6號(hào)紙機(jī)真空系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李云澤

（南紙股份有限公司技術(shù)中心, 福建 南平 353000）

6號(hào)紙機(jī)真空系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李云澤

（南紙股份有限公司技術(shù)中心, 福建 南平 353000）

現(xiàn)代造紙機(jī)對(duì)真空技術(shù)的應(yīng)用是非常重要的。在生產(chǎn)過(guò)程中選擇高效、低能耗的真空泵能有效地脫除紙漿的空氣，脫除紙頁(yè)的水分，降低能耗，提高車速，確保產(chǎn)品質(zhì)量，都是不可缺少的。

紙機(jī)真空泵 真空系統(tǒng)設(shè)計(jì)

造紙生產(chǎn)過(guò)程中真空技術(shù)的應(yīng)用十分重要。在高速紙機(jī)上漿系統(tǒng)中利用真空脫除漿料中的空氣，對(duì)改善成型均勻度效果顯著；在網(wǎng)部和壓榨部可利用真空脫除紙頁(yè)和毛布水分，是完成紙頁(yè)成型的關(guān)鍵因素之一，對(duì)提高紙頁(yè)干度，順利引紙也有重要作用；在干燥部利用真空技術(shù)形成適當(dāng)壓差能有效提高烘缸部干燥能力。因此，真空技術(shù)的正確應(yīng)用，已成為造紙生產(chǎn)過(guò)程中的重要環(huán)節(jié)[1]。就南紙6號(hào)紙機(jī)真空系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，談?wù)劶垯C(jī)真空系統(tǒng)中真空泵的選型、工藝設(shè)計(jì)[2]。

1 真空泵的選型

1.1 真空泵的類型

造紙廠使用的真空泵主要有兩種：羅茨真空泵和水環(huán)式真空泵，都屬濕式真空泵，只能產(chǎn)生85%～90%的真空度。

（1）羅茨真空泵：目前國(guó)內(nèi)用于造紙行業(yè)的羅茨真空泵主要以ZBK系列為代表。它具有體積小、重量輕、節(jié)能顯著等優(yōu)點(diǎn)。缺點(diǎn)主要為：

①泵的轉(zhuǎn)子易磨損使泵的效率下降。

②泵的抽吸量小。

③泵所能達(dá)到的真空度較低，在1.33～53.3 kPa真空度下可以正常使用，當(dāng)真空度超過(guò)53.3 kPa時(shí)，效率急劇下降。因此羅茨真空泵使用具有一定的局限性，僅用于小型紙機(jī)中。

（2）水環(huán)式真空泵：水環(huán)式真空泵具有結(jié)構(gòu)緊湊、易維護(hù)等特點(diǎn)。由于轉(zhuǎn)動(dòng)部分沒(méi)有機(jī)械摩擦，故使用壽命較長(zhǎng)，操作可靠，并具有在大抽吸量的情況下效率下降不多等優(yōu)點(diǎn)。缺點(diǎn)是：效率低，約在50%左右。水環(huán)式真空泵被廣泛地應(yīng)用于大中型造紙廠。

各廠家生產(chǎn)的水環(huán)式真空泵產(chǎn)生真空的原理都一樣，但內(nèi)部結(jié)構(gòu)不盡相同，使得各種真空泵的能耗和效率有一定的差別。

1.2 水環(huán)式真空泵選型

（1）結(jié)構(gòu)。NASH真空泵的結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單。由于采用錐管進(jìn)氣和排氣的專利技術(shù)，使得NASH真空泵體積小，抽氣量大，并有側(cè)向和向下排氣口，方便用戶安裝，其904系列真空泵專為造紙?jiān)O(shè)計(jì)生產(chǎn)的。西門子2BE系列真空泵，則采用了最新的發(fā)明“柔性艙門板”結(jié)構(gòu)，可隨抽氣量的變化自動(dòng)調(diào)節(jié)排氣口的開度，保證真空度穩(wěn)定，并有向上和側(cè)向排氣口。伏伊特真空泵是較普通的真空泵，有側(cè)向及向下排氣口。佛山、武漢生產(chǎn)的水泵CBF系列真空泵系引進(jìn)西門子20世紀(jì)80年代的技術(shù)。

