劉 斌

(中國(guó)中輕國(guó)際工程有限公司，北京，100026)

透平式真空泵在現(xiàn)代紙機(jī)上的應(yīng)用

劉 斌

(中國(guó)中輕國(guó)際工程有限公司，北京，100026)

介紹了透平式真空泵的工作原理及透平式真空泵替代傳統(tǒng)的水環(huán)式真空泵在現(xiàn)代大型紙機(jī)上的應(yīng)用情況，分析了替代傳統(tǒng)水環(huán)式真空泵后的節(jié)能效果。

透平式真空泵;真空泵;現(xiàn)代紙機(jī);節(jié)能

造紙行業(yè)使用的真空設(shè)備絕大部分是水環(huán)式的，水環(huán)式真空泵耗能高、效率低，一般來(lái)說(shuō)小型水環(huán)式真空泵的效率為30%～35%，大型水環(huán)式真空泵效率可達(dá)40%或略高，而透平式真空泵效率達(dá)到75%。透平式真空泵的工作原理為:從真空點(diǎn)來(lái)的氣、液、固混合物進(jìn)入氣液分離器，液體和其中所挾帶的固體雜質(zhì)通過(guò)氣液分離器下部安裝的泵抽出，氣體由頂部引出經(jīng)過(guò)濾器后進(jìn)入透平式真空泵。氣體在透平式真空泵內(nèi)經(jīng)高速旋轉(zhuǎn)的葉輪作用、通過(guò)擴(kuò)壓器、蝸殼降速升壓后轉(zhuǎn)化成高溫氣體，連續(xù)不斷地排出，維持系統(tǒng)內(nèi)真空度要求。排出的高溫氣體可回收大部分熱能，也可直排地溝或經(jīng)消聲器后排大氣。不用水作為循環(huán)液，只用水作冷卻液。不易產(chǎn)生水垢，節(jié)能、節(jié)水、環(huán)保［1］。

目前，國(guó)內(nèi)有幾家大型造紙廠都引進(jìn)了國(guó)外的透平設(shè)備。國(guó)內(nèi)也有設(shè)備制造公司在配合造紙工藝生產(chǎn)中小型的透平式真空泵。透平設(shè)備在造紙行業(yè)中代替?zhèn)鹘y(tǒng)水環(huán)真空泵的趨勢(shì)越來(lái)越明顯。雖然透平式真空泵在一次性投資上較水環(huán)式真空泵大，但成本回收快，持續(xù)經(jīng)濟(jì)效益明顯。

在中國(guó)中輕國(guó)際工程有限公司承接的項(xiàng)目中，已有將透平式真空泵成功應(yīng)用于大型文化紙機(jī)和新聞紙機(jī)的案例。

1 透平式真空泵工作原理

透平式真空泵一般分為多級(jí)閉式離心風(fēng)機(jī)和單級(jí)開(kāi)式離心風(fēng)機(jī)，都是利用其裝在外殼和擴(kuò)散系統(tǒng)內(nèi)的多級(jí)葉輪來(lái)形成真空的。以國(guó)外某公司的透平式真空泵為例，隨著葉輪的旋轉(zhuǎn)，空氣進(jìn)入到葉輪中間的孔眼，沿徑向外移過(guò)程中被加速與增壓，第2級(jí)葉輪加速第1級(jí)來(lái)的空氣，并接著到第3級(jí)和第4級(jí)，從而產(chǎn)生真空?？諝鈴母鱾€(gè)不同級(jí)吸入，產(chǎn)生不同的真空度，以適應(yīng)紙機(jī)真空系統(tǒng)的需要。圖1所示是1臺(tái)多級(jí)透平式真空泵的原理簡(jiǎn)圖，圖2所示是1臺(tái)單級(jí)透平式真空泵的原理簡(jiǎn)圖。

