對水環(huán)真空泵的現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢及設(shè)計

眾所周知，由于水環(huán)式真空泵和水環(huán)壓縮機具有結(jié)構(gòu)簡單、使用維修方便的特點，因而在各行各業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。特別是具有等溫壓縮的特點，極易抽吸、壓縮易燃易爆的氣體。下面就其發(fā)展及設(shè)計開發(fā)談幾點粗淺的看法。

1 大型化

    由于煤礦、化工、制藥、造紙等行業(yè)的發(fā)展，對水環(huán)真空泵的要求越來越向大型化方面發(fā)展。在2000年以前，我國能生產(chǎn)抽氣量在100m³／min以上的水環(huán)真空泵僅3-4個企業(yè)，全國年產(chǎn)量也不過幾十臺。而僅過了三年，到2003年全國能生產(chǎn)100m³／min以上的大泵的廠家達10多家(其中僅淄博地區(qū)就有7--8家)，據(jù)不完全統(tǒng)計，全國的大泵的產(chǎn)量達幾百臺以上，這些產(chǎn)品主要應(yīng)用于：
    (1)煤礦行業(yè)
    由于國家加強了對煤礦的安全要求，因而用水環(huán)式真空泵，特別是大型水環(huán)式真空泵抽除瓦斯氣體已成為煤礦行業(yè)必須的安全要求，例如去年陜西某礦務(wù)局訂購的多臺抽氣量達400m³／min的特大型水環(huán)真空泵就是用以抽除瓦斯氣體，有的一個大型煤礦使用100m³／min以上的大泵就達7--8臺。隨著國家對安全工作進一步加強，大型、特大型水環(huán)式真空泵將在煤礦系統(tǒng)得到越來越廣泛的應(yīng)用。
    此外，由于煤炭產(chǎn)量的飛速增加，煤礦的洗、選煤所用的真空過濾機也向大型化方面發(fā)展，在八十年代大多配抽氣量為27m³／min的SZ-4型水環(huán)式真空泵，這在當(dāng)時也是較大的。而近幾年煤礦的過濾機都選配抽氣量為80--150m³／min的大型水環(huán)真空泵，有的達到200m³／min以上，而且還有氣量繼續(xù)增大的趨勢。
    (2)化工行業(yè)
    a)氯堿行業(yè)
    近幾年來我國啟動了許多大型的基本建設(shè)和技術(shù)改造項目，這些項目的實童都需要大量的聚氯乙烯材料，特別是房地產(chǎn)的興旺，更加推動了聚氯乙烯行業(yè)的發(fā)展，據(jù)氯堿行業(yè)的統(tǒng)計，我國去年生產(chǎn)了410萬噸聚氯乙烯，進口了200可噸。據(jù)該行業(yè)的預(yù)測，2005年的全國需求量將達800萬噸，而到了2010年將達到1500萬噸，正是因為需求量高速增加，使得我國的氯堿行業(yè)的企業(yè)加改造擴產(chǎn)，并且近一、二年新上了許多企業(yè)。氯堿企業(yè)的發(fā)展，必須配套水陜空泵和水環(huán)壓縮機j用以抽除和壓縮乙炔和氫氣的水環(huán)真空泵和水環(huán)壓縮機過去大也不過30m³／min，而現(xiàn)在年產(chǎn)10萬噸燒堿和10萬噸聚氯乙烯的企業(yè)，需要的水環(huán)真空泵和水環(huán)壓縮機達70m³／min以上。
    在這里需要特別介紹的是，正是由于這個行業(yè)的發(fā)展，推動和加快了較高I力水環(huán)壓縮機的開發(fā)和生產(chǎn)。
