渦輪風(fēng)機(jī)在板紙機(jī)真空系統(tǒng)的應(yīng)用

周日陽(yáng)

摘? 要：文章闡述了造紙廠(chǎng)傳統(tǒng)水環(huán)式真空泵容易產(chǎn)生的一些問(wèn)題，引申出多級(jí)鼓風(fēng)式透平風(fēng)機(jī)和渦輪風(fēng)機(jī)，并對(duì)各自的工作原理進(jìn)行了描述。介紹了帶變頻調(diào)速功能的Ecopump渦輪風(fēng)機(jī)代替水環(huán)式真空泵在板紙機(jī)真空系統(tǒng)的改造應(yīng)用，包括渦輪風(fēng)機(jī)的選型，真空系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試、運(yùn)行以及改造后的節(jié)能情況。

關(guān)鍵詞：水環(huán)真空泵;透平風(fēng)機(jī);Ecopump渦輪風(fēng)機(jī);改造;節(jié)能

中圖分類(lèi)號(hào)：TB752+.22? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2019）06-0171-03

1 背景

造紙業(yè)是目前我國(guó)資源消耗較大的行業(yè)之一，面臨著以節(jié)能減排為主線(xiàn)的結(jié)構(gòu)調(diào)整。早幾年投產(chǎn)的造紙廠(chǎng)，真空系統(tǒng)大部分配套的是傳統(tǒng)的水環(huán)式真空泵，水環(huán)泵是紙機(jī)真空系統(tǒng)最常采用的技術(shù)，它采用水封來(lái)獲得真空。這種水環(huán)泵，需要推動(dòng)一個(gè)水環(huán)旋轉(zhuǎn)以促進(jìn)空氣流動(dòng)，雖然泵體結(jié)構(gòu)堅(jiān)固，但其在應(yīng)用上有局限性，大部分電能均消耗在攪動(dòng)水上，水環(huán)泵一般由定速馬達(dá)拖動(dòng)，這使得低負(fù)荷時(shí)無(wú)法降低電耗。為了避免過(guò)真空，低負(fù)荷時(shí)需要開(kāi)啟泵入口的真空破壞閥，這也造成能源的浪費(fèi)。能耗過(guò)高，消耗大量的電能，全天24小時(shí)運(yùn)行，電機(jī)不能變頻調(diào)節(jié)，同時(shí)需要補(bǔ)充大量密封水進(jìn)行冷卻，而且故障時(shí)維修時(shí)間長(zhǎng)，潮濕和高溫容易導(dǎo)致大量細(xì)菌滋生等，這都是水環(huán)泵運(yùn)行帶來(lái)的一系列常見(jiàn)問(wèn)題。

還有一種廣泛使用的技術(shù)是多級(jí)鼓風(fēng)機(jī)組合，也叫透平風(fēng)機(jī)，這種技術(shù)可以消除水環(huán)泵的許多缺點(diǎn)，但又會(huì)產(chǎn)生一些其他問(wèn)題，如結(jié)構(gòu)復(fù)雜、尺寸較大，一個(gè)系統(tǒng)中能容納的組合數(shù)較少，如果是在原來(lái)水環(huán)泵的基礎(chǔ)上進(jìn)行替代改造，原有設(shè)計(jì)裝水環(huán)泵的廠(chǎng)房通常無(wú)法容納如此龐大的設(shè)備，且啟動(dòng)過(guò)程復(fù)雜，電機(jī)有過(guò)載的風(fēng)險(xiǎn)，維護(hù)過(guò)程復(fù)雜，維修時(shí)需長(zhǎng)時(shí)間停機(jī)等等。

2 工作原理

水環(huán)真空泵的工作原理：葉輪與泵體呈偏心配置，當(dāng)葉輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，水在離心力的作用下沿泵體內(nèi)壁形成近乎等厚的旋轉(zhuǎn)水環(huán)，水環(huán)內(nèi)表面與葉輪輪轂外表面構(gòu)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(zhuǎn)空腔的容積逐漸擴(kuò)大，氣體從外界吸入;后半轉(zhuǎn)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(gè)工作階段。通常在紙廠(chǎng)中使用的是單級(jí)水環(huán)真空泵，它可以提供全范圍的真空容量。

透平風(fēng)機(jī)的工作原理：利用葉片和氣體的相互作用，葉輪高速轉(zhuǎn)動(dòng)，提高氣體壓力和動(dòng)能，并利用相繼的通流元件使氣流減速，將動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)閴毫Φ奶岣摺ＭǔＪ褂枚嗉?jí)組合壓縮獲得最終需要的壓力。作為真空發(fā)生器使用時(shí)，排出的最終壓力為大氣壓，吸入壓力則為負(fù)壓。通常在紙廠(chǎng)中使用較多的是多級(jí)離心式透平風(fēng)機(jī)，壓力逐級(jí)升高，各級(jí)均有吸入口，每個(gè)吸入口有不同的真空度。若使用單級(jí)的透平風(fēng)機(jī)，則只能在單個(gè)較小的真空范圍內(nèi)工作。

