Насосы для откачки газа

Насосы для откачки газа: классификация, принцип действия и критерии выбора для энергетических систем

Газовые насосы, или вакуумные насосы, являются критически важным оборудованием в энергетике для создания, поддержания и контроля вакуума в различных системах. Их основная функция – удаление газов и паров из замкнутого объема для достижения требуемого уровня разрежения. Применение охватывает вакуумные выключатели, трансформаторы, системы конденсации на ТЭЦ и АЭС, вакуумную изоляцию, технологические процессы в производстве кабеля и электрооборудования.

Классификация насосов для откачки газа

Классификация осуществляется по принципу действия и достижимому рабочему давлению (вакууму).

1. Объемные (механические) насосы

Работают по принципу периодического изменения объема рабочей камеры, что приводит к всасыванию, изоляции и последующему вытеснению газа. Основные типы:

• Пластинчато-роторные (вращательные) маслозаполненные насосы: Наиболее распространенный тип для получения предварительного вакуума. Ротор с подвижными пластинами эксцентрично расположен в статоре. Масло обеспечивает уплотнение, смазку и отвод тепла. Диапазон рабочего давления: от атмосферного до ~10⁻² Па.
• Водокольцевые насосы: Рабочее тело – жидкость (чаще вода). Вращающийся ротор с лопатками формирует кольцо жидкости, смещенное относительно центра корпуса. Объем между лопатками, жидкостью и корпусом периодически изменяется, осуществляя всасывание и нагнетание. Преимущество – устойчивость к загрязненным и влажным средам, простота конструкции. Недостаток – зависимость от давления насыщенных паров рабочей жидкости, что ограничивает предельный вакуум (~2-3 кПа).
• Винтовые насосы (сухие): Два встречно вращающихся винта (ротора) без контакта в корпусе. Газ перемещается вдоль оси винтов. Отсутствие контакта и масла в рабочей камере делает их «сухими». Подходят для откачки агрессивных или содержащих частицы газов. Предельный вакуум до ~10⁻² Па.
• Поршневые и диафрагменные насосы: Используются для задач переноса газа, часто в качестве компрессоров или для откачки из агрессивных сред в химической промышленности.

2. Молекулярные (струйные) насосы

Обеспечивают высокий и сверхвысокий вакуум. Газ переносится за счет передачи импульса от высокоскоростной струи пара или от быстро движущейся твердой поверхности.

• Пароструйные (эжекторные) насосы: Используют кинетическую энергию струи пара (воды, масла, парафина). Бывают одно- и многоступенчатые. Часто используются как бустерные между форвакуумным насосом и высоковакуумным насосом. Эффективны в диапазоне 10² – 10⁻¹ Па.
• Турбомолекулярные насосы: Состоят из ротора и статора с наклонными канавками. Быстро вращающиеся лопатки (частота до 90 000 об/мин) сообщают молекулам газа направленный импульс. Требуют предварительного разрежения. Обеспечивают чистый, безмасляный вакуум до 10⁻⁸ Па и ниже. Критически важны для процессов напыления, масс-спектрометрии, ускорителей.

3. Сорбционные и криогенные насосы

Обеспечивают вакуум за счет связывания молекул газа на поверхности или в объеме сорбента.

• Адсорбционные (геттерные) насосы: Используют цеолиты или другие сорбенты, охлажденные жидким азотом (до -196°C). Молекулы газа физически адсорбируются на поверхности. Обеспечивают чистый вакуум без вибраций.
• Криогенные конденсационные насосы: Газ конденсируется на поверхности, охлажденной до температур жидкого гелия (4,2 К) или водорода (20 К). Используются для достижения сверхвысокого вакуума.

Ключевые технические характеристики и параметры выбора

Выбор насоса определяется требованиями конкретной технологической задачи в энергетике.

