從真空系統(tǒng)、刮刀及在線脫水測量協(xié)同角度探討紙機節(jié)能及系統(tǒng)優(yōu)化

楊鳳輝

(芬蘭蘭泰克系統(tǒng)有限公司，芬瀾造紙技術(shù)(上海)有限公司，上海，201203)

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·紙機節(jié)能·

從真空系統(tǒng)、刮刀及在線脫水測量協(xié)同角度探討紙機節(jié)能及系統(tǒng)優(yōu)化

楊鳳輝

(芬蘭蘭泰克系統(tǒng)有限公司，芬瀾造紙技術(shù)(上海)有限公司，上海，201203)

探討了紙機真空系統(tǒng)、刮刀和在線脫水測量對紙機能耗及運行性的影響。高效、可靠的刮刀和在線脫水測量為紙機在最優(yōu)真空度下運行創(chuàng)造條件，真空系統(tǒng)控制、刮刀及脫水在線測量三者協(xié)同作用，在優(yōu)化紙機脫水和真空系統(tǒng)能耗的同時，提高紙機系統(tǒng)運行性和效率。

真空系統(tǒng)；變速透平機；刮刀；在線脫水測量；節(jié)能；紙機運行性

(E-mail: yang.fenghui@runtech.fi)

在競爭日益激烈的造紙行業(yè)，最大化節(jié)能和提高紙機運行性，從而降低單位成本，是越來越多的造紙企業(yè)都在追求的目標(biāo)[1-2]。而過去乃至現(xiàn)在還有很多的造紙企業(yè)，僅從設(shè)備改造、升級的角度出發(fā)，可能從單方面的角度看，降低了部分能耗或成本。但很多時候，由于引進(jìn)新設(shè)備，改造成本較高，而且可能給紙機系統(tǒng)穩(wěn)定性或運行性造成不利的影響，從而導(dǎo)致單方面的所謂節(jié)能降耗項目反而導(dǎo)致了紙機系統(tǒng)運行性和穩(wěn)定性的降低，導(dǎo)致單位成本沒有下降甚至反而增加的情況時有發(fā)生。所以，筆者認(rèn)為不管是新紙機還是改造項目，都有必要從系統(tǒng)角度出發(fā)進(jìn)行分析。

最近一兩年來，越來越多的紙機真空系統(tǒng)從傳統(tǒng)的水環(huán)泵技術(shù)改用透平機技術(shù)。本研究從紙機真空系統(tǒng)、脫水刮刀及脫水在線測量的角度，來探討紙機節(jié)能和系統(tǒng)優(yōu)化。

1 真空度及脫水問題分析及應(yīng)對策略

目前造紙行業(yè)中，紙機壓榨部真空系統(tǒng)能耗高及脫水效果差是困擾紙機運行穩(wěn)定性及產(chǎn)生高電耗的最重要因素之一。就真空系統(tǒng)而言，大多數(shù)造紙生產(chǎn)者認(rèn)為，高真空度有利于紙幅網(wǎng)部、壓榨部脫水而忽略了過高真空度帶來的負(fù)面影響，如成形網(wǎng)和毛布磨損過快、壓榨部紙幅回濕、傳動負(fù)載高等。 Juha K等人[3]通過實際紙機測試證明了高真空度并不等同于更好的脫水或更高的產(chǎn)能。

圖1 水環(huán)泵、定速透平機及變速透平機運行曲線

在真空系統(tǒng)配置方面，目前大多數(shù)紙機真空系統(tǒng)的配置是傳統(tǒng)的水環(huán)真空泵或定速透平機，傳統(tǒng)的水環(huán)泵和定速透平機在真空和抽氣量調(diào)節(jié)方面受到限制[4]，如無法靈活地根據(jù)紙機不同生產(chǎn)狀況下的真空度需求而變化，造成真空系統(tǒng)的能源浪費等，如圖1所示。同時，傳統(tǒng)的真空系統(tǒng)配置運行效率低，增加了紙機真空系統(tǒng)運行成本。

圖3 Ecoflow在線脫水測量系統(tǒng)

圖4 蘭泰克公司用于溝紋輥及盲孔輥的Air Blade空氣刮刀

采用變頻透平真空系統(tǒng)時(如圖2所示)，根據(jù)紙機不同運行條件設(shè)定透平機的轉(zhuǎn)速來滿足紙機不同工況下動態(tài)的抽氣量和真空度需求。相比傳統(tǒng)水環(huán)泵和定速透平機，如采用變頻透平機真空系統(tǒng)，可為紙機真空系統(tǒng)節(jié)能30%～70%。