無(wú)論多級(jí)閉式還是單級(jí)開(kāi)式用于真空泵時(shí)，都具有抽吸量大、真空度水平穩(wěn)定等特點(diǎn)。但是當(dāng)真空度高、可供抽吸的空氣量越來(lái)越少時(shí)，常會(huì)出現(xiàn)空氣回流、浪涌現(xiàn)象，這時(shí)被加速后的熱空氣回流到吸氣口，進(jìn)氣管將會(huì)發(fā)熱，嚴(yán)重破壞真空度的穩(wěn)定性，因此每臺(tái)透平式真空泵的入口都裝有防浪涌閥。當(dāng)真空度較高、抽吸量不足時(shí)，防浪涌閥會(huì)根據(jù)透平式真空泵的有效功率自動(dòng)打開(kāi)，增加空氣流量以防止浪涌現(xiàn)象的發(fā)生，使得設(shè)備功率消耗以及需要的真空度平穩(wěn)。

1.1 潤(rùn)滑油系統(tǒng)

潤(rùn)滑油系統(tǒng)由油箱、主輔油泵、油冷卻器、油過(guò)濾器、溢流閥、電加熱器和單向閥組成，與潤(rùn)滑油管道集裝在公用底座上。潤(rùn)滑油主油泵為機(jī)械油泵，安裝在齒輪箱的輸入軸上。輔助油泵為電動(dòng)油泵，位于主電機(jī)下方，在主機(jī)啟停和主油泵欠壓時(shí)運(yùn)行。主輔油泵以壓力聯(lián)鎖，為主機(jī)安全運(yùn)行提供保障。油冷卻器選用列管式水冷，通過(guò)調(diào)節(jié)冷卻水量保證軸承進(jìn)油溫度。

1.2 控制系統(tǒng)

透平真空泵轉(zhuǎn)速較高，屬于較精密的旋轉(zhuǎn)機(jī)械，為了確保機(jī)組安全可靠運(yùn)行，配備了完善的檢測(cè)控制系統(tǒng)，包括氣液分離器液位檢測(cè)、報(bào)警、聯(lián)鎖主機(jī);各抽吸點(diǎn)真空度檢測(cè)、報(bào)警、聯(lián)動(dòng)防喘旁通閥;各軸承溫度點(diǎn)檢測(cè)、報(bào)警;高速轉(zhuǎn)子振動(dòng)檢測(cè)、報(bào)警;潤(rùn)滑油溫度、油壓檢測(cè)、報(bào)警、聯(lián)鎖主機(jī);主機(jī)電流顯示報(bào)警、聯(lián)鎖主機(jī);可實(shí)現(xiàn)與DCS通迅和交互操作。對(duì)主要的參數(shù)還設(shè)置了實(shí)時(shí)曲線和歷史曲線、報(bào)警記錄，以供事后查詢及故障診斷。根據(jù)不同企業(yè)的要求，在對(duì)主機(jī)的啟動(dòng)方式上可選用星-三角、自耦降壓或軟啟動(dòng)。為了滿足同一紙機(jī)抄造不同的紙種，還可配備變頻控制器，以實(shí)現(xiàn)不同紙種對(duì)真空度的不同要求，從而降低能耗，使透平式真空泵更加高效節(jié)能。圖3所示是透平式真空泵的潤(rùn)滑油及控制系統(tǒng)示意圖。

2 透平式真空泵在紙機(jī)中的應(yīng)用

在大型紙機(jī)中，通常采用1臺(tái)多級(jí)透平式真空泵和1或2臺(tái)單級(jí)透平式真空泵并聯(lián)使用，將大致需要相同真空度的紙機(jī)各個(gè)部分都連接到一個(gè)或者多個(gè)混凝土制的分離槽中。圖4所示是造紙機(jī)使用透平式真空泵的基本流程示意圖。

圖3 透平式真空泵潤(rùn)滑油和控制系統(tǒng)示意圖

圖4中真空系統(tǒng)所產(chǎn)生的氣液混合物，經(jīng)過(guò)真空分離槽內(nèi)的螺旋式分離器和二次分離器，凝結(jié)成水滴下沉至真空分離槽底部，真空分離槽中的白水各通過(guò)1臺(tái)負(fù)壓泵將白水抽出，其中1#、2#分離槽中的網(wǎng)部白水送網(wǎng)部水封池，其他分離槽中的白水送至壓榨白水池，然后集中氣浮處理。每個(gè)分離槽人孔位置都安裝一個(gè)關(guān)門聯(lián)鎖安全開(kāi)關(guān)，槽內(nèi)安裝液位聯(lián)鎖裝置，見(jiàn)圖5 所示［2］。

