周賢周 上鼓透平風(fēng)機(jī)啟東有限公司

衛(wèi)生紙機(jī)的真空系統(tǒng)是重要的輔助系統(tǒng)，主要應(yīng)用在網(wǎng)部和壓榨部，起到紙幅脫水、轉(zhuǎn)移、凈化毛毯的作用。真空系統(tǒng)一般由功率在185～500kW左右羅茨真空泵、水環(huán)真空泵及增速箱式透平真空泵組成，除了傳統(tǒng)的真空泵效率較低以外，在真空系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中都有20%～40%的設(shè)計(jì)余量。目前的真空系統(tǒng)都沒有安裝實(shí)時(shí)的真空度及流量傳感器，真空系統(tǒng)都是按照固有的轉(zhuǎn)速運(yùn)行。因此，很少有真空泵運(yùn)行在其性能的高效區(qū)，導(dǎo)致真空系統(tǒng)整體效率偏低。

圖1 新月型成形器

紙機(jī)在不同的生產(chǎn)狀態(tài)時(shí)，對(duì)真空系統(tǒng)的要求是變化的。例如，車速、紙張定量、毛毯使用前后期等等。本系統(tǒng)在紙機(jī)濕部的各個(gè)真空部位加入真空度及流量傳感器，根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)情況所需真空度的要求，實(shí)時(shí)調(diào)整真空泵的轉(zhuǎn)速以及各個(gè)閥門的開度，讓紙機(jī)真空系統(tǒng)保持最佳狀態(tài)，真空泵盡量保持在其高效區(qū)運(yùn)行。在保證紙張最佳質(zhì)量的同時(shí)，整個(gè)真空系統(tǒng)一般可以節(jié)能20%～50%。以下介紹說明衛(wèi)生紙機(jī)智能真空系統(tǒng)的特點(diǎn)。

現(xiàn)有的紙機(jī)中，以新月型紙機(jī)和真空?qǐng)A網(wǎng)紙機(jī)為主，所以智能真空系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要圍繞這兩種紙機(jī)展開。其中，主要以新月型紙機(jī)為主。

圖2 真空?qǐng)A網(wǎng)紙機(jī)真空網(wǎng)籠剖視圖

1 智能真空系統(tǒng)介紹

衛(wèi)生紙機(jī)智能真空系統(tǒng)由如下部分組成：節(jié)能型透平真空泵、智能控制器（AI-SYSTEM）、氣水分離器、調(diào)節(jié)型閥門、真空壓力傳感器、濕度傳感器和脫水檢測(cè)器。

脫水檢測(cè)器主要檢測(cè)核心脫水點(diǎn)的脫水量，濕度傳感器主要檢測(cè)紙張從壓榨輥出來到烘干過程的濕度，真空壓力傳感器主要是檢測(cè)每一個(gè)點(diǎn)的實(shí)際真空度。智能控制器通過實(shí)時(shí)分析真空度、脫水情況、紙幅濕度以及紙張定量，就紙機(jī)實(shí)際的生產(chǎn)情況來確定節(jié)能調(diào)節(jié)閥的開度以及真空透平泵的轉(zhuǎn)速。真空度的高低實(shí)際上完全是由真空泵的轉(zhuǎn)速來決定的，轉(zhuǎn)速越高，真空度就越高，轉(zhuǎn)速越低，真空度就越低。通過真空泵轉(zhuǎn)速的變化以及各個(gè)節(jié)點(diǎn)調(diào)節(jié)閥的調(diào)整，使每一個(gè)真空點(diǎn)的真空度跟實(shí)際所需的真空度進(jìn)行匹配。換句話說，如果真空度升高，但是通過脫水檢測(cè)器檢測(cè)到的實(shí)際脫水量沒有直接增加的話，也就沒必要把真空泵開得過高，智能控制器系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)進(jìn)行調(diào)整。

圖3 新月型紙機(jī)智能真空系統(tǒng)布置圖

1.1 節(jié)能型透平真空泵本體

圖4 節(jié)能型透平真空泵及智能控制系統(tǒng)

真空系統(tǒng)主要提供真空動(dòng)力的是真空泵，所以該真空泵本身是不是高效真空泵至關(guān)重要。該系統(tǒng)的真空泵有如下特點(diǎn)，第一采用了高速永磁電機(jī)作為動(dòng)力源；第二采用了高效的全可控渦三元流閉式葉輪；第三對(duì)蝸殼部分進(jìn)一步優(yōu)化，采用可調(diào)型有葉擴(kuò)壓器。