目前，絕大多數(shù)紙機都沒有配備準(zhǔn)確、可靠的網(wǎng)部和壓榨部脫水計量系統(tǒng)，少數(shù)紙機配備的是傳統(tǒng)的電磁式流量計，而電磁式流量計往往由于受到測量條件的限制無法準(zhǔn)確反映實際脫水量，也就無法為真空度調(diào)節(jié)提供真實有效的依據(jù)。

圖2 蘭泰克公司EP500-D1變頻透平機

據(jù)筆者了解，國際市場上現(xiàn)在已有對紙機脫水進(jìn)行在線實時測量的系統(tǒng)，比如芬蘭蘭泰克公司的Ecoflow在線脫水測量系統(tǒng)(見圖3)。其采用重力原理巧妙測量紙機各關(guān)鍵脫水點的脫水量，相比傳統(tǒng)的電磁式流量計，Ecoflow能最大限度地避免水中氣泡、纖維以及其他因素對測量結(jié)果準(zhǔn)確性的影響，從而顯著提高脫水測量準(zhǔn)確性。通過對關(guān)鍵脫水點的精確測量，使用Ecoflow作為輔助工具來調(diào)節(jié)紙機關(guān)鍵脫水點的真空度，可達(dá)到最佳真空控制的效果。迄今為止，對Ecoflow這一確立紙機在線脫水測量新的全球行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)，全球不同造紙企業(yè)已成功應(yīng)用上萬套。

刮刀與接水盤的主要作用是最大限度地刮除和接收壓榨部脫除的水，減少毛毯和紙幅的回濕。所以，高效、可靠的刮刀和接水盤對紙機脫水的重要性是不言而喻的。傳統(tǒng)刮刀在應(yīng)用于溝紋或盲孔輥時，都無法有效去除溝紋或盲孔內(nèi)的水及臟物，而芬蘭蘭泰克公司AirBlade空氣刮刀技術(shù)(見圖4)，借助壓縮空氣的原理，從根本上解決溝紋輥或盲孔輥脫水效率低以及紙幅回濕等問題，極大提高壓榨部脫水效率。

干燥部蒸汽消耗過高和紙機運行效率低的問題也困擾著很多造紙企業(yè)，最主要的原因為：紙幅出壓榨部干度低，容易造成斷紙和干燥部蒸汽消耗過高。當(dāng)刮刀和接水盤效果不佳時，則進(jìn)一步加劇了這一現(xiàn)象。刮刀性能差使得壓榨部脫除的水無法全部刮除，最終回到毛毯和造成紙幅回濕；接水盤效果差使得壓榨部脫除的水無法被全部收集，最終回到毛毯和紙幅，還會造成臟物在接水盤下表面積聚并最終掉落到毛毯上造成斷紙。所以，壓榨部脫水優(yōu)化是提高出壓榨部干度和提升紙機運行性的前提。

研究表明，提高出壓榨部干度有助于提高產(chǎn)率，如圖5所示。良好的刮刀和接水盤系統(tǒng)可改善壓榨部脫水，減少紙幅回濕，有效提高紙幅出壓榨部干度，從而實現(xiàn)能耗節(jié)約和產(chǎn)率提高。

圖5 出壓榨部干度和產(chǎn)率的關(guān)系

圖7 真空系統(tǒng)、刮刀及在線脫水測量對降低紙機能耗的協(xié)同作用

節(jié)能減排一直是造紙行業(yè)重要議題，隨著國家一系列政策的出臺，造紙行業(yè)節(jié)能減排勢在必行，在紙機真空系統(tǒng)方面，目前國內(nèi)大多數(shù)包裝紙噸紙能耗在80 kW左右(隨紙機產(chǎn)能和紙張定量等變化而變化)，衛(wèi)生紙噸紙能耗在150 kW左右(隨紙機產(chǎn)能和紙張定量等變化而變化)。采用蘭泰克系統(tǒng)優(yōu)化后，最佳應(yīng)用案例為：紙板真空系統(tǒng)噸紙能耗為30～40 kW，衛(wèi)生紙噸紙能耗約為90 kW。紙板和衛(wèi)生紙噸紙能耗見圖6。

圖6 紙板和衛(wèi)生紙噸紙能耗行業(yè)對標(biāo)

