熱泵技術(shù)在紙機(jī)蒸汽冷凝水系統(tǒng)改造中的應(yīng)用

張明 岳陽(yáng)林紙股份公司技術(shù)中心 湖南 岳陽(yáng)（414002）

熱泵技術(shù)在紙機(jī)蒸汽冷凝水系統(tǒng)改造中的應(yīng)用

張明 岳陽(yáng)林紙股份公司技術(shù)中心 湖南 岳陽(yáng)（414002）

為落實(shí)國(guó)家節(jié)能減排政策以及依靠技術(shù)進(jìn)步節(jié)能降耗，某公司采用造紙行業(yè)成熟可靠的重點(diǎn)節(jié)能推廣技術(shù)——熱泵技術(shù)，對(duì)紙機(jī)蒸汽冷凝水系統(tǒng)進(jìn)行改造，使冷凝水順暢外排、尾汽得到充分回用，明顯降低了噸紙蒸汽消耗。

熱泵；尾汽回用；冷凝水；節(jié)能

1 前言

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速增長(zhǎng)，我國(guó)的造紙工業(yè)得到了高速發(fā)展，能源短缺的矛盾也越來(lái)越突出，造紙行業(yè)紙機(jī)烘干部的能源消耗量占整個(gè)造紙過(guò)程中的能源消耗量的45%～55%[1]，國(guó)內(nèi)很多造紙企業(yè)越來(lái)越重視以降低紙機(jī)烘干部的能源消耗量來(lái)降低生產(chǎn)成本。

2 紙機(jī)蒸汽冷凝水系統(tǒng)現(xiàn)狀

某公司紙機(jī)為國(guó)外引進(jìn)，凈紙幅寬3940mm，設(shè)計(jì)車速為700m/min，產(chǎn)品為文化紙。

干燥部蒸汽冷凝水系統(tǒng)是上世紀(jì)80年代末改造的，不同于典型的三段通氣，分別由控制段、主段、中間段、回送段四段組成，另設(shè)3個(gè)冷缸。主段、控制段分別通入3～4bar新鮮蒸汽，控制段的尾汽送回送段。主段的尾汽送中間段，若中間段氣供量不足，適當(dāng)補(bǔ)充新鮮蒸汽，系統(tǒng)設(shè)置有壓力控制與各段壓差控制。經(jīng)過(guò)20多年的運(yùn)行，車間技術(shù)、操作人員積累豐富的操作、維護(hù)經(jīng)驗(yàn)，做了不少的技術(shù)改進(jìn)工作,汽頭已更換為不帶波紋管的機(jī)械密封接頭，但也暴露了系統(tǒng)不少問(wèn)題。主段24個(gè)烘缸排出未冷凝的蒸汽和冷凝水在汽水分離器閃蒸的二次蒸汽即稱為尾汽，烘缸多尾汽量大，但尾汽在中間段無(wú)法充分利用，中間段如果充分回用主段的尾汽，會(huì)導(dǎo)致中間段烘缸排水壓差小，排水不暢，導(dǎo)致烘缸傳動(dòng)負(fù)荷高，操作控制非常困難，目前尾汽基本上沒(méi)有回用，主要通過(guò)表面冷凝器換熱冷卻，致使表面冷凝器的工作負(fù)荷超高，消耗清水量大，噸紙的蒸汽消耗也高，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，2011年噸紙汽耗最低為6.27×109焦耳（10月份），最高為8.84×109焦耳（2月份），全年噸紙平均消耗7.3×109焦耳，顯然噸紙蒸汽消耗很高。

為更好地落實(shí)國(guó)家節(jié)能減排政策以及依靠技術(shù)進(jìn)步節(jié)能降耗，公司決定采用造紙行業(yè)成熟可靠的重點(diǎn)節(jié)能技術(shù)——熱泵技術(shù)，對(duì)紙機(jī)蒸汽冷凝水系統(tǒng)進(jìn)行改造。熱泵技術(shù)能很好地解決干燥部冷凝水排放與干燥部尾汽的回用等問(wèn)題，明顯降低噸紙耗汽量。

