全羅茨真空泵抽氣系統(tǒng)的應(yīng)用研究.doc

全羅茨真空泵無油抽氣系統(tǒng)的應(yīng)用研究馬德寶真空設(shè)備集團有限公司 教授級高工：張寶夫摘要：羅茨真空泵是一種應(yīng)用極為廣泛的無油真空抽氣設(shè)備。全羅茨真空泵可以組成大型無油真空抽氣系統(tǒng)，滿足近年來各行業(yè)對無油真空抽氣系統(tǒng)越來越大的需要，但在應(yīng)用過程中存在噪聲高、配套功率大，尤其是被抽介質(zhì)產(chǎn)生氮氧化物、結(jié)焦物等場合時容易發(fā)生卡死等缺陷。根據(jù)羅茨真空泵的特性，對全部由羅茨真空泵組成的抽氣系統(tǒng)的組成及性能作一介紹，運用現(xiàn)代設(shè)計技術(shù)和控制技術(shù)，分析了產(chǎn)生這些缺陷的原因，采取了相應(yīng)的改進措施。對抽氣系統(tǒng)如何實行智能化控制做了敘述。關(guān)鍵詞：羅茨泵；羅茨泵組合系統(tǒng)；噪聲；PLC；變頻 一、背景和應(yīng)用環(huán)境羅茨真空泵（這以后稱為羅茨泵）及其組成的機組具有轉(zhuǎn)速高、體積小、可在需要干式的環(huán)境運行，組成較大抽氣速率的泵組合機組等優(yōu)點外，組成抽氣系統(tǒng)的氣冷羅茨泵還可以在配帶合適的電機及熱交換器后可在任意的壓力下起動，任意壓差下運行，因此在負(fù)載較大；抽氣時間要求短；粗真空至高真空均需要大抽速的多種場合如航空航天、電力、鋼鐵處理、醫(yī)藥化工等廣泛地得到了應(yīng)用，但組成全羅茨泵機組的巨大配套功率、巨大的噪聲等問題又使許多應(yīng)用單位望而生畏。節(jié)能降耗、改善工作環(huán)境業(yè)已成為生產(chǎn)企業(yè)降低生產(chǎn)成本、提高產(chǎn)品質(zhì)量、爭取廣大用戶的重要手段。本文將根據(jù)羅茨泵的特性，介紹多種羅茨泵的組合的性能，就如何更加合理地把大型全羅茨泵抽氣系統(tǒng)應(yīng)用于各行各業(yè)作一介紹，提出了應(yīng)用中的一些關(guān)鍵技術(shù)問題及其解決方法，促進應(yīng)用行業(yè)的清潔生產(chǎn)，對抽氣系統(tǒng)如何實行智能化控制做了敘述。二、羅茨泵工作原理特性組成無油真空抽氣系統(tǒng)的羅茨泵，主要可分為前級需要真空泵串聯(lián)使用的ZJ型或ZJP型普通羅茨泵和可以直排大氣（或耐高壓差）的ZJQ型氣冷式羅茨泵兩大類。2.1 ZJ或ZJP型普通羅茨泵普通羅茨泵已發(fā)展很長時間，是一種旋轉(zhuǎn)式容積真空泵，其工作原理和羅茨鼓風(fēng)機相似，利用兩個8字形轉(zhuǎn)子由傳動比為1的一對齒輪帶動，在泵殼中作彼此反向的同步旋轉(zhuǎn)運動，轉(zhuǎn)子間、轉(zhuǎn)子與泵體間存在間隙、彼此無接觸，如圖一所示。圖一、羅茨泵工作原理Fig.1 Principle of Roots pump2.2 ZJQ型氣冷羅茨泵國內(nèi)上世紀(jì)90年代開始發(fā)展起來的ZJQ型氣冷羅茨泵，到現(xiàn)在技術(shù)和運行已日臻完善，具有配帶合適的電機及熱交換器后可在任意的壓力下起動，任意壓差下運行的優(yōu)點。其工作原理如圖二所示。該系列泵可以單獨使用，也可以與其他泵組成機組使用，可達到各種極限壓力并在各個入口壓力下安全長期工作2。1. 抽氣口； 2. 返冷氣口；3. 泵排氣口；4. 冷媒出口；5.冷媒入口； 6. 轉(zhuǎn)子1；7. 轉(zhuǎn)子2； 8. 泵體； 9. 熱交換器圖二、氣冷羅茨泵工作原理Fig.2 Principle of Gas-cooled Roots Pump2.3 全羅茨泵抽氣系統(tǒng)各行各業(yè)的發(fā)展，對真空抽氣系統(tǒng)的抽氣速率的要求越來越大，而且又要真空系統(tǒng)實現(xiàn)無油的真空抽氣狀態(tài)，如此大的抽氣速率只有進行多臺真空泵的組合才能得以實現(xiàn)。