（2）材質(zhì)。用于造紙工業(yè)的真空泵的殼體和轉(zhuǎn)子必須采用鑄鐵制造，NASH系列真空泵的所有過(guò)流部件均采用球墨鑄鐵制造，耐酸堿的腐蝕。西門子CBF系列真空泵采用鑄鐵制造，并在過(guò)流件表面涂有耐腐蝕的高分子化合物涂料。伏伊特真空泵、佛山、武漢2BE1系列真空泵也采用鑄鐵制造。NASH系列真空泵和西門子CBF系列真空泵的材質(zhì)較好，能適應(yīng)造紙過(guò)程中低pH值條件下運(yùn)行。

（3）能耗。真空泵能耗計(jì)算公式：

能氣比＝動(dòng)能消耗（kW）/ 抽氣量（m3/min）

若能氣比等于或者小于1，則說(shuō)明該真空泵性能優(yōu)良、能氣低。通過(guò)對(duì)掌握的數(shù)據(jù)和資料的分析：NASH真空泵能氣比在0.9～1之間，節(jié)能效果最佳。西門子CBF真空泵在1.0～1.1之間，效果較差。

（4）維護(hù)。由于NASH、佛山真空泵采用SKF軸承，可保證真空泵連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)15年以上。其中NASH真空泵維護(hù)方便、CBF真空泵維護(hù)較復(fù)雜。

綜上四點(diǎn)比較，NASH系列真空泵性能最佳，佛山CBF系列次之，在資金許可的條件下，首選NASH真空泵。國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的真空泵則首選CBF系列。

2 真空泵傳動(dòng)形式的選擇

絕大多數(shù)紙機(jī)真空系統(tǒng)的真空泵是由異步和同步電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)的。真空泵的傳動(dòng)形式主要有4種：電機(jī)直聯(lián)傳動(dòng)； 同步電機(jī)傳動(dòng)；齒輪減速傳動(dòng)；V形皮帶傳動(dòng)。有時(shí)由買方自己配傳動(dòng)時(shí)，應(yīng)注意各種傳動(dòng)形式的優(yōu)缺點(diǎn)。

（1）電機(jī)直聯(lián)傳動(dòng)。僅用于單臺(tái)小型水環(huán)式真空泵的傳動(dòng)。缺點(diǎn)：泵轉(zhuǎn)速較高，使得其效率較低。

（2）同步電機(jī)串聯(lián)傳動(dòng)。在北美和歐洲大型紙機(jī)的水環(huán)式真空泵常采用該形式傳動(dòng)。優(yōu)點(diǎn)：真空泵傳動(dòng)故障較少，減少停機(jī)時(shí)間。

（3） V形皮帶傳動(dòng)。優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易維護(hù)。如果需要調(diào)整真空泵和抽吸量，只要改變皮帶輪直徑即可。缺點(diǎn)：國(guó)產(chǎn)V形皮帶公差較大，易造成皮帶磨損。

（4）齒輪箱傳動(dòng)。多用于大型水環(huán)式真空泵，其傳遞功率效率高。缺點(diǎn)：配潤(rùn)滑油系統(tǒng)，設(shè)備一次性投資較大，不能象皮帶傳動(dòng)那樣簡(jiǎn)便地調(diào)整真空泵轉(zhuǎn)速。