3 紙機(jī)干燥部熱泵供汽系統(tǒng)

蒸汽噴射式熱泵是一種沒(méi)有運(yùn)轉(zhuǎn)部件的蒸汽壓縮機(jī)，不直接消耗機(jī)械能或電能而提高低壓蒸汽參數(shù)的設(shè)備，高壓蒸汽與吸入的蒸汽混合后同時(shí)輸出用于生產(chǎn)工藝，在動(dòng)力、冶金、紡織、輕工、供熱、制冷等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

20 世紀(jì)50年代，國(guó)外成功地在紙機(jī)干燥部多段通汽系統(tǒng)中應(yīng)用了熱泵技術(shù)，解決了常規(guī)多段通汽烘缸積水、干燥部蒸汽消耗高等問(wèn)題，時(shí)至今日，歐美的大多數(shù)紙廠在紙機(jī)干燥部的蒸汽冷凝水系統(tǒng)中都采用熱泵技術(shù)。國(guó)內(nèi)已有部分新紙機(jī)項(xiàng)目使用熱泵技術(shù)，也有不少老的紙機(jī)選用先進(jìn)的熱泵技術(shù)替代老式的多段通汽技術(shù)。

20 世紀(jì)90年代初，國(guó)內(nèi)多家公司開始研發(fā)熱泵系統(tǒng)，南京環(huán)科所、西安交大能源所等單位對(duì)熱泵技術(shù)的工作原理及實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行了研究，浙大雙元、成都海天測(cè)控、四川高達(dá)、上海費(fèi)奧多等公司進(jìn)行了控制系統(tǒng)的開發(fā)，并在紙廠大力推廣應(yīng)用。

3.1 熱泵結(jié)構(gòu)及工作原理

工作原理：用高壓蒸汽抽吸低壓蒸汽，高壓蒸汽在噴嘴中高速噴射而造成真空，從而不斷抽吸低壓蒸汽。在噴射器喉部中，低壓蒸汽與高壓蒸汽兩股共軸流體進(jìn)行速度均衡，使低壓蒸汽的壓力和溫度提高，高壓蒸汽的壓力和溫度降低。在擴(kuò)散部中，流體的動(dòng)能轉(zhuǎn)換為勢(shì)能，壓力提高到設(shè)備工藝流程所需的壓力進(jìn)入烘缸。紙機(jī)干燥部使用熱泵，提高汽水分離器產(chǎn)生的二次蒸汽的能量參數(shù)，達(dá)到節(jié)能的目的[2-3]（見圖1）。

圖1 熱泵結(jié)構(gòu)

3.2 尾汽流量熱泵控制系統(tǒng)

紙機(jī)的蒸汽冷凝水系統(tǒng)的好壞關(guān)鍵在于紙機(jī)干燥部冷凝水排放與干燥部尾汽的回用的好壞，如果干燥部冷凝水排放與干燥部尾汽的回用不能很好的解決，紙機(jī)的噸紙耗汽量會(huì)明顯提高，而且操作非常不方便，給整個(gè)造紙生產(chǎn)過(guò)程帶來(lái)很多麻煩。而紙機(jī)干燥部的蒸汽冷凝水系統(tǒng)排水性能的好與壞取決于排水工具（烘缸的旋轉(zhuǎn)接頭）與排水動(dòng)力（排水動(dòng)力實(shí)際上就是烘缸的進(jìn)出口壓差）兩者缺一不可。