Сравнительная таблица основных типов вакуумных насосов

Тип насоса	Диапазон рабочего давления, Па	Принцип действия	Преимущества	Недостатки	Типовое применение в энергетике
Водокольцевой	Атмосфера – ~2000	Объемный, с водяным кольцом	Прочность к влаге и загрязнениям, простота, низкая стоимость обслуживания	Ограниченный вакуум, потребление воды, необходимость сепаратора	Конденсационные установки турбин, деаэрация, откачка газовых смесей
Пластинчато-роторный (масляный)	10⁵ – 10⁻²	Объемный, с масляным уплотнением	Высокая скорость откачки, надежность, широкий диапазон давлений	Риск обратного выброса масла, необходимость фильтров, обслуживание масла	Форвакуум для высоковакуумных систем, вакуумная пропитка обмоток, вакуумные выключатели
Винтовой (сухой)	10⁵ – 10⁻²	Объемный, безмасляный	Чистая откачка, низкие эксплуатационные расходы, устойчивость к частицам	Высокая начальная стоимость, нагрев на высоких давлениях	Откачка трансформаторного газа (SF6), производство кабеля, солнечная энергетика
Турбомолекулярный	10⁻¹ – 10⁻⁸	Молекулярный, кинетический	Чистый высокий вакуум, высокая скорость откачки для легких газов	Требует форвакуума, чувствительность к механическим воздействиям, высокая стоимость	Вакуумная изоляция в высоковольтных исследованиях, ускорители частиц, производство электронных компонентов
Пароструйный (бустерный)	10³ – 10⁻¹	Струйный, эжекторный	Высокая производительность в среднем вакууме, надежность	Высокое потребление пара/воды, тепловая нагрузка	Промежуточная ступень в системах конденсации крупных энергоблоков

Специфические требования энергетической отрасли

Применение насосов в энергетике накладывает ряд особых условий:

• Надежность и бесперебойность: Системы вакуумной конденсации на ТЭЦ и АЭС напрямую влияют на КПД турбины и требуют насосов с высокой готовностью, часто в многоканальных схемах с автоматическим резервированием.
• Работа с парами воды: В конденсаторах турбин основной откачиваемой средой является паровоздушная смесь. Водокольцевые насосы здесь часто предпочтительнее пластинчато-роторных из-за устойчивости к конденсату.
• Работа с элегазом (SF6): Для обслуживания высоковольтного оборудования, заполненного элегазом, требуются специализированные сухие насосы (чаще винтовые), исключающие контакт SF6 с маслом и обеспечивающие его регенерацию и возврат в оборудование.
• Взрывозащищенное исполнение: При работе в помещениях с потенциально взрывоопасными средами (например, вблизи водородных систем) насосы должны иметь соответствующее взрывозащищенное исполнение (маркировка Ex).
• Энергоэффективность: Крупные насосные агрегаты являются значительными потребителями энергии. Современные тенденции требуют оптимизации их работы, использования частотно-регулируемых приводов (ЧРП) для регулирования производительности в зависимости от нагрузки.

Системы вакуумной откачки и вспомогательное оборудование

Насос редко работает изолированно. Он является частью вакуумной системы, включающей:

• Вакуумные трубопроводы и арматура: Трубы, затворы, клапаны (отсечные, обратные) с минимальным сопротивлением потоку.
• Ловушки и фильтры: Для защиты насоса от паров (например, воды, масел), пыли и твердых частиц. Используются коагуляционные, сорбционные и криогенные ловушки.
• Вакуумметрическое оборудование: Датчики для контроля давления в различных диапазонах: термопарные (10⁵ – 10⁻¹ Па), емкостные (10⁵ – 10⁻³ Па), ионизационные (10⁻¹ – 10⁻⁸ Па) преобразователи.
• Резервуары (ресиверы): Для увеличения эффективности откачки, сглаживания пульсаций и аварийного поддержания вакуума при остановке насоса.
• Системы автоматического управления: Обеспечивают последовательный пуск/останов насосов, контроль параметров, аварийное отключение.

Эксплуатация, обслуживание и диагностика

Правильная эксплуатация определяет ресурс оборудования.

• Запуск: Большинство механических насосов, особенно маслозаполненных, должны запускаться при атмосферном давлении или близком к нему. Запуск под высоким вакуумом может вызвать перегрузку двигателя и выброс масла.
• Обслуживание масляных систем: Регулярная замена масла и фильтров в соответствии с регламентом производителя. Контроль цвета и вязкости масла – важный диагностический признак (помутнение указывает на попадание влаги, потемнение – на износ или перегрев).
• Контроль температуры и вибрации: Повышение температуры корпуса может указывать на износ, недостаточное охлаждение или проблемы со смазкой. Мониторинг вибрации помогает выявить дисбаланс ротора или износ подшипников на ранней стадии.
• Проверка предельного вакуума: Периодическое измерение предельного остаточного давления насоса при заглушенном входе – основной показатель его технического состояния. Ухудшение вакуума свидетельствует о износе уплотнений, загрязнении, ухудшении качества масла или наличии течи.

Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)

Чем принципиально отличается «сухой» насос от «масляного»?

В «сухих» насосах (винтовых, диафрагменных, некоторых пластинчато-статорных) рабочая камера не заполнена маслом для уплотнения зазоров. Газ контактирует только с металлическими поверхностями. Это исключает загрязнение откачиваемой среды парами масла и обратное загрязнение масла продуктами откачки. «Масляные» насосы используют масло для уплотнения, смазки и отвода тепла, что обеспечивает, как правило, более высокие характеристики по предельному вакууму и стойкость к пиковым нагрузкам, но требует постоянного контроля и замены масла.

Как правильно подобрать насос для системы вакуумной конденсации паровой турбины?

Подбор осуществляется на основе расчетного количества неконденсирующихся газов (в основном воздуха), проникающих в конденсатор, с учетом температуры охлаждающей воды. Ключевые параметры – объемная скорость откачки (м³/ч) при рабочем давлении в конденсаторе (обычно 3-5 кПа) и допустимое содержание паров воды. Часто применяются двухступенчатые системы: первая ступень – водокольцевые насосы (для основной откачки влажной смеси), вторая – эжекторные или сухие насосы для поддержания глубокого вакуума. Обязательно учитывается резервирование.

Какие насосы используются для работы с элегазом (SF6) и почему?

Для откачки, транспортировки и заполнения оборудования элегазом применяются исключительно «сухие» насосы, чаще всего винтового или поршневого типа. Это связано с необходимостью сохранения чистоты дорогостоящего SF6 и возможности его регенерации и повторного использования. Контакт с маслом в обычных насосах недопустим, так как приводит к необратимому загрязнению газа и масла. Такие насосные агрегаты комплектуются системами фильтрации, регенерационными адсорберами и автоматикой контроля давления.

Что такое «форвакуумный насос» и зачем он нужен турбомолекулярному насосу?

Форвакуумный насос (предварительного разрежения) – это насос, создающий необходимое начальное разрежение (обычно до уровня 1-10 Па) для запуска и корректной работы турбомолекулярного насоса (ТМН). ТМН не может работать при атмосферном давлении из-за высокого аэродинамического сопротивления и перегрузки высокоскоростного ротора. Форвакуумная ступень откачивает основной объем газа, после чего ТМН эффективно работает в высоковакуумном диапазоне. Обычно в качестве форвакуумного используется пластинчато-роторный или сухой винтовой насос.

Как бороться с выбросом масла из выхлопа пластинчато-роторного насоса?

Выброс масляного тумана свидетельствует о проблемах. Основные меры и причины:

• Установка эффективного маслоотделителя (фильтра тонкой очистки) на выхлопном патрубке – обязательна.
• Проверка и замена обратного выхлопного клапана. Его негерметичность при остановке насоса приводит к вбросу атмосферного воздуха и выдуванию масла.
• Использование масла, рекомендованного производителем для данного типа насоса и рабочей температуры.
• Не допускать работу насоса на предельном вакууме с открытым входом длительное время – это способствует перегреву и усиленному испарению масла. При длительной работе на пределе следует прикрывать впускной дроссель.
• Проверка уровня масла – превышение уровня ведет к повышенному выбросу.

Каковы признаки износа пластинчато-роторного насоса?

Основные диагностируемые признаки:

• Снижение предельного вакуума: Наиболее прямой показатель. Указывает на износ пластин, статора, зазоров или негерметичность клапанов.
• Повышенный шум и вибрация: Могут указывать на износ подшипников, деформацию или поломку пластин.
• Перегрев корпуса: Связан с повышенным трением из-за износа, недостаточным охлаждением или использованием неправильного масла.
• Быстрое загрязнение масла: Потемнение или помутнение масла вскоре после замены говорит об активном износе внутренних деталей или попадании агрессивных сред.
• Падение производительности (скорости откачки): Насос медленнее достигает заданного вакуума.