疏水装置对蒸汽真空泵的重要作用及疏水系统优化

王 杰

（太钢不锈钢股份有限公司炼钢二厂， 山西 太原 030001）

在冶金设备中，炉外精炼采用的RH 以及不锈钢冶炼采用的VOD 大多都依靠蒸汽泵来实现低真空脱碳和脱气。所谓的蒸汽泵就是利用蒸汽在拉瓦尔喷嘴中加速流动并绝热膨胀对外做功，如图1 所示。被抽气体与混合室出现压力差，从而使得被抽气体向混合室流动，这个过程整个气体压力降低，速度迅速增加至超音。

图1 蒸汽单级喷射泵工作原理

工作蒸汽同被抽的废气在混合室中进行相应能量的交换，超过音速的蒸汽流对被抽的废气做功，使废气速度迅速增加，工作蒸汽带着被抽废气进入到扩压器。

在扩压器中，被抽废气与蒸汽在能量交换的同时逐渐被压缩，将动能转化为势能，到扩压器喉部时混合气体速度降到音速，压力随之升高，经过扩张段混合气体速度仍然下降，到亚音速，随着压力继续升高，将被抽废气送入下一级喷射器吸气口。从蒸汽泵的工作过程和原理来看，蒸汽要进行能量交换，动能与势能之间相互转换是必需要相对稳定的状态，蒸汽的含水量造成很多状态变化，从而严重影响蒸汽在拉瓦尔喷射泵中正常工作。

1 蒸汽含水量对真空度的影响

拉瓦尔喷嘴中喷出水蒸汽中的水使整个汽流吸、放大量的汽化潜热，导致整个汽流总温、速度和压力也相应变化。蒸汽中水所吸、放的潜热量相当大，几乎与工作蒸汽用于做功的能量相当。

蒸汽流中含有水珠的情况下，水珠速度低，蒸汽速度高，蒸汽需要将动能传递给水珠，显而易见水分在运行过程中损耗能量，使得从喷嘴出来的蒸汽流速度无法达到理想状态。

蒸汽中的水分与废气中的大量粉尘混合，形成糊状物，在喷嘴的扩张段与泵壳的混合室和扩压器的壁上形成大量积垢。且水珠在真空超音速下极易出现结冰，特别是在第一级增压泵中，由于喷嘴喉口较小，造成冰塞。

综上述，造成如下影响：

1）蒸汽利用率差，导致蒸汽泵抽气能力下降，蒸汽做功不足，不能达到理想卷带效果，提供动力不够。

2）蒸汽动能损耗，导致收缩段动能转换为位能的效率降低，蒸汽泵能力下降，造成下一级真空泵压缩比改变，从而破坏整体平衡。

3）管道中集聚大量冷凝水，出现水锤现象，启动真空泵过程中造成喷嘴断裂。

4）蒸汽含水量大可能引起喷嘴的结冰，造成增压泵失效。

5）喷嘴和泵壳出现大量的积垢，改变泵整体尺寸结构，蒸汽做无用功，不但在增压泵中不起作用，反而增大了废气量。

2 疏水装置现场合理布置

蒸汽中的含水量，决定蒸汽泵抽气能力与性能稳定，合理进行疏水管线布置，可以得到适合的干蒸汽且保证做功形成的水及时排掉。如下页图2 所示，对管网来汽通过汽水分离器配合安装疏水阀进行排水，在蒸汽分配包后端安装疏水阀，再在B1、B2 和B3 增压泵的汽室安装疏水阀，共5 个疏水阀。

图2 五级真空泵布置图

3 疏水阀门的选型

3.1 疏水阀门种类

基于蒸汽和凝结水密度差、温度差和相变三个原理有三种类型的疏水阀：机械型疏水阀、热静力型疏水阀、热动力型疏水阀，如表1。

表1 疏水阀门种类对比

3.2 现场使用条件及合适选型

1）中压蒸汽管道，需要冷凝水迅速完全排出。

2）冷凝水排量较大。

3）对于B1、B2 和B3 增压泵在未开启时，必须防止真空泄漏。

4）废气中粉尘含量较高，疏水阀门应该具有较高抗污性能。

通过各个条件下进行对比比较，机械式的倒吊桶疏水阀门在冶金的蒸汽真空泵系统中使用比较理想。

4 疏水系统优化

冶金设备使用环境的恶劣，特别是对于用于不锈钢冶炼的VOD 真空系统中增压泵的疏水阀门面对更为普遍的问题：

1）真空系统破空时，疏水阀吸入大量粉尘，导致粉尘堵塞。

2）真空泄露，影响系统真空度极限抽气速度，由于冶炼工艺要求在某一时段仅启用4 级和5 级真空泵，B1、B2 和B3 的疏水阀就是漏点，并且还会导致疏水阀内部结冰堵塞。

针对这些问题，可以通过对疏水系统增设辅助原件进行配合优化，如图3 所示，对疏水阀门配合逆止阀安装使用，并且在疏水阀前安装气动控制阀门，在真空系统破空前首先对疏水阀门内部进行破空，防止真空系统破空时，因疏水阀内部压力低于系统关系压力而导致粉尘进入疏水阀。

图3 增压泵疏水系统优化图

5 结语

蒸汽质量严重影响蒸汽喷射泵效率，含水量作为重要因素，必须做好控制，只有这样才能更好地降低蒸汽能耗。针对冶金环境造成设备备件异常，通过对蒸汽真空泵的疏水系统进行优化改进，使得系统缺陷得到弥补，满足现场生产工艺。