尾氣流量熱泵控制系統(tǒng)原理是把烘缸組排出的汽水混合物通入高效汽水分離器，分離出的烘缸組尾氣經(jīng)過(guò)一個(gè)流量檢測(cè)裝置后，再通過(guò)可調(diào)式熱泵壓縮后回到本烘缸組繼續(xù)使用[4]。在正常操作狀況之下，維持烘缸組尾氣對(duì)烘缸組冷凝速率的比例在一個(gè)固定的數(shù)值即可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定可靠的排水。該系統(tǒng)可以使蒸汽系統(tǒng)能在非常高或非常低的壓力下操作，而不會(huì)產(chǎn)生過(guò)量的尾氣，更對(duì)負(fù)荷變化提供快速的反饋，維持最佳的烘缸排水能力。在斷紙時(shí)，控制系統(tǒng)能自動(dòng)調(diào)整尾氣流量，使之相當(dāng)于正常操作時(shí)的尾氣流量（比率），從而避免了大量的蒸汽損失。在傳統(tǒng)壓差控制中，浪費(fèi)現(xiàn)象非常少見。尾氣流量熱泵控制系統(tǒng)，烘缸組的壓差不參與控制，僅在控制屏幕上顯示，以用于檢查及解決操作上的問(wèn)題。

當(dāng)烘缸組內(nèi)冷凝速率發(fā)生變化時(shí)，尾氣流量檢測(cè)裝置會(huì)同步并且及時(shí)進(jìn)行調(diào)整。當(dāng)烘缸組內(nèi)冷凝速率增加時(shí)，冷凝水變多，則尾氣流量檢測(cè)到的數(shù)值會(huì)下降，尾氣流量控制器會(huì)給出信號(hào)使熱泵開大，熱泵開大可以提供更大的排水壓差和更大的壓縮能力，加速尾氣的回用，使烘缸內(nèi)增多的冷凝水及時(shí)排出。當(dāng)烘缸組內(nèi)冷凝速率降低時(shí)，冷凝水變小，則尾氣流量檢測(cè)到的數(shù)值會(huì)上升，尾氣流量控制器會(huì)給出信號(hào)使熱泵關(guān)小，熱泵關(guān)小可以降低排水壓差和減少尾氣的回用，使烘缸組分離出來(lái)的尾氣不至于過(guò)量而造成浪費(fèi)。

3.3 熱泵系統(tǒng)方案

尾汽流量熱泵控制系統(tǒng)打破原有烘缸分組情況，重新分為五個(gè)烘缸蒸汽組，增加四臺(tái)熱泵、高壓蒸汽管網(wǎng)及控制系統(tǒng)，更換汽水分離器、真空表面冷凝器、冷凝水泵、真空泵等設(shè)備。

系統(tǒng)應(yīng)用DCS的各種控制功能，對(duì)紙機(jī)蒸汽系統(tǒng)進(jìn)行有效控制，保證紙機(jī)在任何情況下都能正?？煽康剡\(yùn)行，以獲得最高的紙機(jī)效率及較低的維修量。烘缸冷凝水的排放是完全由烘缸組尾汽流量來(lái)控制的，設(shè)定烘缸組尾汽流量控制參數(shù)，在任何操作情況下，例如正常運(yùn)轉(zhuǎn)、斷紙和停機(jī)等，不需要操作人員重新設(shè)定。

烘缸分組情況如下：

第一組烘缸為濕端烘缸（低溫段），包括了7個(gè)烘缸（即烘缸1#～7#，其中1～6#為單掛）。當(dāng)紙頁(yè)離開壓榨部進(jìn)入烘缸后，導(dǎo)入烘缸能夠提供必要的條件以至不會(huì)造成紙頁(yè)的起毛、粘缸現(xiàn)象，并且不會(huì)產(chǎn)生其它影響成紙質(zhì)量問(wèn)題。這個(gè)蒸汽烘缸組分割為四個(gè)壓力控制單元，即：?jiǎn)螔?#、3#、5#為一個(gè)單元，烘干背面的2#、4#烘缸均為單獨(dú)調(diào)節(jié)單元，同時(shí)第一次接觸紙頁(yè)正面的7#烘缸與6#烘缸分成一組來(lái)完成紙頁(yè)的預(yù)熱。第一烘缸組全部能夠在壓力-0.5bar～0.5 bar之間操作。第一烘缸組的所有烘缸共享一個(gè)相同的冷凝水排放總管，直接排放至真空表面冷凝器，以保證在非常低的操作壓力下具有適當(dāng)?shù)睦淠欧拍芰Α５谝缓娓捉M同時(shí)利用了由其它蒸汽組熱泵系統(tǒng)所吹泄出的少量含有熱量的不凝氣體和6#總冷凝水收集罐產(chǎn)生的閃蒸蒸汽，蒸汽不足部分由新鮮蒸汽補(bǔ)充。