1.1.1 高效永磁高速同步電機(jī)

圖5 高效永磁高速同步電機(jī)

高速電機(jī)有兩個(gè)獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)是普通電機(jī)加增速箱無法比擬的。其一，可以省去增速箱齒輪傳動(dòng)帶來的齒輪切合等功率損失，一般在30kW左右。另外，高速電機(jī)采用高效的永磁電機(jī)，比普通異步電機(jī)至少節(jié)能10%以上。高速電機(jī)由變頻器控制，可以根據(jù)實(shí)際的工況實(shí)時(shí)快速調(diào)整轉(zhuǎn)速，使得真空泵可以實(shí)時(shí)匹配系統(tǒng)真空度的要求。高速電機(jī)的使用可以更好的實(shí)現(xiàn)真空系統(tǒng)的智能控制，省去增速箱的損耗約8%的能耗，且進(jìn)一步減少占地面積，減少10～15dB的噪音，靜音效果明顯。轉(zhuǎn)動(dòng)慣量更小，可以快速調(diào)整轉(zhuǎn)速，實(shí)時(shí)匹配智能控制器的設(shè)定轉(zhuǎn)速。

1.1.2 全可控渦三元流閉式葉輪

圖6 真空泵蝸殼內(nèi)部流動(dòng)性示意圖

該真空透平泵的葉輪設(shè)計(jì)采用最先進(jìn)的全可控渦三元流葉輪設(shè)計(jì)?！叭煽販u”三元葉輪設(shè)計(jì)方法，解決了葉輪內(nèi)全部流場(chǎng)控制與葉片光滑加工之間的矛盾，在設(shè)計(jì)時(shí)采用三元流動(dòng)逆命題公式，輸入葉輪內(nèi)全部流體質(zhì)點(diǎn)的“渦”（速度環(huán)量RCU）發(fā)布，直接得到三元葉片的型面，從而達(dá)到控制葉輪內(nèi)部流體質(zhì)點(diǎn)的速度分布，大大縮短了葉輪設(shè)計(jì)的計(jì)算時(shí)間，而且確保寬葉片或小軸向尺寸條件的設(shè)計(jì)計(jì)算收斂。這種技術(shù)制造的風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子其葉輪的子午面、回轉(zhuǎn)面及葉片型線設(shè)計(jì)中采用任意曲面設(shè)計(jì)方法，改變了國(guó)外引進(jìn)的“直線元素”三元葉輪只能自由控制葉頂與葉根兩個(gè)流體質(zhì)點(diǎn)運(yùn)行狀態(tài)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)葉輪內(nèi)部全部流體質(zhì)點(diǎn)運(yùn)行狀態(tài)的控制，整機(jī)效率可達(dá)84%～86%，可比一般三元流葉輪提高2個(gè)百分點(diǎn)以上，較二元設(shè)計(jì)的葉輪提高效率8～12個(gè)百分點(diǎn)。葉輪采用閉式葉輪，雖然閉式結(jié)構(gòu)對(duì)葉輪的強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求很高，但是葉輪的效率比開式葉輪高出3～5個(gè)百分點(diǎn)左右，特別是葉輪工作幾年以后，由于葉輪的磨損，開式葉輪普遍存在效率下降，并很難修復(fù)。閉式結(jié)構(gòu)只需要更換機(jī)殼上的密封即可，所以維護(hù)上要方便很多。

該真空泵的蝸殼擴(kuò)壓部分采用可調(diào)節(jié)型有葉擴(kuò)壓器，可以對(duì)蝸殼里的氣流出口角度進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整。使得真空泵在不同的轉(zhuǎn)速下都能運(yùn)行在風(fēng)機(jī)高效區(qū)。由于衛(wèi)生紙機(jī)的毛毯在使用的前期、中期以及后期對(duì)真空度的要求變化很大，所以真空泵需要調(diào)整轉(zhuǎn)速進(jìn)行匹配?？烧{(diào)節(jié)型有葉擴(kuò)壓器就可以很好的解決由于轉(zhuǎn)速調(diào)整帶來效率變化的問題，讓真空泵始終處在效率的高區(qū)運(yùn)行。而市場(chǎng)上絕大部分國(guó)產(chǎn)真空透平泵沒有此功能。

