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(wú)油抽氣系統(tǒng)的應(yīng)用研究馬德寶真空設(shè)備集團(tuán)有限公司 教授級(jí)高工：張寶夫摘要：羅茨真空泵是一種應(yīng)用極為廣泛的無(wú)油真空抽氣設(shè)備。全羅茨真空泵可以組成大型無(wú)油真空抽氣系統(tǒng)，滿足近年來(lái)各行業(yè)對(duì)無(wú)油真空抽氣系統(tǒng)越來(lái)越大的需要，但在應(yīng)用過(guò)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(chǎng)合時(shí)容易發(fā)生卡死等缺陷。根據(jù)羅茨真空泵的特性，對(duì)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(yùn)用現(xiàn)代設(shè)計(jì)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(jìn)措施。對(duì)抽氣系統(tǒng)如何實(shí)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(jī)組具有轉(zhuǎn)速高、體積小、可在需要干式的環(huán)境運(yùn)行，組成較大抽氣速率的泵組合機(jī)組等優(yōu)點(diǎn)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(jī)及熱交換器后可在任意的壓力下起動(dòng)，任意壓差下運(yùn)行，因此在負(fù)載較大；抽氣時(shí)間要求短；粗真空至高真空均需要大抽速的多種場(chǎng)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(jī)組的巨大配套功率、巨大的噪聲等問(wèn)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(zhēng)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(wèn)題及其解決方法，促進(jìn)應(yīng)用行業(yè)的清潔生產(chǎn)，對(duì)抽氣系統(tǒng)如何實(shí)行智能化控制做了敘述。二、羅茨泵工作原理特性組成無(wú)油真空抽氣系統(tǒng)的羅茨泵，主要可分為前級(jí)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(zhǎng)時(shí)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(jī)相似，利用兩個(gè)8字形轉(zhuǎn)子由傳動(dòng)比為1的一對(duì)齒輪帶動(dòng)，在泵殼中作彼此反向的同步旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，轉(zhuǎn)子間、轉(zhuǎn)子與泵體間存在間隙、彼此無(wú)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(guó)內(nèi)上世紀(jì)90年代開(kāi)始發(fā)展起來(lái)的ZJQ型氣冷羅茨泵，到現(xiàn)在技術(shù)和運(yùn)行已日臻完善，具有配帶合適的電機(jī)及熱交換器后可在任意的壓力下起動(dòng)，任意壓差下運(yùn)行的優(yōu)點(diǎn)。其工作原理如圖二所示。該系列泵可以單獨(dú)使用，也可以與其他泵組成機(jī)組使用，可達(dá)到各種極限壓力并在各個(gè)入口壓力下安全長(zhǎng)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(duì)真空抽氣系統(tǒng)的抽氣速率的要求越來(lái)越大，而且又要真空系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)無(wú)油的真空抽氣狀態(tài)，如此大的抽氣速率只有進(jìn)行多臺(tái)真空泵的組合才能得以實(shí)現(xiàn)。市場(chǎng)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(jī)理的限制，滿足不了很多場(chǎng)合的應(yīng)用環(huán)境，用氣冷羅茨泵作為前級(jí)泵后，可實(shí)現(xiàn)羅茨真空抽氣系統(tǒng)的全無(wú)油條件，滿足多種場(chǎng)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(jiàn)2.4），可以采用一級(jí)、二級(jí)、三級(jí)、四級(jí)、五級(jí)甚至六級(jí)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(guó)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(dá)到40000L/s。1. 進(jìn)氣閥門(mén)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(jí)全羅茨泵組合機(jī)組及其作其前級(jí)的五級(jí)、四級(jí)、三級(jí)、二級(jí)、一級(jí)羅茨泵或機(jī)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(jìn)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(jí)至六級(jí)全羅茨泵機(jī)組能達(dá)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(jí)數(shù)極限壓力Pa最低工作壓力Pa一級(jí)1500025000二級(jí)30003500三級(jí)50100四級(jí)25五級(jí)0.10.5六級(jí)0.050.1三、應(yīng)用中的研究?jī)?nèi)容及解決辦法及效果3.1 