2 紙機真空系統(tǒng)及脫水優(yōu)化

以芬蘭蘭泰克系統(tǒng)優(yōu)化為例，真空系統(tǒng)采用變頻控制，可根據(jù)紙機不同運行條件設(shè)定透平機的轉(zhuǎn)速來滿足紙機不同工況下動態(tài)的抽氣量和真空度需求，刮刀與接水盤可最大限度接收和脫除壓榨部脫除的水，降低毛毯和紙幅回濕。在線脫水測量系統(tǒng)提供實時及準(zhǔn)確的脫水?dāng)?shù)據(jù)，作為輔助工具用來調(diào)節(jié)紙機關(guān)鍵脫水點的真空度。真空系統(tǒng)、刮刀(和接水盤)及在線脫水測量三者協(xié)同作用，達(dá)到在紙機運行性最大化的同時，使真空系統(tǒng)能耗最小化的效果。三者結(jié)合對紙機進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化的關(guān)系如圖7所示。

圖8 毛布吸水箱真空度對壓榨部脫水量的影響

圖8所示為利用Ecoflow在線脫水測量的毛布吸水箱真空度對壓榨部脫水量的影響，表明了如何優(yōu)化可獲得最佳。紙機壓榨部的脫水量是毛布吸水箱脫水和壓榨區(qū)脫水的總和，它們的脫水量可通過測量毛布吸水箱汽水分離器水腿及壓榨區(qū)接水盤脫水量獲得。從圖8中可以看出，隨著真空度的提高，毛布吸水箱的脫水量呈現(xiàn)上升趨勢，而接水盤的脫水量卻逐漸降低，總脫水量也呈現(xiàn)出逐漸下降的趨勢。當(dāng)毛布吸水箱真空度為-28 kPa時，總脫水量達(dá)到最大為1625 L/min，實現(xiàn)最佳的脫水效果，此真空度即為紙機該抽吸點在這一運行條件下的最佳真空度。由此可見，壓榨區(qū)脫水對壓榨部總脫水量起到主導(dǎo)性的作用，在某些情況下甚至可以關(guān)閉部分毛布吸水箱以實現(xiàn)最佳的壓榨部脫水并提高出壓榨部干度[5]。芬蘭蘭泰克變頻控制的透平機根據(jù)脫水量的大小來相應(yīng)調(diào)節(jié)抽吸點真空度，使脫水達(dá)到最佳優(yōu)化狀態(tài)。良好的刮刀和接水盤效果則保證了最佳壓榨區(qū)脫水并將脫除的水全部收集?？梢?，圖8非常清晰的展示了真空系統(tǒng)、刮刀和接水盤及在線脫水測量協(xié)同作用可達(dá)到系統(tǒng)優(yōu)化的效果[6]。

圖9 Savon Sellu PMx改造后真空系統(tǒng)流程圖

圖10 改造后真空系統(tǒng)單位能耗統(tǒng)計

3 國內(nèi)外系統(tǒng)優(yōu)化應(yīng)用案例及成果

(1)案例1

芬蘭Savon Sellu PMx，車速800 m/min，生產(chǎn)牛皮掛面紙板，產(chǎn)能42 t/h。

改造方案如圖9所示。利用3臺蘭泰克變頻透平機加1臺原有水環(huán)泵,替代原有的8臺水環(huán)泵，同時配置Ecoflow在線脫水計量系統(tǒng)， 并對壓榨部接水盤及復(fù)合壓榨和三壓上下輥的刮刀進(jìn)行優(yōu)化。

改造后，真空系統(tǒng)能耗由原來的62.8 kWh/t降低到37.6 kWh/t，如圖10所示。紙幅出壓榨部干度提高1.5%，產(chǎn)能增加8%，干燥部蒸汽消耗降低7%，同時，水環(huán)泵密封水消耗量大大降低。

(2)案例2

西班牙Papeleria de la Alqueria PMx，車速370～650 m/min，生產(chǎn)瓦楞原紙，產(chǎn)能11 t/h。

改造流程圖如圖11所示。利用1臺蘭泰克變頻透平機替代原有的6臺水環(huán)泵，在保證紙幅干度和蒸汽消耗的條件下對真空伏輥進(jìn)行優(yōu)化直至真空度降低為0，同時為三壓靴輥配置新的空氣刮刀。

改造后，真空系統(tǒng)能耗降低663 kW，產(chǎn)能增加11%，干燥部蒸汽消耗降低7%，同時，水每年節(jié)約環(huán)泵密封水90000 m3。