真空泵采用先進(jìn)的透平機(jī)械專業(yè)設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行氣動(dòng)設(shè)計(jì)，進(jìn)行通流部件的全周期CFD計(jì)算及優(yōu)化，蝸殼內(nèi)部流動(dòng)性能最優(yōu)。

1.1.3 真空泵本身轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)的優(yōu)化

從真空泵本身轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)上也進(jìn)行了優(yōu)化。葉輪等關(guān)鍵配件進(jìn)行強(qiáng)度、剛度、模態(tài)等有限元分析及優(yōu)化，并進(jìn)行流固熱多物理場(chǎng)耦合分析，保證運(yùn)行的安全性；采用DyRoBeS軟件進(jìn)行軸承設(shè)計(jì)及轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)特性分析，機(jī)組運(yùn)行平穩(wěn)可靠。

圖7 葉輪設(shè)計(jì)示意圖

圖8 軸承設(shè)計(jì)示意圖

1.2 高效永磁電機(jī)直驅(qū)式透平真空泵與普通真空泵性能對(duì)比

目前比較主流的真空泵主要有水環(huán)真空泵、羅茨真空泵、增速箱式單極透平真空泵和高速永磁電機(jī)直驅(qū)式透平真空泵，表1為羅茨真空泵、增速箱式單極透平真空泵和高速永磁電機(jī)直驅(qū)式透平真空泵的對(duì)比情況。

表1 節(jié)能型透平真空泵本體與羅茨真空泵、增速箱式單極透平真空泵的對(duì)比

通過在結(jié)構(gòu)上的改進(jìn)以及葉輪效率上的提高，新型的透平真空泵比普通的透平真空泵效率提高5～8個(gè)百分點(diǎn)，比水環(huán)泵更有20～40個(gè)百分點(diǎn)的整體效率提升。另外，由于流場(chǎng)特性的大幅度改善，使得新型的透平真空泵運(yùn)行時(shí)噪音值只有8dB，遠(yuǎn)小于羅茨真空泵的110dB，降噪效果明顯。

2 利用人工智能技術(shù)實(shí)時(shí)匹配實(shí)際生產(chǎn)工況

2.1 智能控制器（AI-SYSTEM）

智能控制系統(tǒng)包括AI控制器、5G網(wǎng)絡(luò)以及阿里云系統(tǒng)，根據(jù)紙機(jī)的實(shí)際生產(chǎn)狀態(tài)最大限度的匹配紙機(jī)的實(shí)際生產(chǎn)需求。智能控制系統(tǒng)里集成了一個(gè)5G通信卡，通信卡能夠通過網(wǎng)絡(luò)將風(fēng)機(jī)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)發(fā)送到阿里云，在公司內(nèi)部就可以通過阿里云服務(wù)器監(jiān)控每一個(gè)真空泵的實(shí)際運(yùn)行轉(zhuǎn)速、軸承溫度及軸承振動(dòng)情況、油的過濾以及油溫情況，可以達(dá)到遠(yuǎn)程診斷的目的。遠(yuǎn)程診斷的好處就是讓工程師實(shí)時(shí)檢測(cè)，然后分析情況并作出判斷。如果油溫過高，就可以通知客戶，檢測(cè)冷卻水以及油品情況。

AI控制器則會(huì)將狀態(tài)信息、故障信息發(fā)回。實(shí)際上它的主要功能是通過檢測(cè)紙機(jī)車速、紙張定量、出壓榨時(shí)的干度以及紙機(jī)各部分的工況耦合在一起，運(yùn)算得出一個(gè)真空系統(tǒng)所需要真空度并調(diào)節(jié)真空泵轉(zhuǎn)速。

2.2 原始數(shù)據(jù)模型的建立

本衛(wèi)生紙機(jī)真空系統(tǒng)的核心是由智能控制器（AISystem）加PLC邏輯控制器組成。PLC邏輯控制器負(fù)責(zé)真空泵系統(tǒng)的正常工作以及運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)控。智能控制器負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)采集紙機(jī)真空系統(tǒng)的狀態(tài)，根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)的情況，調(diào)整真空泵的轉(zhuǎn)速以及閥門的開度。使得真空泵的運(yùn)行和紙機(jī)的真空系統(tǒng)處于一個(gè)最佳的匹配狀態(tài)。

