵的工作原理示意图，即高压蒸汽经过喷嘴加速后获得超音速气流，进入混合段，在混合室内造成低压，将被抽气体吸入，并与之进行动量交换进入扩压段。扩压段喉管混合气体压力上升，速度降至音速。速度进一步下降接近于零，压力高于出口压力，从而达到抽气的目的。由图3（b）抽气性能曲线可知，在临界点之前，蒸汽喷射泵的抽气量与吸入气体压力无关。当过临界点后，吸入气体的压力越高，喷射泵的抽气量越大，抽气能力也就越强。

图3 蒸汽喷射泵的结构和抽气性能曲线Fig.3 Structure of Steam-jet Pump and Its Vacuum Performance Curves

2 应用实践

由水环泵+蒸汽喷射泵组成的RH真空泵系统具有两种工作模式：四级全蒸汽喷射泵模式和水环泵+（三级）蒸汽喷射泵模式，两种模式可以互相独立使用。下面分别对两种模式的工作流程进行介绍，并对测试结果进行对比。

2.1 全蒸汽喷射泵模式

在全蒸汽喷射泵模式下，泵启动顺序为：当抽气开始时，首先打开XV303、XV304、XV305切断阀、XV202（C2、C3 下）冷凝器进水阀和XV208 进水阀，关闭破空阀；打开喷射泵S4b蒸汽阀XV107和喷射泵S4a蒸汽阀XV106，延时20 s打开主真空截止阀，C2、C3冷凝器通水；当真空度降至45 kPa以下时，打开三级辅喷射泵S3b蒸汽阀XV105、三级主喷射泵S3a蒸汽阀XV104；当真空度降至10 kPa时，关闭XV303、XV305切断阀，依次关闭喷射泵S4b蒸汽阀XV107、喷射泵S3b蒸汽阀 XV105，关闭 XV202（C2、C3 下）冷凝器进水阀和XV208进水阀，打开C1下冷凝器进水阀XV201，打开增压泵S2蒸汽阀XV103；当真空度达到1.5 kPa时，打开增压泵S1蒸汽阀XV102；直至真空达到67 Pa以下，全泵投入 （S1+S2+S3a+S4a）。表2为全蒸汽喷射泵模式抽气时间的测试结果，该模式下抽气共192 s。

表2 全蒸汽喷射泵模式抽气时间的测试结果Table 2 Test Results of Vacuum Time for All-steam Jet Pump Mode s

2.2 水环泵+蒸汽喷射泵模式

在水环泵+蒸汽喷射泵模式下，泵的启动顺序为：当抽气开始时关闭XV304、XV305切断阀，打开XV202（C2、C3下）冷凝器进水阀，关闭XV208进水阀，关闭破空阀；打开XV303切断阀，启动水环泵 W4a、W4b、W4c，打开相应的进水阀 XV206、XV205、XV204，延时5 s后打开对应水环泵进气阀门 XV306、XV307、XV308，延时 20 s打开主真空截止阀；当真空度达到45 kPa时，打开三级辅喷射泵S3b蒸汽阀XV105、三级主喷射泵S3a蒸汽阀XV104；当真空度达到10 kPa时，关闭XV303切断阀，关闭喷射泵S3b蒸汽阀XV105，关闭XV202（C2/C3下）冷凝器进水阀和XV208进水阀，打开C1下冷凝器进水阀XV201，打开增压泵S2蒸汽阀XV103；关闭W4c水环泵进气阀XV308、10 s后停止W4c水环泵并关闭对应的进水阀XV204；当真空度达到1.5 kPa时，打开增压泵S1蒸汽阀XV102；关闭W4b水环泵进气阀XV307、10 s后停止W4b水环泵并关闭对应的进水阀XV205，当真空度达到67 Pa时开始计时，全泵投入（S1+S2+S3a+W4a）。表3为水环泵+蒸汽喷射泵模式抽气时间的测试结果，该模式下抽气共150 s，比全蒸汽模式缩短了42 s，对缩短RH真空处理时间和提高产量起到了至关重要的作用。

表3 水环泵+蒸汽喷射泵模式抽气时间的测试结果Table 3 Test Results of Vacuum Time for Water Circulation Pump Plus Steam-jet Vacuum Pump Mode s

2.3 两种模式的蒸汽消耗对比

末级泵分别选用全蒸汽泵和水环泵的模式，保持蒸汽压力稳定在1.0 MPa，在连续3天的时间内，记录两种模式下各处理20炉钢水的蒸汽耗量，对比见图4。由图4可知，水环泵+蒸汽喷射泵模式的蒸汽耗量平均为13.69 t/h，比全蒸汽喷射泵模式少23%。

图4 蒸汽消耗量的对比Fig.4 Comparison of Steam Consumption

2.4 经济效益分析

（1）水环泵+蒸汽喷射泵模式的电耗成本

由表3可知，真空度为101～45 kPa和45～10 kPa时是三台水环泵运转，时间为110 s；真空度为10～1.5 kPa时是两台水环泵运转，时间为20 s；真空度为1.5～0.067 kPa时是一台水环泵运转，时间为20 s，水环泵电机功率为200 kW，计算水环泵+蒸汽喷射泵模式的抽真空期间内电能消耗为：

（110×3×200+20×2×200+20×200）÷3 600

=21.7 （kW·h）

平均处理一罐钢水的时间为40 min，除去抽真空时间（150 s，即 2.5 min），进入真空保持阶段的时间为40-2.5=37.5 min，该阶段是一台水环泵运转，电能消耗为：

37.5×200÷60=125 （kW·h）。

所以，水环泵+蒸汽喷射泵模式下处理一罐钢水的电能消耗为：

21.7+125=146.7 （kW·h）

RH年产量70万t，每罐钢水100 t，以电能单价 0.556 元/（kW·h）计算，水环泵+蒸汽喷射泵模式的年消耗电能为：

700 000÷100×146.7×0.556÷10 000≈57.1（万元）

（2）水环泵+蒸汽喷射泵模式节省的蒸汽成本

由图4可知，采用水环泵+蒸汽喷射泵模式处理一罐钢水比采用全蒸汽喷射泵模式节省蒸汽耗量为：

（17.79-13.69）×40÷60≈2.73 t

年节省蒸汽耗量为：

700 000÷100×2.73=19 110 t

蒸汽单价为53元/GJ，每t蒸汽合2.73 GJ计算，年节省蒸汽成本为:

19 110×2.73×53÷10 000＝276.5（万元）

（3）降低成本

276.5－57.1=219.4（万元）

生产实践表明，自2019年12月使用以来，国产化的高效水环泵+蒸汽喷射泵真空处理系统设备运行稳定，维护方便，生产适应能力强。而且，生产模式多样化，可以根据RH不同工艺要求，选用水环泵、水环泵+蒸汽喷射泵和全蒸汽喷射泵等多种组合模式，完全满足RH抽真空的工艺要求。

3 结语

鞍钢股份有限公司炼钢总厂二分厂100 t RH成功应用了国产化的高效水环泵+蒸汽喷射真空泵系统。该系统设备运行稳定，维护方便，生产适应能力强，与传统的全蒸汽喷射泵模式相比，可节约蒸汽耗量23%，年节省成本219.4万元，实现了节能降耗的目的。同时，该模式的抽真空时间短，抽气能力强，对缩短RH真空处理时间和提高产量起到了至关重要的作用。水环泵+蒸汽喷射真空泵系统可以根据RH真空度的工艺需求选用水环泵、水环泵+蒸汽喷射泵、全蒸汽喷射泵等多种组合模式，均能满足RH的抽真空要求。