全罗茨真空泵抽气系统的应用研究.doc

全罗茨真空泵无油抽气系统的应用研究马德宝真空设备集团有限公司 教授级高工：张宝夫摘要：罗茨真空泵是一种应用极为广泛的无油真空抽气设备。全罗茨真空泵可以组成大型无油真空抽气系统，满足近年来各行业对无油真空抽气系统越来越大的需要，但在应用过程中存在噪声高、配套功率大，尤其是被抽介质产生氮氧化物、结焦物等场合时容易发生卡死等缺陷。根据罗茨真空泵的特性，对全部由罗茨真空泵组成的抽气系统的组成及性能作一介绍，运用现代设计技术和控制技术，分析了产生这些缺陷的原因，采取了相应的改进措施。对抽气系统如何实行智能化控制做了叙述。关键词：罗茨泵；罗茨泵组合系统；噪声；PLC；变频 一、背景和应用环境罗茨真空泵（这以后称为罗茨泵）及其组成的机组具有转速高、体积小、可在需要干式的环境运行，组成较大抽气速率的泵组合机组等优点外，组成抽气系统的气冷罗茨泵还可以在配带合适的电机及热交换器后可在任意的压力下起动，任意压差下运行，因此在负载较大；抽气时间要求短；粗真空至高真空均需要大抽速的多种场合如航空航天、电力、钢铁处理、医药化工等广泛地得到了应用，但组成全罗茨泵机组的巨大配套功率、巨大的噪声等问题又使许多应用单位望而生畏。节能降耗、改善工作环境业已成为生产企业降低生产成本、提高产品质量、争取广大用户的重要手段。本文将根据罗茨泵的特性，介绍多种罗茨泵的组合的性能，就如何更加合理地把大型全罗茨泵抽气系统应用于各行各业作一介绍，提出了应用中的一些关键技术问题及其解决方法，促进应用行业的清洁生产，对抽气系统如何实行智能化控制做了叙述。二、罗茨泵工作原理特性组成无油真空抽气系统的罗茨泵，主要可分为前级需要真空泵串联使用的ZJ型或ZJP型普通罗茨泵和可以直排大气（或耐高压差）的ZJQ型气冷式罗茨泵两大类。2.1 ZJ或ZJP型普通罗茨泵普通罗茨泵已发展很长时间，是一种旋转式容积真空泵，其工作原理和罗茨鼓风机相似，利用两个8字形转子由传动比为1的一对齿轮带动，在泵壳中作彼此反向的同步旋转运动，转子间、转子与泵体间存在间隙、彼此无接触，如图一所示。图一、罗茨泵工作原理Fig.1 Principle of Roots pump2.2 ZJQ型气冷罗茨泵国内上世纪90年代开始发展起来的ZJQ型气冷罗茨泵，到现在技术和运行已日臻完善，具有配带合适的电机及热交换器后可在任意的压力下起动，任意压差下运行的优点。其工作原理如图二所示。该系列泵可以单独使用，也可以与其他泵组成机组使用，可达到各种极限压力并在各个入口压力下安全长期工作2。1. 抽气口； 2. 返冷气口；3. 泵排气口；4. 冷媒出口；5.冷媒入口； 6. 转子1；7. 转子2； 8. 泵体； 9. 热交换器图二、气冷罗茨泵工作原理Fig.2 Principle of Gas-cooled Roots Pump2.3 全罗茨泵抽气系统各行各业的发展，对真空抽气系统的抽气速率的要求越来越大，而且又要真空系统实现无油的真空抽气状态，如此大的抽气速率只有进行多台真空泵的组合才能得以实现。市场上现有的干式真空泵如螺杆真空泵、 爪式真空泵等的抽速特性和结构机理的限制，满足不了很多场合的应用环境，用气冷罗茨泵作为前级泵后，可实现罗茨真空抽气系统的全无油条件，满足多种场合的应用要求，组成抽气系统的真空泵全部由罗茨泵组成的系统图如图三所示。根据工作压力和抽气速率等不同的需求工况（见2.4），可以采用一级、二级、三级、四级、五级甚至六级的全罗茨泵组合，也可以根据工况要求决定溢流阀I、溢流阀II、和溢流阀III的取舍及其罗茨泵II是采用气冷罗茨泵还是普通罗茨泵，目前国内最大的单套全部由罗茨泵组成的抽气系统的最大抽气速率可以达到40000L/s。1. 进气阀门2. 压力传感器3. 入口充气阀4. 普通罗茨泵I5. 温度传感器6. 罗茨泵II7. 温度传感器8. 溢流阀I9. 热交换器I10. 罗茨泵III11. 温度传感器12. 溢流阀II13. 热交换器II14. 罗茨泵IV15. 温度传感器16. 溢流阀III17. 热交换器III18. 罗茨泵V19. 温度传感器20. 热交换器IV21. 单向阀22. 消声器图三、全罗茨泵组成的系统图Fig. 3 Sketch of the Whole Roots Pump Combination System2.4 全罗茨泵组合抽气系统的性能图四是六级全罗茨泵组合机组及其作其前级的五级、四级、三级、二级、一级罗茨泵或机组的抽气速率入口压力曲线，主泵为ZJ40000罗茨泵。此曲线还可以按不同的应用工况进行调整，使之获得耗能低、效率高的全罗茨泵组合抽气系统。表一是一级至六级全罗茨泵机组能达到的极限压力和建议的最低工作安全压力。