真空度大小以及真空度的組合方式?jīng)Q定了真空系統(tǒng)在紙機(jī)上的運(yùn)行效果，而真空系統(tǒng)的運(yùn)行效果又影響著紙機(jī)各部分的能量消耗。對(duì)真空系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化需要從全局出發(fā)，不僅要考慮真空系統(tǒng)本身的能耗，還需要注意到紙機(jī)其他部分的能耗。不同的生產(chǎn)條件，紙機(jī)對(duì)真空系統(tǒng)負(fù)壓的需求不同。真空度需根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的變化而變化。紙張定量和紙機(jī)車速在生產(chǎn)中并非固定的，這兩個(gè)因素極大地影響紙機(jī)對(duì)真空系統(tǒng)的需求，建模時(shí)需要重點(diǎn)分析。對(duì)于其他影響較小的因素，可以視為干擾，不納入考慮的范圍。另外，在保證正常生產(chǎn)的前提下節(jié)能是優(yōu)化模型的最終目的，因此紙機(jī)各部分能耗及不同部位的干度或蒸發(fā)負(fù)荷也是必須分析的變量。

智能控制器（AI-System）的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備，即原始數(shù)據(jù)模型的建立及計(jì)算根據(jù)表2的變量得到。

表2 建模需要的變量數(shù)據(jù)

2.3 數(shù)據(jù)采集及迭代方法

積累數(shù)據(jù)的時(shí)間跨度要足夠大，涵蓋盡量多的情況，一般要有幾個(gè)月的數(shù)據(jù)。同時(shí)要保證有足夠的數(shù)據(jù)量，一般數(shù)據(jù)量要求 2,000 組以上。數(shù)據(jù)采集后，對(duì)獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，然后以統(tǒng)一的時(shí)間標(biāo)簽，將所有變量數(shù)據(jù)存入智能控制器（AI-System）的存儲(chǔ)器中。數(shù)據(jù)迭代的時(shí)間越長(zhǎng)，數(shù)據(jù)量越大，智能控制器就能夠越了解該紙機(jī)。這也是為什么在實(shí)際過程中，風(fēng)機(jī)的節(jié)電效果是隨著使用的時(shí)間長(zhǎng)度越來越明顯。

真空系統(tǒng)的變動(dòng)會(huì)影響到相關(guān)系統(tǒng)能耗的變動(dòng)。不能單純地以減少真空消耗為優(yōu)化的目標(biāo)，需要從全局的角度考慮。值得注意的是，真空系統(tǒng)除了極大影響干燥部蒸汽的消耗外，還與傳動(dòng)系統(tǒng)電功率有密切的關(guān)聯(lián)。這是由于真空系統(tǒng)電功率提高時(shí)，傳動(dòng)的阻力將會(huì)提高，相應(yīng)的電功率也會(huì)提升。事實(shí)上，工廠生產(chǎn)中，傳動(dòng)系統(tǒng)的電功率是調(diào)節(jié)真空系統(tǒng)的一個(gè)重要依據(jù)。

另一方面，考慮到造紙過程蒸汽的消耗量比電能大得多，而電能的品質(zhì)比蒸汽高，單位能量的電也比蒸汽貴，所以以最低能耗為優(yōu)化目標(biāo)欠妥。模型將優(yōu)化目標(biāo)定為相關(guān)系統(tǒng)單位時(shí)間能耗的成本。也就是說，模型的目標(biāo)函數(shù)右邊確定為單位時(shí)間內(nèi)真空系統(tǒng)電耗、傳動(dòng)電耗以及干燥部汽耗的能耗功率成本總和。目標(biāo)函數(shù)的左邊是需要調(diào)節(jié)的真空系統(tǒng)的真空度設(shè)定值。即：

Ccost=f1(P1，P2，P3…Pi)

這是一個(gè)復(fù)雜的多變量關(guān)系。若采用統(tǒng)計(jì)回歸方法，均方根誤差和判斷系數(shù)不理想，則不能取得較好的擬合效果。所以采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(Artificial Neural Network，ANN) 的方法來實(shí)現(xiàn)目標(biāo)函數(shù)關(guān)系的建立。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是近年來智能控制與智能自動(dòng)化領(lǐng)域的熱點(diǎn)，具有可操作性強(qiáng)、自適應(yīng)與自學(xué)習(xí)能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