噪聲問(wèn)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(yùn)行的重要特點(diǎn)，但這型抽氣系統(tǒng)目前不帶消聲器運(yùn)行時(shí)的噪聲高達(dá)150dB(A)，帶消聲器噪聲也要達(dá)到98110 dB(A)，尤其是抽氣系統(tǒng)在接近極限壓力附近工作時(shí)最后一、二級(jí)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(yùn)行時(shí)氣流會(huì)發(fā)出巨大的氣動(dòng)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(guò)數(shù)值模擬和氣流動(dòng)力流場(chǎng)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(qiáng)度最高的氣冷羅茨泵的氣動(dòng)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(yùn)行中的壓縮熱平衡問(wèn)題由于羅茨泵在運(yùn)行過(guò)程中內(nèi)部沒(méi)有壓縮，因此在入口壓力高、進(jìn)排氣兩側(cè)壓差大的工況運(yùn)行時(shí)，會(huì)產(chǎn)生壓縮熱，為解決壓縮熱平衡問(wèn)題，在全羅茨泵組合抽氣系統(tǒng)中，作為前級(jí)的羅茨泵V、VI有時(shí)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(wèn)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(jí)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(shí),其發(fā)熱功率為A=5.3210410-62500 =133(kW)，如此大的發(fā)熱功率在實(shí)際運(yùn)行時(shí)是依靠配帶一只外置的熱交換器把熱量帶走，經(jīng)過(guò)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(jì)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(jí)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(yùn)行過(guò)程中不使電機(jī)過(guò)載，通過(guò)變頻的方法，在高的入口壓力范圍降低電機(jī)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(dá)到既可以降低配套功率又可以縮短抽氣時(shí)間提高運(yùn)行效率的目的。3.4 熱交換器泄漏問(wèn)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(dá)150，而出口僅僅在40左右，熱交換器冷卻管經(jīng)常因?yàn)槭軣崤蛎洶l(fā)生變形造成泄漏，為防止冷卻管變形泄漏，設(shè)計(jì)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(wèn)題全羅茨泵組合最后一級(jí)目前有兩種方式，如圖五所示方式a和方式b，可以使整個(gè)羅茨泵抽氣機(jī)組在停泵時(shí)泵不返轉(zhuǎn)、不產(chǎn)生過(guò)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(huì)倒入泵腔，保障真空抽氣系統(tǒng)的正常運(yùn)行。但方式b噪聲較高，整套機(jī)組運(yùn)行時(shí)將達(dá)到110dB(A)左右。我們?cè)诜绞絘的基礎(chǔ)上，作了進(jìn)一步優(yōu)化和改進(jìn)，首先在返氣管路上設(shè)置了返流過(guò)濾器，而在排氣管路上設(shè)置一只單向閥，既使雜質(zhì)不會(huì)倒入泵腔，又可以進(jìn)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(jí)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(jí)中樞，控制系統(tǒng)各部件的開(kāi)停，采集現(xiàn)場(chǎng)氣流溫度、真空壓力傳感器所采集的弱電信號(hào)，將結(jié)果反饋出來(lái)進(jìn)行相應(yīng)的處理。根據(jù)實(shí)時(shí)的負(fù)載情況控制變頻器的頻率輸出，在電機(jī)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(guò)來(lái)的指令及將電機(jī)反饋回來(lái)的負(fù)載信息準(zhǔn)確地傳回CPU系統(tǒng)。抽氣系統(tǒng)為機(jī)電一體化產(chǎn)品，運(yùn)用傳感技術(shù)對(duì)抽氣系統(tǒng)的所有工作過(guò)程實(shí)行狀態(tài)檢測(cè)，達(dá)到全自動(dòng)化的過(guò)載、過(guò)溫、壓力、冷卻水等控制，縮短抽氣時(shí)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(dòng)順序開(kāi)車(chē)、停車(chē)，同時(shí)滿足逐級(jí)手動(dòng)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(méi)有磨損，也不存在排氣閥等結(jié)構(gòu)上的特點(diǎn)，對(duì)上述羅茨泵組合的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題妥善改進(jìn)后，可以實(shí)現(xiàn)大抽速的全羅茨泵無(wú)油真空抽氣系統(tǒng)，這類真空系統(tǒng)運(yùn)行安全，節(jié)能環(huán)保：1. 與對(duì)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