市場上現(xiàn)有的干式真空泵如螺桿真空泵、 爪式真空泵等的抽速特性和結(jié)構(gòu)機理的限制，滿足不了很多場合的應(yīng)用環(huán)境，用氣冷羅茨泵作為前級泵后，可實現(xiàn)羅茨真空抽氣系統(tǒng)的全無油條件，滿足多種場合的應(yīng)用要求，組成抽氣系統(tǒng)的真空泵全部由羅茨泵組成的系統(tǒng)圖如圖三所示。根據(jù)工作壓力和抽氣速率等不同的需求工況（見2.4），可以采用一級、二級、三級、四級、五級甚至六級的全羅茨泵組合，也可以根據(jù)工況要求決定溢流閥I、溢流閥II、和溢流閥III的取舍及其羅茨泵II是采用氣冷羅茨泵還是普通羅茨泵，目前國內(nèi)最大的單套全部由羅茨泵組成的抽氣系統(tǒng)的最大抽氣速率可以達到40000L/s。1. 進氣閥門2. 壓力傳感器3. 入口充氣閥4. 普通羅茨泵I5. 溫度傳感器6. 羅茨泵II7. 溫度傳感器8. 溢流閥I9. 熱交換器I10. 羅茨泵III11. 溫度傳感器12. 溢流閥II13. 熱交換器II14. 羅茨泵IV15. 溫度傳感器16. 溢流閥III17. 熱交換器III18. 羅茨泵V19. 溫度傳感器20. 熱交換器IV21. 單向閥22. 消聲器圖三、全羅茨泵組成的系統(tǒng)圖Fig. 3 Sketch of the Whole Roots Pump Combination System2.4 全羅茨泵組合抽氣系統(tǒng)的性能圖四是六級全羅茨泵組合機組及其作其前級的五級、四級、三級、二級、一級羅茨泵或機組的抽氣速率入口壓力曲線，主泵為ZJ40000羅茨泵。此曲線還可以按不同的應(yīng)用工況進行調(diào)整，使之獲得耗能低、效率高的全羅茨泵組合抽氣系統(tǒng)。表一是一級至六級全羅茨泵機組能達到的極限壓力和建議的最低工作安全壓力。圖四、抽氣速率入口壓力曲線Fig.4 Curves of pumping speed Versus inlet pressure表一、極限壓力及最低入口工作壓力Table 1.Ultimate pressure and lowest inlet pressure級數(shù)極限壓力Pa最低工作壓力Pa一級1500025000二級30003500三級50100四級25五級0.10.5六級0.050.1三、應(yīng)用中的研究內(nèi)容及解決辦法及效果3.1 噪聲問題圖三所示全部采用羅茨泵組成的真空抽氣系統(tǒng)，具有工作腔內(nèi)完全干式運行的重要特點，但這型抽氣系統(tǒng)目前不帶消聲器運行時的噪聲高達150dB(A)，帶消聲器噪聲也要達到98110 dB(A)，尤其是抽氣系統(tǒng)在接近極限壓力附近工作時最后一、二級如圖中的氣冷羅茨泵V、IV，由于承受的壓差較大，羅茨泵在運行時氣流會發(fā)出巨大的氣動噪聲，嚴(yán)重地干擾工作環(huán)境，影響人們的身心健康。為此通過數(shù)值模擬和氣流動力流場分析的方法，研發(fā)了具有多維曲面的轉(zhuǎn)子3，改變泵和轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)，緩沖氣流的沖擊，降低噪聲中影響最大、強度最高的氣冷羅茨泵的氣動噪聲，其次在泵的排氣口設(shè)置集阻性和抗性于一體的排出口消聲器。3.2 運行中的壓縮熱平衡問題由于羅茨泵在運行過程中內(nèi)部沒有壓縮，因此在入口壓力高、進排氣兩側(cè)壓差大的工況運行時，會產(chǎn)生壓縮熱，為解決壓縮熱平衡問題，在全羅茨泵組合抽氣系統(tǒng)中，作為前級的羅茨泵V、VI有時甚至III、II必須采用ZJQ型氣冷式直排大氣羅茨泵，與普通羅茨泵相比，氣冷式直排大氣羅茨泵可以解決壓縮熱平衡問題。羅茨泵的壓縮功率為其中A為壓縮功，單位k。D為羅茨泵的壓差，單位為10-6Pa ，P2：羅茨泵出口壓力，P1：羅茨泵入口壓力，S：羅茨泵的抽速，單位為m3/s ，S前：前級泵的抽速，單位為m3/s上式的壓縮功A將大部分轉(zhuǎn)化為熱量。