2.4 有效的流量和真空度

網(wǎng)部脫水量是由真空系統(tǒng)帶來的壓力差決定的，與通過的氣流無關(guān)。也就是說，當(dāng)真空度不增加時(shí)，真空系統(tǒng)只會(huì)抽去過多的空氣，卻不能從紙幅帶走水分。其結(jié)果可以參考赫爾辛基理工大學(xué)的Raisanen 博士的真空度與紙張干度的關(guān)系圖（如圖9所示）。由此可知，在紙幅前進(jìn)的方向上，真空度必須是逐漸增大的，否則真空度相對(duì)前面較小的真空箱會(huì)出現(xiàn)只抽空氣卻脫不掉水分，而白白浪費(fèi)能量的情況。

圖9 真空度與紙張干度的關(guān)系

2.5 考慮干燥部蒸汽的消耗因素

在網(wǎng)部，真空系統(tǒng)的負(fù)壓是紙張成形的關(guān)鍵。真空系統(tǒng)脫水能力過低不僅會(huì)使干燥部蒸汽消耗增大，同時(shí)也可能導(dǎo)致紙機(jī)無法正常生產(chǎn)。故真空度的設(shè)定需要滿足脫水能力要求。數(shù)據(jù)庫(kù)中若缺乏干度數(shù)據(jù)，可用進(jìn)干燥部前蒸發(fā)負(fù)荷來代替。干燥部前蒸發(fā)負(fù)荷可以用紙機(jī)水的質(zhì)量平衡得到，代表單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)入干燥部的水的質(zhì)量。一般來說，前面真空脫水的能力越強(qiáng)，干燥部的蒸發(fā)負(fù)荷應(yīng)該就會(huì)越少。

此外，真空度的設(shè)定值不能超出設(shè)備要求及工藝環(huán)境的要求，故每個(gè)真空度的設(shè)定都有上下限。排除異常值后，數(shù)據(jù)庫(kù)中歷史數(shù)據(jù)都是曾經(jīng)出現(xiàn)的數(shù)據(jù)，是在正常運(yùn)行范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)，并且確定是可行的，由此確定真空度設(shè)定值的上下限。模型中真空度的設(shè)定值不超出最大和最小歷史值。

根據(jù)分析計(jì)算出來的真空度控制范圍，智能控制器（AISystem）會(huì)通過系統(tǒng)上各個(gè)點(diǎn)的真空傳感器，實(shí)時(shí)的控制系統(tǒng)管路中的閥門開度以及風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速等參數(shù)，讓紙機(jī)上各個(gè)點(diǎn)的真空度接近算法得出真空度要求。

3 新型透平真空系統(tǒng)應(yīng)用案例

3.1 在洛陽(yáng)華潔紙業(yè)寶拓紙機(jī)上的應(yīng)用

圖10 洛陽(yáng)華潔紙業(yè)寶拓紙機(jī)

● 紙機(jī)幅寬2,850mm，車速1,300m/min；

● 選用風(fēng)機(jī)的電機(jī)功率為90kW，實(shí)際運(yùn)行功率為70kW；

● 原來羅茨風(fēng)機(jī)185kW，實(shí)際運(yùn)行140kW，節(jié)電50%。

3.2 在河北姬發(fā)紙業(yè)輕良紙機(jī)上的應(yīng)用

圖11 河北姬發(fā)紙業(yè)輕良紙機(jī)

● 紙機(jī)幅寬3,500mm，車速1,300m/min；

● 選用風(fēng)機(jī)的電機(jī)功率為132kW，實(shí)際運(yùn)行功率為85kW；

● 原來水環(huán)真空泵315kW，實(shí)際運(yùn)行230kW，節(jié)電63%。

3.3 在山東東順紙業(yè)川之江BF12紙機(jī)上的應(yīng)用

圖12 山東東順紙業(yè)川之江BF12紙機(jī)

● 紙機(jī)幅寬3,500mm，車速1,000m/min；

● 選用風(fēng)機(jī)的電機(jī)功率為160kW，實(shí)際運(yùn)行功率為125kW；

● 原來羅茨風(fēng)機(jī)280kW，實(shí)際運(yùn)行180kW，節(jié)電30%。