圖4 透平式真空泵在造紙機(jī)上應(yīng)用的基本流程

圖5 真空分離槽示意圖

透平式真空泵抽吸量較大，一般可以將真空度要求相近的多個(gè)使用點(diǎn)集中在一起，結(jié)構(gòu)組成緊湊，在設(shè)備布置上比傳統(tǒng)的水環(huán)真空泵更節(jié)省空間。作為真空設(shè)備使用時(shí)，具有設(shè)備集中、效率高、低能耗的特點(diǎn)［3］。單級(jí)透平式真空泵在葉輪以外的殼體上設(shè)計(jì)有24塊可以調(diào)節(jié)傾角的導(dǎo)流板，可以調(diào)節(jié)通過(guò)透平式真空泵空氣的流速，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)真空度進(jìn)行調(diào)節(jié)。

3 使用注意事項(xiàng)

透平式真空泵用在真空系統(tǒng)時(shí)，其運(yùn)行速度較高，多級(jí)機(jī)的操作速度一般在5000 r/min，單級(jí)機(jī)的操作速度在10000 r/min以上。因此整臺(tái)設(shè)備需要一個(gè)較大的基礎(chǔ)，防止設(shè)備產(chǎn)生高頻振動(dòng)。

由于單臺(tái)設(shè)備功率較大，啟動(dòng)或停止設(shè)備時(shí)會(huì)引起系統(tǒng)電網(wǎng)的負(fù)荷波動(dòng)，各臺(tái)設(shè)備啟動(dòng)需要間隔一定的時(shí)間。每次啟動(dòng)前，電機(jī)保護(hù)程序都會(huì)檢查停機(jī)時(shí)間是否夠一個(gè)規(guī)定的時(shí)間間隔。

透平式真空泵葉輪轉(zhuǎn)速非常高，對(duì)設(shè)備的加工和安裝精度要求相應(yīng)提高，而且需要對(duì)葉輪在高轉(zhuǎn)速下進(jìn)行高精度動(dòng)平衡試驗(yàn)。為防止挾帶水分或異物進(jìn)入，必須有一個(gè)大型混凝土的真空分離槽，分離槽內(nèi)用不銹鋼板隔開(kāi)，其中最大風(fēng)速不得超過(guò)3 m/s。

設(shè)備安裝后，需要對(duì)管道進(jìn)行徹底清潔，防止異物留存在管道中損壞設(shè)備。

空氣在被加速壓縮和釋放過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生較大的噪音，設(shè)計(jì)安裝時(shí)，一般將透平式真空泵安裝在較為密閉的房間，防止噪音擴(kuò)散。

4 節(jié)能效果

透平式真空系統(tǒng)為渦輪風(fēng)機(jī)，直接抽氣形成真空。透平式真空泵具有節(jié)能、集中、效率高的特點(diǎn)［3］。以國(guó)內(nèi)某大型造紙企業(yè)使用的透平式真空泵為例，替代傳統(tǒng)的水環(huán)式真空泵后，年節(jié)電約3003萬(wàn)kWh，年回收熱量約2550萬(wàn)kWh，并節(jié)約工業(yè)用水。

4.2 節(jié)電效果

某項(xiàng)目利用3臺(tái)總裝機(jī)功率約6000 kW的透平式真空泵取代15臺(tái)總裝機(jī)功率約8810 kW的水環(huán)式真空泵，總裝機(jī)容量減少了2810 kW。在運(yùn)行時(shí)，透平式真空泵還可根據(jù)紙機(jī)車速來(lái)調(diào)整抽氣量。同時(shí)，透平式真空泵真空系統(tǒng)不需要密封水，也節(jié)省了密封水所需要的動(dòng)力。該紙機(jī)測(cè)定時(shí)車速1505 m/min，幅寬10.2 m，3臺(tái)透平式真空泵功率為3526.38 kW。如果車速達(dá)到2000 m/min時(shí)其功率為4686.2 kW。使用水環(huán)式真空泵的設(shè)計(jì)功率為8366.2 kW。