3 現(xiàn)代紙機(jī)真空系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

現(xiàn)代紙機(jī)真空系統(tǒng)包含了紙機(jī)真空系統(tǒng)和真空泵水環(huán)水回收系統(tǒng)兩個(gè)部分。紙機(jī)真空系統(tǒng)由真空泵、氣水分離器、水泵、集水坑等設(shè)備和工藝管道組成。真空泵水環(huán)水回收系統(tǒng)則包含水的回收和熱回收兩個(gè)方面，大多數(shù)工廠只有水的回收，該系統(tǒng)主要由泵、過(guò)濾篩、冷卻塔、換熱器等設(shè)備組成?，F(xiàn)代紙機(jī)真空系統(tǒng)的自控部分可并入DCS系統(tǒng)。

3.1 基本特點(diǎn)

現(xiàn)代紙機(jī)需要的是一整套運(yùn)行可靠性、靈活性好，而且對(duì)環(huán)境影響最小的真空系統(tǒng)。要實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)必須有以下特點(diǎn)[3]：

（1）真空泵要耐腐蝕，耐磨損，能耗低，并保證真空泵的性能多年不變。

（2）真空泵在真空分配上要做到各個(gè)吸點(diǎn)的真空相對(duì)獨(dú)立互不影響。例如在毛布洗滌區(qū)里，每條毛布的脫水是按運(yùn)行時(shí)間和透氣性，并按所要求的抽吸量和真空度進(jìn)行的，不受其他毛布工藝狀況的影響，以實(shí)現(xiàn)毛布最佳洗滌效果。

（3）通過(guò)排氣管道內(nèi)的消音器控制噪聲。

（4）部分抽吸點(diǎn)要求9.81 ～ 19.62 kPa真空度，可選用徑流風(fēng)機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

（5）真空泵要集中布置，泵下設(shè)置排水溝和集水坑，便于水環(huán)水的回收利用。

（6）配置一套冷卻塔和過(guò)濾器進(jìn)行水環(huán)水利用，以節(jié)約清水用量。配置一套好的水環(huán)水回收系統(tǒng)，只需補(bǔ)充10%的清水，就可維持真空系統(tǒng)正常運(yùn)行。

3.2 設(shè)備布置

近年來(lái)隨著世界各國(guó)大型紙機(jī)的相繼投產(chǎn)，出現(xiàn)了不同的真空系統(tǒng)布置方式。真空系統(tǒng)設(shè)備布置的好壞，直接影響到真空系統(tǒng)的運(yùn)行和維護(hù)。目前已不再將真空泵分散于車間內(nèi)，而代之以獨(dú)立的真空泵房。以下為真空系統(tǒng)設(shè)備布置的特點(diǎn)：

（1）目前最佳的真空泵布置方案是“一”字形配列方式。對(duì)紙機(jī)改造則另當(dāng)別論。

（2）要有一間獨(dú)立的真空泵房，并采用一定的隔音措施。要配備檢修真空泵和電機(jī)的手動(dòng)單軌行車。

（3）真空泵采用“一”字形排列方式，可在泵下設(shè)一條排水溝和集水坑（關(guān)于排水溝和集水坑的設(shè)計(jì)將在第4部分說(shuō)明）。

（4）真空泵水環(huán)水的冷卻塔，可置于離真空泵2.5～7.0 m高的地方。采用這種安排，所有真空泵都能工作于一個(gè)公共的循環(huán)系統(tǒng)上，因?yàn)樗鲃?dòng)是通過(guò)位差來(lái)產(chǎn)生的，所以可以節(jié)約水泵、控制閥和儀表。

3.3 管道設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)真空系統(tǒng)時(shí)，真空管道的設(shè)計(jì)與真空泵的選擇同樣重要。許多真空系統(tǒng)由于優(yōu)化了真空管道的設(shè)計(jì)而得到改善。在設(shè)計(jì)真空管道時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

（1）紙機(jī)真空抽吸點(diǎn)至真空泵吸口的管道應(yīng)盡可能地短，并且盡可能減少?gòu)濐^和其他管件，以減少管道阻力損失。通常每條管道中真空度損失不超過(guò)3.4～6.8 kPa。