第二烘缸蒸汽組包括了9個(gè)烘缸（8#～16#烘缸），操作壓力在0.5bar～4bar之間。第二烘缸組具有標(biāo)準(zhǔn)的熱泵系統(tǒng)，采用標(biāo)準(zhǔn)的尾汽流量控制的方法來(lái)調(diào)節(jié)烘缸的排水。第二烘缸蒸汽組可在全程壓力范圍內(nèi)工作，并在正常運(yùn)行或斷紙時(shí)不浪費(fèi)任何蒸汽。熱泵的引射蒸汽使用8～10bar的高壓蒸汽，而主蒸汽則使用4bar的低壓蒸汽。

第三烘缸蒸汽組包括了11個(gè)烘缸（即17#～27#烘缸），操作壓力在0.5bar～4bar之間。第三烘缸組具有標(biāo)準(zhǔn)的熱泵系統(tǒng)，采用標(biāo)準(zhǔn)的尾汽流量控制的方法來(lái)調(diào)節(jié)烘缸的排水。第三烘缸蒸汽組可在全程壓力范圍內(nèi)工作，并在正常運(yùn)行或斷紙時(shí)不浪費(fèi)任何蒸汽。熱泵使用8～10bar的高壓蒸汽，而主蒸汽則使用4bar的低壓蒸汽。

第四烘缸蒸汽組包括了10個(gè)烘缸（即28#～37#烘缸），操作壓力在0.5bar～4 bar之間。第四烘缸組具有標(biāo)準(zhǔn)的熱泵系統(tǒng)，采用標(biāo)準(zhǔn)的尾汽流量控制的方法來(lái)調(diào)節(jié)烘缸的排水。第四烘缸蒸汽組可在全程壓力范圍內(nèi)工作，并在正常運(yùn)行或斷紙時(shí)不浪費(fèi)任何蒸汽。熱泵使用8～10bar的高壓蒸汽，而主蒸汽則使用4bar的低壓蒸汽。

第五烘缸蒸汽組包括了10個(gè)烘缸（即38#～47#烘缸），操作壓力在0.5bar～4 bar之間。第五烘缸組具有標(biāo)準(zhǔn)的熱泵系統(tǒng)，采用標(biāo)準(zhǔn)的尾汽流量控制的方法來(lái)調(diào)節(jié)烘缸的排水。第五烘缸蒸汽組可在全程壓力范圍內(nèi)工作，并在正常運(yùn)行或斷紙時(shí)不浪費(fèi)任何蒸汽。熱泵使用8～10bar的高壓蒸汽，而主蒸汽則使用4bar的低壓蒸汽。48#～50#烘缸為冷缸。

3.4 尾汽流量控制系統(tǒng)的特點(diǎn)

可使?jié)穸撕娓啄軌蛟诜浅５偷膲毫ο虏僮鳎蜏囟尾僮鲏毫Ψ秶?0.5 bar～0.5 bar，可以極大限度的降低濕端紙頁(yè)掉毛、掉粉、頻繁斷紙和干燥不均等缺陷。

尾汽流量控制技術(shù)與一般壓差控制不同，是由尾汽通過(guò)孔板兩側(cè)維持一個(gè)固定的壓力降所獲得，系統(tǒng)能在非常高或非常低的壓力下操作（0.5 bar～5 bar），而不會(huì)產(chǎn)生過(guò)量的尾汽，更對(duì)負(fù)荷變化提供快速的反饋，維持最佳的烘缸排水能力。在正常運(yùn)行或斷紙時(shí)，不向外界排放任何蒸汽，因而節(jié)省大量的蒸汽。

