造紙真空系統(tǒng)中兩種常見的真空發(fā)生設備——水環(huán)真空泵和透平風機的綜合比較

陳首挺 廣東省佛山水泵廠有限公司廣東佛山(528000)

造紙真空系統(tǒng)中兩種常見的真空發(fā)生設備
——水環(huán)真空泵和透平風機的綜合比較

陳首挺 廣東省佛山水泵廠有限公司廣東佛山(528000)

水環(huán)真空泵和透平風機是現代造紙真空系統(tǒng)中最常見的兩種真空發(fā)生設備，通過比較兩者的發(fā)展歷史、工作原理、結構特征和在造紙真空系統(tǒng)的應用特點，總結兩者的優(yōu)點和缺點，希望能給造紙行業(yè)的相關技術人員選用真空發(fā)生設備時提供參考。

水環(huán)真空泵；透平風機；造紙真空系統(tǒng)

1 前言

水環(huán)真空泵是造紙真空系統(tǒng)最普遍使用的設備，為造紙行業(yè)技術人員所熟知。而透平風機在中國的造紙行業(yè)應用引入比較晚，從2007年才開始正式有投入使用，造紙行業(yè)的相關技術人員了解甚少，常被視為是“新技術”。事實上這兩種真空發(fā)生設備發(fā)明的時間非常接近，在造紙行業(yè)中使用都有較長的歷史。兩者各有優(yōu)劣，不能相互取代，故一直在造紙行業(yè)共存，在現有的技術條件下，水環(huán)真空泵更具優(yōu)勢，仍占據市場主導地位。

2 發(fā)展歷史的比較

水環(huán)真空泵分別于1903年由美國人Houis Nash和1905年由西門子公司在相互不了解的情況下發(fā)明出來[1]?，F時在中國造紙行業(yè)中常見的水環(huán)真空泵有幾種，其中2BE1系列和2BE3系列平板泵分別于上世紀70年代末和80年代由西門子公司設計制造[1]，CBF系列平板泵由廣東省佛山水泵廠有限公司于1999年設計制造；CL系列和904系列錐體泵分別于1962年和1984年由納氏公司研制[1]。水環(huán)真空泵在造紙真空系統(tǒng)有超過80年的應用歷史，世界上90%的造紙廠均采用水環(huán)真空泵組建真空系統(tǒng)[2]?，F時國內外都有大量生產用于造紙真空系統(tǒng)水環(huán)真空泵的廠家。

透平風機同樣出現在20世紀初，最初作為壓縮機使用。1900年由法國拉托廠首先制造出第一臺透平壓縮機[3]。瑞士的蘇爾壽公司從1903年開始研制透平壓縮機，是最早生產透平真空風機的廠家之一，2001年蘇爾壽公司并入德國曼集國，組建成現在的曼透平公司。曼透平公司是現時在中國能提供造紙真空泵系統(tǒng)用透平真空風機的主流廠家，該公司生產的透平風機在造紙真空系統(tǒng)有超過60年的應用歷史，主要有RC、RCL和RT三個系列的透平真空風機[4]。根據國外的造紙工藝教材介紹，美國德萊賽公司原來也生產用于造紙真空系統(tǒng)的透平風機[5]，但現在該公司已經不涉足該類應用。我國現有陜西鼓風機廠、沈陽鼓風機廠和上海鼓風機廠等多家生產透平風機的廠家，均不涉足造紙行業(yè)。

可見水環(huán)真空泵和透平風機起源于同一時期，在造紙真空系統(tǒng)中的應用都有較長的歷史，但水環(huán)真空泵在該領域得到蓬勃的發(fā)展，而透平風機在該領域發(fā)展滯緩。

3 工作原理的比較

水環(huán)真空泵的工作原理是：葉輪與泵體呈偏心配置，當葉輪旋轉時，水在離心力的作用下沿泵體內壁形成近乎等厚的旋轉水環(huán)，水環(huán)內表面與葉輪輪轂外表面構成月牙形的工作腔，并被葉輪葉片分割成大小不等的空腔。前半轉空腔的容積逐漸擴大，氣體從外界吸入；后半轉空腔的容積逐漸縮小，氣體被壓縮后排出外界。從而完成吸氣、壓縮、排氣三個工作階段[6]。通常在紙廠中使用的是單級水環(huán)真空泵，它可以提供全范圍的真空容量。