（2）真空管道沿介質(zhì)順流方向坡度不小于0.2%。在管道布置時(shí)避免出現(xiàn)“U”管道，因?yàn)樵凇癠”管段中容易積水，會(huì)對(duì)真空泵產(chǎn)生沖擊，使得真空泵負(fù)載增大。

（3）在紙機(jī)真空管道設(shè)計(jì)中氣體流速通常選用：在氣水分離器前的真空管道中氣體流速不得超過(guò)18 m/s。

（5）氣水分離器水腿管的高度應(yīng)在真空點(diǎn)的真空度（kPa）下加上1 m水柱的余量。水腿管道應(yīng)盡量垂直，如果無(wú)法垂直，則水腿與垂線的傾斜不得超過(guò)45°。同時(shí)用于水腿管密封的水封槽容積至少是水腿管容積的2倍，以防止開機(jī)時(shí)槽中水被抽空。

（6）真空泵采用一排布置時(shí)，真空泵上方可設(shè)計(jì)一條真空總管，根據(jù)要求將真空總管用盲板分隔。有的多設(shè)一條輔助真空總管，以提高紙機(jī)操作的靈活性。

（7）關(guān)于真空泵水環(huán)水管道的設(shè)計(jì)：真空泵水環(huán)水的溫度正常在25～30 ℃之間（夏季）。每臺(tái)泵水環(huán)水分支管道上安裝流量計(jì)，通常選用玻璃管轉(zhuǎn)子流量計(jì)來(lái)控制水環(huán)水用量。在管道設(shè)計(jì)上可采用NASH泵的做法，在水環(huán)水進(jìn)泵體的管道上安裝一個(gè)限流孔板（孔板直徑在12～22 mm），并將其余的水環(huán)水用支管引入泵口噴入，這樣可以降低進(jìn)泵氣體的溫度，既可保證進(jìn)入水環(huán)水量，又能降低真空泵的能耗。

（8）真空系統(tǒng)的進(jìn)氣管道運(yùn)行背壓不超過(guò)6.86 kPa。如果超過(guò)6.86 kPa，應(yīng)將一些真空泵的排氣管拆掉，另接單個(gè)分離槽。

（9）真空管道通常用壁厚2～3 mm不銹鋼管，在較高的真空度下使用時(shí)，要采取一些加強(qiáng)措施，防止真空管道被抽扁。

（10）在真空泵的進(jìn)口處應(yīng)設(shè)計(jì)DN150的檢查手孔，并在吸口法蘭處安裝不銹鋼絲網(wǎng)（孔徑Φ550μm），可防止開機(jī)時(shí)，鐵塊、焊渣進(jìn)入泵體造成損壞。通常鐵絲網(wǎng)在運(yùn)行一周后取下。

（11）關(guān)于氣水分離器的設(shè)置問(wèn)題：如果真空泵的高度能滿足設(shè)置水腿的要求，則分離器要避免用抽液泵抽水，因?yàn)槌橐罕霉ぷ鞑环€(wěn)定時(shí)會(huì)影響真空系統(tǒng)的穩(wěn)定。紙機(jī)下毛布真空吸水箱最好設(shè)置氣水分離器和抽液泵（特種泵），因?yàn)橥ǔＯ旅嘉湮恢玫陀? m。

（12）真空泵、風(fēng)機(jī)等真空設(shè)備的進(jìn)口處，可安裝橡膠撓性接管，一方面可改善管道安裝對(duì)中問(wèn)題和由冷熱引起的收縮和膨脹，另一方面可防止真空泵振動(dòng)傳遞到紙機(jī)上。