高效的汽水分離技術(shù)，分離效率達(dá)98%，使得尾汽中冷凝水含量非常低，是實(shí)現(xiàn)尾汽流量控制的重要條件。

蒸汽消耗為所有蒸汽系統(tǒng)中最低，1.20～1.25 kg蒸汽蒸發(fā)1 kg水，系統(tǒng)性能好。

可以使干燥部的維修大大降低，特別是在虹吸管和蒸汽接頭方面。

4 節(jié)能效果分析

4.1 節(jié)能效果

造紙車間年產(chǎn)6.8萬(wàn)t文化紙，根據(jù)紙機(jī)參數(shù)計(jì)算噸紙理論耗熱量，紙頁(yè)進(jìn)干燥部干度為38%，出干燥干度為94%，抄造損失率為3%，完成損失率為5%，熱泵系統(tǒng)單位能耗為1.25kg蒸汽蒸發(fā)1kg水。低壓過(guò)熱蒸汽熱量為2.752GJ/t汽，高壓過(guò)熱蒸汽熱量為2.776GJ/t，熱泵系統(tǒng)消耗低壓與高壓蒸汽比例為3：1，則噸成品紙需蒸發(fā)水量、耗熱量計(jì)算可得：

噸成品紙需蒸發(fā)水量＝(94%÷38%-1)×(1+3%)÷(1-5%)=1.598t

噸成品紙耗汽量＝1.598×1.25=1.998 t

噸成品紙耗熱量=1.998×(0.75×2.752+0.25×2.776)=5.51 GJ

根據(jù)以上計(jì)算得出：改造后單位產(chǎn)品在干燥部平均蒸汽能耗為5.51×109焦耳，考慮通風(fēng)、輔料制備等消耗蒸汽等，估算蒸汽能耗為0.79×109焦耳，即改造后單位成品平均能耗為6.3×109焦耳。2011年單位產(chǎn)品平均綜合能耗7.3×109焦耳。項(xiàng)目改造前后對(duì)比，噸成品紙節(jié)約熱能1.0×109焦耳（見表1）。

表1 改造前、后單位產(chǎn)品平均能耗對(duì)比表

4.2 經(jīng)濟(jì)效益

根據(jù)公司能源成本，1個(gè)×109焦耳成本約為50元價(jià)格，測(cè)算本項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)效益為，噸紙節(jié)約成本50元，年節(jié)約成本340萬(wàn)元。

5 結(jié)論

熱泵供熱系統(tǒng)，節(jié)能效果顯著，有資料顯示，采用熱泵技術(shù)替代三段通汽技術(shù)給紙機(jī)干燥部供熱，生產(chǎn)同一產(chǎn)品，單位產(chǎn)品能耗下降20%；

熱泵系統(tǒng)將烘缸分成幾個(gè)獨(dú)立的單元，二次蒸汽和未冷凝蒸汽在本單元內(nèi)循環(huán)，較易調(diào)節(jié)各段的烘缸溫度，建立最佳的干燥曲線；

熱泵控制系統(tǒng)可設(shè)置暖缸、斷紙降溫、自動(dòng)排空等功能自動(dòng)操作程序；

正確地選擇熱泵系統(tǒng)及合理的工藝設(shè)計(jì)，將會(huì)使熱泵在紙機(jī)干燥部發(fā)揮更好的作用，既可節(jié)能又能滿足改變車速、產(chǎn)品品種和紙頁(yè)定量等變化的需要。

[1]陳道彰.紙機(jī)干燥部提速改造策略.中華紙業(yè)，2001，（1）.

[2]何智偉.熱泵在紙機(jī)干燥部蒸汽-冷凝水系統(tǒng)的應(yīng)用（上）.湖南造紙，2003，（2）

[3]何智偉.熱泵在紙機(jī)干燥部蒸汽-冷凝水系統(tǒng)的應(yīng)用（下）.湖南造紙，2003，（4）

[4]上海費(fèi)奧多公司為該公司紙機(jī)蒸汽冷凝水改造項(xiàng)目提供的技術(shù)交流資料，2012.

2013-02-22