图四、抽气速率入口压力曲线Fig.4 Curves of pumping speed Versus inlet pressure表一、极限压力及最低入口工作压力Table 1.Ultimate pressure and lowest inlet pressure级数极限压力Pa最低工作压力Pa一级1500025000二级30003500三级50100四级25五级0.10.5六级0.050.1三、应用中的研究内容及解决办法及效果3.1 噪声问题图三所示全部采用罗茨泵组成的真空抽气系统，具有工作腔内完全干式运行的重要特点，但这型抽气系统目前不带消声器运行时的噪声高达150dB(A)，带消声器噪声也要达到98110 dB(A)，尤其是抽气系统在接近极限压力附近工作时最后一、二级如图中的气冷罗茨泵V、IV，由于承受的压差较大，罗茨泵在运行时气流会发出巨大的气动噪声，严重地干扰工作环境，影响人们的身心健康。为此通过数值模拟和气流动力流场分析的方法，研发了具有多维曲面的转子3，改变泵和转子的结构，缓冲气流的冲击，降低噪声中影响最大、强度最高的气冷罗茨泵的气动噪声，其次在泵的排气口设置集阻性和抗性于一体的排出口消声器。3.2 运行中的压缩热平衡问题由于罗茨泵在运行过程中内部没有压缩，因此在入口压力高、进排气两侧压差大的工况运行时，会产生压缩热，为解决压缩热平衡问题，在全罗茨泵组合抽气系统中，作为前级的罗茨泵V、VI有时甚至III、II必须采用ZJQ型气冷式直排大气罗茨泵，与普通罗茨泵相比，气冷式直排大气罗茨泵可以解决压缩热平衡问题。罗茨泵的压缩功率为其中A为压缩功，单位k。D为罗茨泵的压差，单位为10-6Pa ，P2：罗茨泵出口压力，P1：罗茨泵入口压力，S：罗茨泵的抽速，单位为m3/s ，S前：前级泵的抽速，单位为m3/s上式的压缩功A将大部分转化为热量。以ZJQ2500为例，当压差D=5.32104 Pa时,其发热功率为A=5.3210410-62500 =133(kW)，如此大的发热功率在实际运行时是依靠配带一只外置的热交换器把热量带走，经过冷却的气体部分返回去冷却转子与泵体，热交换器面积的大小按需要交换的发热功率计算4。3.3配套功率如3.2所述，罗茨泵的消耗功率与其抽速及压差成正比，在前级抽气速率S前一定的情况下，其消耗功率与转子转速具有二次方负载特性，与入口压力的变化成正比，随着入口压力的增加而成正比地增加，而随着转速的降低而快速的降低。为了使泵在运行过程中不使电机过载，通过变频的方法，在高的入口压力范围降低电机转速，而随着入口压力的降低可以不断提高转速提高有效抽气速率，达到既可以降低配套功率又可以缩短抽气时间提高运行效率的目的。3.4 热交换器泄漏问题与气冷罗茨泵配套的热交换器有些工况的入口气流温度最高可达150，而出口仅仅在40左右，热交换器冷却管经常因为受热膨胀发生变形造成泄漏，为防止冷却管变形泄漏，设计研发了一种热交换器芯，这种热交换器的芯可以随温度温差的提高可以在壳体内自由伸缩，列管在壳内分布均匀，气体在热交换器内能够得到充分冷却而不发生泄漏5。3.5杂质倒入泵腔卡死气冷罗茨泵的问题全罗茨泵组合最后一级目前有两种方式，如图五所示方式a和方式b，可以使整个罗茨泵抽气机组在停泵时泵不返转、不产生过压，又可防止某些工况抽气系统抽入的氮氧化物、反应结焦物等杂质不会倒入泵腔，保障真空抽气系统的正常运行。但方式b噪声较高，整套机组运行时将达到110dB(A)左右。我们在方式a的基础上，作了进一步优化和改进，首先在返气管路上设置了返流过滤器，而在排气管路上设置一只单向阀，既使杂质不会倒入泵腔，又可以进一步降低噪声6。（a）（b）1. 溢流阀 2. 罗茨泵 3.温度传感器4. 热交换器 5. 消声器图五、最前级气冷罗茨泵的组合方式Fig.5 The last backing pump combinations四、罗茨泵抽气系统的控制采用PLC作为控制系统的一级中枢，控制系统各部件的开停，采集现场气流温度、真空压力传感器所采集的弱电信号，将结果反馈出来进行相应的处理。根据实时的负载情况控制变频器的频率输出，在电机负荷允许的情况下最大限度提升泵的转速提高抽气速率。变频器是泵轴转速控制的直接执行者，执行CPU传送过来的指令及将电机反馈回来的负载信息准确地传回CPU系统。抽气系统为机电一体化产品，运用传感技术对抽气系统的所有工作过程实行状态检测，达到全自动化的过载、过温、压力、冷却水等控制，缩短抽气时间、提高效率及降低功率消耗等。抽气系统电气控制满足自动顺序开车、停车，同时满足逐级手动调试的要求7。五、结论由于罗茨泵转子间、转子与泵体间存在间隙，相互之间不接触，没有磨损，也不存在排气阀等结构上的特点，对上述罗茨泵组合的关键技术问题妥善改进后，可以实现大抽速的全罗茨泵无油真空抽气系统，这类真空系统运行安全，节能环保：1. 与对大容器抽真空采用的水蒸气喷射泵相比，占地面积小、节能效果十分明显