而跟追糾纏行為成立要件中，最無(wú)爭(zhēng)執(zhí)之處應(yīng)為客觀上行為具有“重復(fù)、持續(xù)”實(shí)施之特性⑤實(shí)然，行為之重復(fù)實(shí)施特性尚必須對(duì)他人權(quán)利行使造成影響、社會(huì)大眾普遍難以忍受，以免株連過(guò)廣。，此亦屬于跟追糾纏行為之所以應(yīng)加以防制的原因，藉以排除僅屬于單一的人際互動(dòng)行為。至于行為對(duì)于被害人造成生理、心理健康，社會(huì)互動(dòng)及經(jīng)濟(jì)層面之影響，自可由醫(yī)學(xué)方式證明，或自客觀事實(shí)舉證。但是否必須納入行為人主觀意欲、動(dòng)機(jī)或意圖作為成立要件的認(rèn)定，本文認(rèn)為，基于舉證不易，而且實(shí)際上難以客觀判斷，在無(wú)法判定主觀要件下反而容易導(dǎo)致防制上的漏洞。故在此本文不建議將主觀要件納入跟追糾纏行為之成立要件中。

（13）當(dāng)兩個(gè)或兩個(gè)以上的真空度不通的真空點(diǎn)合并用一臺(tái)泵時(shí)，其抽吸量不是簡(jiǎn)單地相加，而應(yīng)根據(jù)P1V1=P2V2公式計(jì)算，將低真空的抽吸量換算成高真空的抽吸量之后相加。

4 排水溝和集水坑的設(shè)計(jì)

在最新的大型紙機(jī)中，紙機(jī)真空系統(tǒng)無(wú)一例外地配置了排水溝和集水坑。真空泵布置在排水溝上，泵基礎(chǔ)板作水溝蓋板。當(dāng)真空泵排出的水氣通過(guò)排水溝時(shí)，是以高速蒸汽流的形式存在。在排水溝端部的擋水板處，氣體流速下降，水從空氣中分離出來(lái)，用水泵排出集水坑，空氣通過(guò)排氣口排到大氣中。下面介紹排水溝和集水坑的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，見(jiàn)圖1。

圖1 排水溝、集水坑的設(shè)計(jì)

（1）要注意真空泵的布置順序，高壓真空泵應(yīng)布置在排水溝的盡頭，低壓真空泵布置在集水坑的盡頭，防止低壓真空泵產(chǎn)生背壓。

（2）排水溝和集水坑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)根據(jù)選用的氣體流速。

（3）排水溝底面坡度為4%，排水溝內(nèi)壁應(yīng)貼瓷磚。

（4）集水坑內(nèi)設(shè)置一塊傾角為60°的擋水板，材質(zhì)可以是不銹鋼或混凝土，其作用是分離水和氣體。集水坑內(nèi)壁應(yīng)貼瓷磚。

（5） 集水坑的形狀和容積直接影響氣水分離的效果，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)嚴(yán)格按流速要求計(jì)算。圖1中的數(shù)據(jù)供設(shè)計(jì)時(shí)參考。

（6）集水坑的排水泵宜選用自吸式不銹鋼離心泵。

5 水環(huán)水回收系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

在真空系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，因水蒸氣冷凝、氣體壓縮和效率損失而產(chǎn)生熱量必須不斷地從系統(tǒng)中排出，這些熱量是由真空泵排出的氣體和水帶走，因此，收集的水環(huán)水溫度在40～50℃之間，回用于真空泵的水環(huán)水要求不低于30℃，才能保證真空系統(tǒng)效率穩(wěn)定。收集水環(huán)水的最佳方法是配置排水溝和集水坑，經(jīng)收集的水環(huán)水由泵抽提至冷卻塔或經(jīng)過(guò)熱交換回收熱能。冷卻后的水環(huán)水再由曲面篩過(guò)濾或澄清器冷凝后送至紙機(jī)各系統(tǒng)的需求點(diǎn)。

真空泵水環(huán)水回收系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

（1）冷卻塔布置在離泵2.5～7.0 m高的位置上。

（2）冷卻塔應(yīng)帶有兩種速度的電機(jī)，可在夏季和冬季調(diào)整運(yùn)行狀況。

（3）在給水泵停機(jī)時(shí)，冷卻塔的水都排至水槽，防止冬季停機(jī)期間冷卻塔凍結(jié)，并便于檢查和清洗。

（4）冷卻塔的回流管應(yīng)設(shè)置溫度開關(guān)，用于調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)速度，從而調(diào)節(jié)冷卻塔的運(yùn)行狀態(tài)、避免冬天凍結(jié)。