透平風機的工作原理是利用葉片和氣體的相互作用，葉輪高速轉動，提高氣體壓力和動能，并利用相繼的通流元件使氣流減速，將動能轉變?yōu)閴毫Φ奶岣?。通常使用多級組合壓縮獲得最終需要的壓力[3]。作為真空發(fā)生器使用時，排出的最終壓力為大氣壓，吸入壓力則為負壓。通常在紙廠中使用較多的是多級離心式透平風機，壓力逐級升高，各級均有吸入口，每個吸入口有不同的真空度。若使用單級的透平風機，則只能在單個較小的真空范圍內工作。

由于工作原理上不相同，要求有不相同的轉速，水環(huán)真空泵要求的工作轉速較低，一般的葉輪線速度為14～24m/s[6]，透平風機要求的工作轉速較高，一般葉輪線速度為300～500m/s[3]，是水環(huán)真空泵的二十倍以上。由于氣體在水環(huán)真空泵內的流速較低，并且會被水環(huán)泵內的水冷卻，因此吸入與排出的氣體溫度近乎不變。而氣體在透平風機內的流速很高，由于摩擦和壓縮均產生熱量會讓氣體溫度急劇升高，往往需要在中間級增加冷卻裝置。透平風機為干式真空發(fā)生設備，相比需要帶動水環(huán)工作的水環(huán)真空泵，效率會更高一些，但是這樣的干式真空設備對于水比較敏感，較多水進入到透平風機內可能會直接導致其損壞。此外，當吸入流量小于透平風機的設計值時，氣流可能脫離風機的葉片，出現旋轉失速的現象[3]。隨著失速的產生和發(fā)展，可能出現另一種不穩(wěn)定工況現象，風機的氣體流量和排氣壓力周期性地低頻率、大振幅波動，引起機器的強烈振動，這種現象稱為透平風機的喘振[3]。

4 結構特征的比較

水環(huán)真空泵一般為單級葉片，如圖1所示，結構簡單，葉輪與泵體之間通過工作水密封，沒有剛性機械接觸，可抽吸含水份或粉塵的氣體。由于工作轉速較低，工作負荷不大，只需使用最簡單的滾子軸承結構。

圖1 單級平板水環(huán)真空泵剖面圖

圖2 多級透平風機剖面圖

透平風機常采用多級葉輪的結構，如圖2所示，結構比較復雜，葉輪的前后需帶隔板，葉輪與隔板之間需加裝特殊的密封裝置。為了防止失速和喘振，還需設有回流的導葉和防喘裝置。由于高速運轉，對軸承的要求較高，一般采用油膜滑動軸承，有時會采用磁懸浮或氣體軸承[3]。相比水環(huán)真空泵，透平風機雖然顯得比較高級，但結構復雜，各零件的強度和加工精度都要求較高，生產成本大，可產生故障點多，使用和維護都比較困難。此外，在運行過程中，由于透平機內溫度較高，各零件容易變形造成設備卡死或振動加大的現象。

5 在造紙真空系統(tǒng)的應用特點比較

現代的紙機都是利用真空幫助紙頁脫水的，因此真空系統(tǒng)是一臺紙機的重要組成部分。一臺紙機上有多個真空度要求不相同的真空元件需要連接到真空系統(tǒng)。如果選用水環(huán)真空泵組建真空系統(tǒng)，往往把一些真空度相近點合并后，根據不同的真空度選用多臺水環(huán)真空泵來組建真空系統(tǒng)。如果選用透平風機組建真空系統(tǒng)，則只需一臺或兩三臺透平風機，則可以組建較大型紙機的真空系統(tǒng)。兩者相比，用透平風機的集成度較高，比較節(jié)省安裝空間；而使用水環(huán)真空泵的獨立性較好，不同的真空泵之間不會產生相互干擾或連鎖反應。

若選用透平風機，當局部真空元件實際運行的通氣流量偏小時，透平風機可能出現失速或喘振的現象[3,7]，而當局部真空元件實際運行的通氣流量偏大時，多級透平風機又會因為各級之間相聯(lián)，會出現整機真空度偏低的現象，嚴重時還會造成透平風機性能急劇下降，出現“阻塞”工況[3]。因此，透平風機在真空系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性較差，往往會造成產紙質量的下降或斷紙等不良現象。此外，集成度高會造成單臺透平風機的功率過大，給工廠電網和起動設備帶來不小困難。若使用水環(huán)真空泵，即使某些紙機真空元件實際運行參數出現偏小或偏大的情況，只會造成相應水環(huán)真空泵真空度出現相應偏移的現象，不會造成整體較大的負面影響。若個別真空泵出現問題，需要維修或更換也比較容易操作。