    長期以來，我國的水環(huán)壓縮機一般是當(dāng)吸入壓力為1個大氣壓或略低于呔氣壓時，排除壓力為O．1MPa，即壓縮比為2，個別企業(yè)生產(chǎn)過排除壓力達25MPaG的水環(huán)壓縮機，而且僅1--2個規(guī)格。為了適應(yīng)聚氯乙烯的生產(chǎn)，91原國務(wù)院重大裝備辦公室在“八五”重大技術(shù)裝備攻關(guān)項目--年產(chǎn)4噸低聚合度聚氯乙烯裝置設(shè)備研制中提出了氯乙烯回收水環(huán)壓縮機的研制攻關(guān)課題，這種回收氯乙烯單體的水環(huán)壓縮機要求在吸入壓力為常壓或微負壓的情況下，排出壓力要達到O.55-0.6MPaG，而且排氣量要達到700m³／min。經(jīng)過幾年的努力，我公司于96年12月通過了由原國家機械部組織的技術(shù)鑒定，客項技術(shù)酥達到了攻關(guān)要求。在此產(chǎn)品的基礎(chǔ)上，我公司又開發(fā)了系列產(chǎn)品，排氣量由90m³／min到2000m。／h。由于該設(shè)備是聚氯乙烯行業(yè)的關(guān)鍵設(shè)備之一，因而在近幾年全國大上聚氯乙烯項目的形勢下，這種水環(huán)壓縮機得到了推廣和應(yīng)用，完全替代了進口。
    b)化肥行業(yè)
    化肥行業(yè)特別是磷肥的生產(chǎn)也是我國經(jīng)濟宏觀調(diào)控中重點支持的產(chǎn)業(yè)，由于新上項目及老企業(yè)的技術(shù)改造均以上水平、上規(guī)模為主，因而大型、特大型水環(huán)真空泵在此也得到了應(yīng)用，如云南某磷肥企業(yè)一次改造就新增抽氣量為300m³／min的特大型水環(huán)泵3臺。
    此外，還有許多磷肥企業(yè)工藝要求在壓力為絕壓80--lOOhPa時，仍要有較大的抽氣能力，因而兩級水環(huán)真空泵及帶大氣噴射器的兩級水環(huán)真空泵用在這種工況下，就具有獨特的優(yōu)勢，許多化肥企業(yè)淘汰了振動噪聲大而真空度較高的往復(fù)真空泵，用兩級水環(huán)式真空泵替代，并收到了較好的效果，可以說兩級水環(huán)式真空泵在該行業(yè)應(yīng)用將會越來越廣泛。
c)造紙行業(yè)
    上世紀末和本世紀初，我國的國債投入造紙行業(yè)占有較大的比例，全國各地的造紙廠爭先恐后地改造上水平、上規(guī)模，這大大地拉動了大型水環(huán)真空泵的開發(fā)生產(chǎn)，東北某造紙廠一次改造抽氣量為400IIl3／min的特大型水環(huán)式真空泵(目前我國生產(chǎn)的大規(guī)格的水環(huán)真空泵)6臺，總配動力為400kW�？梢哉f近幾年來的抽氣量在100m³／min以上的大型水環(huán)真空泵的50％是用在造紙行業(yè)，而且這種發(fā)展趨勢有增無減。
    d)制藥行業(yè)
    真空濃縮脫水、干燥、蒸餾是制藥企業(yè)的主要工藝過程，制藥企業(yè)的技術(shù)改造也同樣是上水平、上規(guī)模，這在一些大型制藥企業(yè)更為明顯。過去，大多用10m³／min以下的小泵，而現(xiàn)在，在這些企業(yè)的項目招標中，抽氣量在20m³／min以上的中、大型泵已占多數(shù)。此外，制藥行業(yè)的許多廠過去使用抽氣量為6--12m³／min的兩級水環(huán)真空泵較多，而現(xiàn)在都配20-30m³／min的兩級水環(huán)真空泵，有的還達到60m³／min，如四川某合資制藥廠去年一次招標買抽氣量為60m³／min的泵達到10臺。
    除以上行業(yè)外，輕工行業(yè)的食品、啤酒企業(yè)以及冶金、發(fā)電、石化、建材等行業(yè)的真空系統(tǒng)均向大型方面發(fā)展，如山東某鋁廠長期使用多臺抽氣量為85m³／min的水環(huán)真空泵，而去年的技改項目設(shè)備招標要求的水環(huán)真空泵泵抽氣量要達到140m³／min。