（5）過(guò)濾設(shè)備選用曲面篩（篩縫0.1 mm）。

（6）在高寒地區(qū)回水管要保溫。

6 6號(hào)紙機(jī)真空系統(tǒng)設(shè)計(jì)

南紙第四抄紙車間6號(hào)文化紙機(jī)，運(yùn)行設(shè)計(jì)車速1 400 m/min，定量76.1 g/m2，年產(chǎn)文化紙25萬(wàn)t。目前車速穩(wěn)定到1 200 m/min，向設(shè)計(jì)車速靠近。產(chǎn)品質(zhì)量達(dá)到工藝操造要求，成紙質(zhì)量穩(wěn)定，已陸續(xù)生產(chǎn)出80 g/m2雙膠紙、80 g/m2靜電復(fù)印紙、70 g/m2雙膠紙、70 g/m2靜電復(fù)印紙、45 g/m2無(wú)碳復(fù)寫原紙等多種文化用紙。

6.1 真空點(diǎn)參數(shù)

6號(hào)紙機(jī)各部真空點(diǎn)設(shè)計(jì)參數(shù)[4-7]，見(jiàn)表1。

表1 6號(hào)紙機(jī)各部真空點(diǎn)設(shè)計(jì)參數(shù)

6.2 真空泵選擇

根據(jù)紙機(jī)真空系統(tǒng)要求，真空泵設(shè)備配置方案為：佛山水泵廠的真空泵9臺(tái)，均采用西門子技術(shù)改進(jìn)的CBF系列真空泵；使用SKF軸承和SEW齒輪箱傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，基本達(dá)到真空度要求。真空泵總裝機(jī)容量2 880 kW。

6.3 真空系統(tǒng)設(shè)計(jì)

依據(jù)前面所述真空系統(tǒng)設(shè)計(jì)的原則和方法，按我廠實(shí)際情況設(shè)置獨(dú)立的真空泵房。真空泵采用“一”字型布置，設(shè)置排水溝和集水坑，合理布置真空泵使之不產(chǎn)生背壓，采用自吸式離心泵保證水環(huán)水的回收，并將回收的水環(huán)水送到過(guò)濾系統(tǒng)回用于紙機(jī)。真空管道的設(shè)計(jì)基本使各個(gè)抽吸點(diǎn)獨(dú)立，尤其是吸移輥、引紙毛布吸水箱和真空壓榨輥，做到真空點(diǎn)分配合理。采用真空總管分配方式，優(yōu)化真空設(shè)計(jì)管道，嚴(yán)格按真空管道和汽水分離器的流速要求計(jì)算，使整個(gè)系統(tǒng)排氣順暢。

【1】曹邦威．紙漿造紙工程大全[M]．北京:中國(guó)輕工業(yè)出版社,2001．

【2】王忠厚．制漿造紙工業(yè)積算手冊(cè)[M]．北京:中國(guó)輕工業(yè)出版社,1994．

【3】王繼常．真空系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M]．沈陽(yáng):東北大學(xué)出版社,2002．

【4】達(dá)道安．真空設(shè)計(jì)手冊(cè)[M]．三版．北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2006．

【5】董繼先,常治國(guó),黨睿,等．紙機(jī)熱泵及其供熱系統(tǒng)簡(jiǎn)介[J]．紙和造紙，2012(6):13-17．

【6】曹振國(guó),劉潤(rùn)之．熱泵控制系統(tǒng)在低速衛(wèi)生紙機(jī)上的應(yīng)用[J]．紙和造紙,2012(7):12-14．

【7】袁越錦,袁月定,黨新安,等．紙機(jī)干燥部蒸汽噴射式熱泵內(nèi)流體流動(dòng)的三維CFD模擬[J]．紙和造紙,2012(5):6-9．