由于氣體挾帶的水份或其他異物進入高速運動的透平風機可能會對其造成致命的損害，因此透平風機吸入口前必須有大型的水泥或全不銹鋼結構氣水分離室，把氣流速度控制在3m/s以內[5,7]，為防止水泥脫落，以用全不銹鋼結構的氣水分離室為佳，這種分離室的制造成本較大。此外，高速運轉透平風機噪音較大，還需要建造消音的機房隔音[7]。故透平風機投入使用需要的輔助設備成本較大。如果使用水環(huán)真空泵，也需要在水環(huán)真空泵前安裝小型的前置氣水分離器，其作用是防止纖維含量較多的水串入水環(huán)真空泵的循環(huán)水系統(tǒng)中影響水質，同時防止過多的水流入水環(huán)真空泵造成軸功率過大的現象，要求并不嚴格，制造成本較低。

透平風機的優(yōu)點是機械效率較高，可節(jié)約設備能耗。可以看一下實例，比如廣州紙業(yè)2007年投產40萬噸新聞紙項目，真空系統(tǒng)要求總氣量約為6800m/min，采用了三臺透平風機，總裝機功率為6550kW[7]。如果選用最新的CBF系列水環(huán)真空泵，需要13臺真空泵，總裝機功率為7005kW，總裝機功率相差7%左右。如果是加大真空泵的氣量余量或者是選一些性能相對差一點的真空泵，總裝機功率相差會在10%～25%左右，有一定的節(jié)能效果。此外，透平風機的排氣溫度較高，一般為120～180℃，熱量可回收用于紙機白水和空氣系統(tǒng)的加熱[3,7]。而且透平風機不需要使用水作為工作液，可以節(jié)約用水。

值得注意的是兩者能耗差并非兩者的設計機械效率差，那是因為造紙真空系統(tǒng)抽吸的是濕空氣，如果選用水環(huán)真空泵，由于溫度較高的濕空氣進入到水環(huán)真空泵內會被泵內的水冷凝而體積減小，水環(huán)真空泵的性能相當于得到提高；如果選用透平風機，溫度較高的濕空氣進入到透平風機溫度會進一步升高，氣體膨脹而會對透平風機的性能造成負面影響。透平風機獲得熱回收的同時，也造成了其內部的高溫工作環(huán)境，會增加透平風機零件變形而產生故障的風險。水環(huán)真空泵雖然要以水為工作液，但一般都是循環(huán)使用的，水的實際損耗量不會很大。此外，由于透平風機工作的不穩(wěn)定，容易造成產品質量不穩(wěn)定而需重復生產，造成其他能源的浪費。

5 總結

盡管透平風機在設備能耗、熱回收和節(jié)約水方面相比水環(huán)真空泵更具優(yōu)勢，但結構復雜、故障率高、投產成本大，在使用維護的可操作性、工作的可靠性和組建真空系統(tǒng)的穩(wěn)定性方面遠不及水環(huán)真空泵。如果使用透平風機，出現產紙質量下降或者損紙較多的現象，顧此失彼，事實上是更大的能源浪費。因此，在現有的技術條件下，水環(huán)真空泵的綜合使用性能更勝一籌，故在造紙行業(yè)中占據主導地位。

[1]任德高.水環(huán)真空泵的發(fā)展簡史[J].真空與低溫，1984（1）：64～65.

[2]車彩霞.西門子Elmo-F液環(huán)真空泵及其應用[J].中華紙業(yè)，2000（1）：36～37.

[3]黃鐘岳，王曉放.透平式壓縮機[M].北京：化學工業(yè)出版社，2004

[4]Turbair vacuum systems for paper industries[EB/OL].http://www.mandieselturbo.com.

[5]B·A·紹帕.最新紙機抄造工藝 [M].曹邦威譯.北京：中國輕工業(yè)出版社，1999.

[6]任德高.水環(huán)泵[M].北京：機械工業(yè)出版社，1982.

[7]彭志軍.透平風機在紙機真空系統(tǒng)的應用 [J].中華紙業(yè)，2009（12）：80～81.

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2012-10-16

陳首挺（1982-），男，廣東佛山市人，工學學士，機械設計工程師，主要從事水環(huán)泵在造紙行業(yè)的應用研究和相關產品的設計工作。