年節(jié)約能量為:

(8366.2－4686.2)×24×340=3003萬(wàn) kWh，折算為節(jié)省標(biāo)準(zhǔn)煤量約10511 t。

4.3 余熱回收

透平真空泵抽出的濕空氣溫度達(dá)140～160℃，增加一個(gè)空氣換熱器，加熱冷空氣再送入抄紙機(jī)，回收了余熱。

4.3.1 數(shù)據(jù)檢測(cè)

(1)第2次測(cè)試時(shí)，多級(jí)透平式真空泵功率為2000.2 kW，1#透平式真空泵功率為681.16 kW，2#透平式真空泵功率為830.86 kW。合計(jì)功率3512.22 kW。

(2)抽氣溫度64℃，透平式真空泵出口氣體溫度156.6℃，排氣溫度73℃。

(3)3臺(tái)透平式真空泵出口氣體流量檢測(cè)及計(jì)算:出口氣體平均流速8.97437 m/s，流通截面直徑2100 mm，出口溫度73℃，出口壓力0.1 MPa，則體積流量Vt=流速×流通截面積=31.08374 m3/s，質(zhì)量流量G0=K·P=34.6156 kg/s。

4.3.2 熱平衡計(jì)算

圖6所示為熱平衡圖。

圖6 熱平衡示意圖

由圖6中可知，輸入熱Q入=Q1+Q2=4970.22 kW，輸出熱Q出=Q3+Q4+Q5=4966.72 kW。

4.3.3 計(jì)算回收有效熱

回收有效熱Qe=Q3=3125.37 kW，年回收有效熱量QY=2550萬(wàn)kWh，折算為3132.7 t標(biāo)煤。

4.4 節(jié)水效果

采用水環(huán)泵真空系統(tǒng)需要密封水20 m3/h，而采用透平式真空系統(tǒng)無(wú)需密封水，系統(tǒng)每年可節(jié)約用水量17萬(wàn)m3，系統(tǒng)循環(huán)的補(bǔ)水量一般為用水量的3%～5%，所以，每年可節(jié)約系統(tǒng)循環(huán)用水的補(bǔ)水量為0.51萬(wàn)～0.85萬(wàn)m3，折算為437～728 kg標(biāo)煤，同時(shí)節(jié)省了循環(huán)水的耗電量。

5 結(jié)語(yǔ)

透平式真空泵應(yīng)用于紙機(jī)真空系統(tǒng)，替代原有的水環(huán)式真空泵，配套功率低，節(jié)能效果顯著。目前我國(guó)大型紙機(jī)需采用進(jìn)口透平設(shè)備，國(guó)產(chǎn)透平設(shè)備仍處于起步階段，適用規(guī)模較小。隨著國(guó)內(nèi)研發(fā)實(shí)力的增強(qiáng)，成本的降低，相信透平式真空泵一定會(huì)廣泛地應(yīng)用于我國(guó)造紙工業(yè)，為國(guó)家的節(jié)能減排目標(biāo)做出貢獻(xiàn)。

［1］ 最新紙機(jī)抄造工藝［M］．曹邦威，譯．北京:中國(guó)輕工業(yè)出版社，1999．

［2］ 德國(guó)MAN公司技術(shù)文本［S］．

［3］ 張 輝．制漿造紙裝備節(jié)能節(jié)水結(jié)構(gòu)原理與評(píng)析［J］．中國(guó)造紙，2007，26(5):52． CPP

Application of Turbo-compressor in Modern Paper Machines

LIU Bin
(China BCEL International Engineering Co．，Ltd．，Beijing，100026)

The working principle of turbo-compressor and its application in modern paper machines are introduced，the energy efficiency of using turbo-compressor as a substitute for the conventional water ring vacuum pump is analyzed．

turbo-compressor;vacuum pump;modern paper machine;energy efficiency

TS737+.2

B

0254-508X(2012)01-0052-04

劉 斌先生，工程師;主要從事造紙工藝設(shè)計(jì)工作。

(E-mail:liub@bcel-cn．com)

2011-08-19

(責(zé)任編輯:馬 忻)