(3)案例3

美國Confidential PMx，車速960 m/min；生產(chǎn)手袋紙和掛面紙，產(chǎn)能22 t/h。

圖11 Papeleria de la Alqueria PMx改造后真空系統(tǒng)流程圖

使用蘭泰克3臺變頻透平機替代原有的全部水環(huán)泵，為壓榨部各脫水點配置Ecoflow在線脫水計量系統(tǒng)，對壓榨部的一壓、二壓及三壓刮刀進(jìn)行改造，其中一壓和二壓刮刀為RSP空氣刮刀，并為二壓壓輥配置新的接水盤。

改造后，紙機真空系統(tǒng)能耗降低560 kW，產(chǎn)能增加7%，干燥部蒸汽消耗降低4%，同時，節(jié)約大量水環(huán)泵密封水。

(4)案例4

國內(nèi)某大型掛面箱紙板廠，車速700～820 m/min， 對網(wǎng)部和壓榨部進(jìn)行真空系統(tǒng)改造，利用3臺透平機替代原有的5臺水環(huán)泵，運行能耗從3150 kW降低到1500 kW，節(jié)能52%。

(5)案例5

國內(nèi)某大型?？垙S，車速420～650 m/min， 對網(wǎng)部和壓榨部進(jìn)行真空系統(tǒng)改造，利用1臺變速透平機替代原有的4臺水環(huán)泵，運行能耗從650 kW降低到370 kW，節(jié)能43%。

4 結(jié) 論

傳統(tǒng)的乃至現(xiàn)在很多的真空系統(tǒng)改造只是從真空設(shè)備入手，不管是配備變頻器的水環(huán)泵還是定速透平機，雖然有一定的節(jié)能效果，但是要做到真正紙機最大化節(jié)能和降低單位成本來說，還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。相比于真空系統(tǒng)節(jié)能，單位能耗下產(chǎn)能的提高更受到造紙企業(yè)的青睞，而提升紙機運行穩(wěn)定性和出壓榨部干度是提高紙機產(chǎn)能的關(guān)鍵。蘭泰克變速透平機、在線脫水測量和刮刀與接水盤等技術(shù)相互協(xié)調(diào)作用，在滿足紙機真空系統(tǒng)節(jié)能的同時，最大限度提升紙機運行穩(wěn)定性和提高紙幅出壓榨部干度，契合紙機節(jié)能最大化的同時，單位成本最小化的戰(zhàn)略目標(biāo)。

芬蘭蘭泰克系統(tǒng)有限公司已為國內(nèi)外500多家紙廠提供了整合的系統(tǒng)優(yōu)化解決方案，目前中國應(yīng)用案例有理文、恒安、聯(lián)盛、榮成、景興、夏王、紅塔、恒聯(lián)、冠軍等紙業(yè)公司。

[1] LI Wei-ling. Energy Consumption Status and Energy Saving Measurement of China’s Paper Industry[J]. China Pulp & Paper， 2011， 30(3): 61． 李威靈. 我國造紙工業(yè)的能耗狀況和節(jié)能降耗措施[J]. 中國造紙， 2011， 30(3)： 61．

[2] Tom L， 韓妍燕. 制漿造紙行業(yè)的可持續(xù)性和能源效率提升[J]. 中華紙業(yè), 2015， 36(7): 8.

[3] Juha K. Vacuum system and dewatering optimization[C]. Nashville， Paper Con., 2014.

[4] Juha K， 楊鳳輝. 制漿造紙行業(yè)節(jié)能型真空系統(tǒng)-Ecopump節(jié)能透平機[J]. 中華紙業(yè), 2014， 35(12): 67.

[5] Daniel H. Optimizing water removal in the press section[C]. Nashville， Paper Con., 2014．

(責(zé)任編輯：馬 忻)

Paper Machine Energy Saving and Systematic Optimization from the Synergy Aspects of Vacuum,Doctoring and Online Dewatering Measurement

YANG Feng-hui

(RuntechSystemsOy，RuntechSystems(Shanghai)Co.，Ltd.，Shanghai， 201203)

Analyze the impacts of vacuum supply， doctoring and online dewatering measurement on paper machine energy consumption and runnablity. High efficient and reliable doctoring and online dewatering measurement build the foundations for the paper machine to run at optimized vacuum levels. Doctoring， dewatering measurement and vacuum control have the synergy function， which lead to an optimized dewatering and vacuum system energy consumption， and at the same time， an improved paper machine systematic runnability and efficiency．

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2017- 05- 20

楊鳳輝先生，碩士；主要從事節(jié)能環(huán)保行業(yè)的技術(shù)研發(fā)及推廣應(yīng)用。

TS737

A

10.11980/j.issn.0254- 508X.2017.06.012