2 成套性

    應(yīng)當(dāng)說，在2000年以前國內(nèi)的水環(huán)真空泵的生產(chǎn)廠家?guī)缀跞�是以銷售單泵為主，極少有用戶訂成套設(shè)備，而近兩年來，化工、制藥行業(yè)的技改項目設(shè)備招標中成套設(shè)備占的比例越來越大，一般是要求配分離器、冷卻器(換熱器)、補液泵、閥門、儀表、管件以及控制裝置，形成閉式循環(huán)，并且要求與企業(yè)的OCS系統(tǒng)相連，對液位、壓力、力量等進行在線控制。
    對這種機電一體化成套設(shè)備的要求在許多行業(yè)越來越普遍。

較高真空下要求較大的抽氣量

    許多化工、制藥行業(yè)的真空蒸餾、濃縮、脫水、干燥以及發(fā)電廠的抽除尾氣都要求在吸入壓力為3--8kPa之間有較大的抽氣量，單級水環(huán)真空泵在這一區(qū)間抽氣能力已相當(dāng)弱，而兩級水環(huán)真空泵和帶一級大氣噴射器的兩級水環(huán)真空泵的特點是在該區(qū)間有較大的吸氣量，在2000年以前對于兩級泵的需求大多是15m³／min以下，而現(xiàn)在達40-50m³／min。此外，還應(yīng)當(dāng)指出，單級水環(huán)真空泵帶一級大氣噴射器時，如果設(shè)計合理，在吸入壓力為4--5kPa時仍有較大的抽氣量，這大大擴大了單級水環(huán)真空泵的使用范圍，如我國某飛機研究所就使用該類泵多臺。
    綜上所述，可以看出，水環(huán)真空泵及水環(huán)壓縮機作為基本的粗低真空獲得設(shè)備在各行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用，也可以說國民經(jīng)濟各行業(yè)的迅速發(fā)展推動了水環(huán)真空泵和水環(huán)壓縮機的開發(fā)生產(chǎn)。因此為使其更好地適應(yīng)各行業(yè)的發(fā)展，現(xiàn)就該泵的研制開發(fā)提出以下幾點粗淺的看法。
    (1)用可行性設(shè)計和高性能的密封件，提高整機的平均無故障運行期（MTBF）
   水環(huán)真空泵及水環(huán)壓縮機的工作可靠性，即平均無故障運行期，應(yīng)當(dāng)說與其它的粗低真空獲得設(shè)備相比還是較高的，平均無故障運行期可達10000小時以上。但隨著各行業(yè)技術(shù)進步工作的加強和對整個真空系統(tǒng)的可靠性要求的提高，因而對其可靠性要求也相應(yīng)更高了。特別是在化工和煤礦抽瓦斯氣體的這樣對安全要求嚴格的工況下，泵要長期持續(xù)運轉(zhuǎn)，國際先進水平可達幾萬小時以上。所以水環(huán)真空泵和水環(huán)壓縮機的設(shè)計工作的開發(fā)情況和制造條件的限制以及密封件（特別是機械密封件）的質(zhì)量現(xiàn)狀，要真正提高整機的可靠性尚需進一步對以上幾方面的工作進一步加強。
    (2)采用優(yōu)化設(shè)計方法，努力提高泵的效率，降低能耗
    水環(huán)真空泵和水環(huán)壓縮機是耗能高，效率低的產(chǎn)品，這是公認的事實，小泵一般為30-35%，大泵達40%或略高，這樣低的效率與國家對機電產(chǎn)品的要求及我國目前能源緊張的現(xiàn)狀是極不相適應(yīng)的。因此應(yīng)盡快采用優(yōu)化設(shè)計方法，對影響泵的效率關(guān)鍵的葉輪的各幾何參數(shù)及吸排氣孔的起始位置、面積等建立數(shù)學(xué)模型，進行優(yōu)化設(shè)計，選擇各參數(shù)的佳組合方案，并采用汽液兩相流的有關(guān)理論及計算公式進行設(shè)計，盡量減少水環(huán)的渦流損失，達到提高效率的目的。所以說盡快設(shè)計開發(fā)成功高效節(jié)能的水環(huán)真空泵及壓縮機以淘汰耗能高、效率低的落后產(chǎn)品是擺在水環(huán)真空泵的設(shè)計開發(fā)、生產(chǎn)企業(yè)面前的一項重要工作。
3)提高帶大氣噴射器時的工況點的氣量
    國外無論單級水環(huán)真空泵還是兩級水環(huán)真空泵配大氣噴射器以提高在較低吸入壓力下的抽氣量的情況還是較多的。從國外技術(shù)先進的企業(yè)的技術(shù)資料上可以看出，單級水環(huán)真空泵帶一級大氣噴射器時，在吸入壓力為5kPa點，抽氣速率可達該泵不帶大氣噴射時吸入壓力為400hPa點的抽氣速率（用戶常用的單級水環(huán)真空泵的共況點）的65--70%，兩級水環(huán)真空泵帶一級大氣噴射器時，在吸入壓力為1.5kPa點抽氣速率可達該泵不帶大氣噴射器時吸入壓力為8kPa點的抽氣速率（兩級水環(huán)真空泵常用的工況點）的70--75%，這樣便大大擴大了水環(huán)真空泵的應(yīng)用范圍，即滿足了化工、制藥、輕工、儀器、冶金、發(fā)電等行業(yè)要求在吸入壓力為1.5--5kPa點大抽氣速率的工藝條件。但目前國內(nèi)一是水環(huán)真空泵帶大氣噴射器的應(yīng)用不夠廣泛；二是在1.5--5kPa點的抽氣速率較小，與國外先進廠家技術(shù)水平有一定差距。為進一步推廣應(yīng)用，應(yīng)當(dāng)研究改進大氣噴射器的設(shè)計與水環(huán)真空泵的佳配比，由于氣流在大氣噴射器的噴嘴（拉伐爾噴管）與擴壓器的漸縮段流動是超音速氣流，并且大氣與被抽氣體兩股氣流的混合過程中的動量交換較為復(fù)雜，無法完全依靠理論計算的方法進行設(shè)計，必須進行多次試驗，但從擴大水環(huán)真空泵的應(yīng)用及提高其效率的角度出發(fā)應(yīng)當(dāng)加強試驗研究，努力提高其抽氣效率。