以ZJQ2500為例，當(dāng)壓差D=5.32104 Pa時,其發(fā)熱功率為A=5.3210410-62500 =133(kW)，如此大的發(fā)熱功率在實際運行時是依靠配帶一只外置的熱交換器把熱量帶走，經(jīng)過冷卻的氣體部分返回去冷卻轉(zhuǎn)子與泵體，熱交換器面積的大小按需要交換的發(fā)熱功率計算4。3.3配套功率如3.2所述，羅茨泵的消耗功率與其抽速及壓差成正比，在前級抽氣速率S前一定的情況下，其消耗功率與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速具有二次方負(fù)載特性，與入口壓力的變化成正比，隨著入口壓力的增加而成正比地增加，而隨著轉(zhuǎn)速的降低而快速的降低。為了使泵在運行過程中不使電機過載，通過變頻的方法，在高的入口壓力范圍降低電機轉(zhuǎn)速，而隨著入口壓力的降低可以不斷提高轉(zhuǎn)速提高有效抽氣速率，達到既可以降低配套功率又可以縮短抽氣時間提高運行效率的目的。3.4 熱交換器泄漏問題與氣冷羅茨泵配套的熱交換器有些工況的入口氣流溫度最高可達150，而出口僅僅在40左右，熱交換器冷卻管經(jīng)常因為受熱膨脹發(fā)生變形造成泄漏，為防止冷卻管變形泄漏，設(shè)計研發(fā)了一種熱交換器芯，這種熱交換器的芯可以隨溫度溫差的提高可以在殼體內(nèi)自由伸縮，列管在殼內(nèi)分布均勻，氣體在熱交換器內(nèi)能夠得到充分冷卻而不發(fā)生泄漏5。3.5雜質(zhì)倒入泵腔卡死氣冷羅茨泵的問題全羅茨泵組合最后一級目前有兩種方式，如圖五所示方式a和方式b，可以使整個羅茨泵抽氣機組在停泵時泵不返轉(zhuǎn)、不產(chǎn)生過壓，又可防止某些工況抽氣系統(tǒng)抽入的氮氧化物、反應(yīng)結(jié)焦物等雜質(zhì)不會倒入泵腔，保障真空抽氣系統(tǒng)的正常運行。但方式b噪聲較高，整套機組運行時將達到110dB(A)左右。我們在方式a的基礎(chǔ)上，作了進一步優(yōu)化和改進，首先在返氣管路上設(shè)置了返流過濾器，而在排氣管路上設(shè)置一只單向閥，既使雜質(zhì)不會倒入泵腔，又可以進一步降低噪聲6。（a）（b）1. 溢流閥 2. 羅茨泵 3.溫度傳感器4. 熱交換器 5. 消聲器圖五、最前級氣冷羅茨泵的組合方式Fig.5 The last backing pump combinations四、羅茨泵抽氣系統(tǒng)的控制采用PLC作為控制系統(tǒng)的一級中樞，控制系統(tǒng)各部件的開停，采集現(xiàn)場氣流溫度、真空壓力傳感器所采集的弱電信號，將結(jié)果反饋出來進行相應(yīng)的處理。根據(jù)實時的負(fù)載情況控制變頻器的頻率輸出，在電機負(fù)荷允許的情況下最大限度提升泵的轉(zhuǎn)速提高抽氣速率。變頻器是泵軸轉(zhuǎn)速控制的直接執(zhí)行者，執(zhí)行CPU傳送過來的指令及將電機反饋回來的負(fù)載信息準(zhǔn)確地傳回CPU系統(tǒng)。抽氣系統(tǒng)為機電一體化產(chǎn)品，運用傳感技術(shù)對抽氣系統(tǒng)的所有工作過程實行狀態(tài)檢測，達到全自動化的過載、過溫、壓力、冷卻水等控制，縮短抽氣時間、提高效率及降低功率消耗等。抽氣系統(tǒng)電氣控制滿足自動順序開車、停車，同時滿足逐級手動調(diào)試的要求7。五、結(jié)論由于羅茨泵轉(zhuǎn)子間、轉(zhuǎn)子與泵體間存在間隙，相互之間不接觸，沒有磨損，也不存在排氣閥等結(jié)構(gòu)上的特點，對上述羅茨泵組合的關(guān)鍵技術(shù)問題妥善改進后，可以實現(xiàn)大抽速的全羅茨泵無油真空抽氣系統(tǒng)，這類真空系統(tǒng)運行安全，節(jié)能環(huán)保：1. 與對大容器抽真空采用的水蒸氣噴射泵相比，占地面積小、節(jié)能效果十分明顯