本文介紹的是從芬蘭GreenStream公司引進(jìn)的渦輪風(fēng)機(jī)真空系統(tǒng)Ecopump技術(shù)，代替原來(lái)的水環(huán)真空泵系統(tǒng)，并對(duì)真空系統(tǒng)進(jìn)行整合設(shè)計(jì)改造。Ecopump渦輪風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)結(jié)合了先進(jìn)高速電力傳動(dòng)裝置和高效渦輪式鼓風(fēng)機(jī)的功效，渦輪裝置由一個(gè)帶正弦波濾波器的變頻器驅(qū)動(dòng)，對(duì)電網(wǎng)影響小，可實(shí)現(xiàn)從零到最大速度的控制，對(duì)運(yùn)行范圍沒(méi)有任何限制，真空容量即便很少，也能產(chǎn)生顯著的節(jié)能效果，速度控制是調(diào)節(jié)生產(chǎn)率的最有效方式。渦輪葉輪直接安裝在電機(jī)軸一側(cè)（單級(jí)）或雙側(cè)（雙級(jí)）上，這樣大大的提高了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)緊湊性和機(jī)械可靠性，系統(tǒng)不需要使用變速箱或聯(lián)軸器，實(shí)心軸AC電機(jī)堅(jiān)固耐用，在運(yùn)行范圍內(nèi)沒(méi)有共震頻率，鑄鈦葉輪在機(jī)械和化學(xué)方面也非常穩(wěn)定。Ecopump渦輪風(fēng)機(jī)系統(tǒng)采用稀油潤(rùn)滑的陶瓷軸承和輕質(zhì)零件，方便系統(tǒng)維護(hù)。

3 改造應(yīng)用

3.1 原水環(huán)式真空泵真空系統(tǒng)配置

板紙機(jī)真空系統(tǒng)原來(lái)使用的是水環(huán)真空泵，原有水環(huán)真空泵系統(tǒng)配置情況見(jiàn)表1，系統(tǒng)裝機(jī)容量達(dá)2420kW，且不含與系統(tǒng)配套的白水泵、工作水泵以及冷卻塔等。

表1 水環(huán)真空泵真空系統(tǒng)配置

3.2 Ecopump渦輪風(fēng)機(jī)選型

板紙機(jī)并不需要非常高的真空度，整個(gè)真空系統(tǒng)中對(duì)真空度要求高的是真空伏輥，一般也只是在-70Kpa左右，從生產(chǎn)實(shí)踐看，-60Kpa～-65Kpa是最為經(jīng)濟(jì)的。雖然真空度高些對(duì)網(wǎng)案脫水會(huì)好些，但并不是越高越好，因?yàn)檫€要考慮能耗問(wèn)題。Ecopump雙級(jí)渦輪最大真空度為-68Kpa，最大抽吸量6.5m3/s，恰好能滿(mǎn)足工藝，且還有變頻節(jié)能的空間。

本次改造采用的是3臺(tái)Ecopump渦輪風(fēng)機(jī)（即透平風(fēng)機(jī)）加1臺(tái)普通真空風(fēng)機(jī)代替原來(lái)高能耗的8臺(tái)水環(huán)真空泵，并對(duì)真空系統(tǒng)進(jìn)行重新工藝設(shè)計(jì)。Ecopump渦輪風(fēng)機(jī)的型號(hào)為EP500-700-S雙級(jí)渦輪風(fēng)機(jī)。

3.3 渦輪風(fēng)機(jī)真空系統(tǒng)配置

按真空系統(tǒng)各抽吸點(diǎn)和Ecopump渦輪風(fēng)機(jī)參數(shù)對(duì)真空的系統(tǒng)的真空分配重新進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)見(jiàn)表2，在水環(huán)泵的基礎(chǔ)上進(jìn)行基礎(chǔ)改造，同時(shí)保留4臺(tái)水環(huán)泵作為備用。

3.4 渦輪風(fēng)機(jī)安裝與調(diào)試

設(shè)備安裝簡(jiǎn)單，按載重量建設(shè)好基礎(chǔ)后，整臺(tái)設(shè)備吊裝至基礎(chǔ)上，調(diào)平后把基礎(chǔ)板與預(yù)埋板按要求焊接在一起，連上汽水分離器，再把出入口的工藝管道連接上，主體設(shè)備即完成安裝。

與Ecopump渦輪風(fēng)機(jī)配套的設(shè)備包括給潤(rùn)滑油站和給主電機(jī)散熱的冷卻風(fēng)機(jī)，防止Ecopump發(fā)生喘振的防失速閥，以及給汽水分離器抽水的克負(fù)泵等，加上設(shè)備上諸多的壓力、溫度、震動(dòng)、液位、流量等傳感器，所有自動(dòng)化設(shè)備都進(jìn)入DCS，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的在線(xiàn)監(jiān)控和自動(dòng)變頻控制，操作和維護(hù)都非常方便。

和所有的透平風(fēng)機(jī)一樣，Ecopump渦輪風(fēng)機(jī)也可能會(huì)發(fā)生喘振：空氣流量減小到一定值時(shí)出口壓力會(huì)突然下降，下游管道內(nèi)壓力反而高于出口壓力，于是被輸送介質(zhì)倒流回機(jī)內(nèi)，直到出口壓力升高重新向管道輸送介質(zhì)為止;當(dāng)管道中的壓力恢復(fù)到原來(lái)的壓力時(shí)，流量再次減少，管道中介質(zhì)又產(chǎn)生倒流，如此周而復(fù)始。流體機(jī)械的喘振會(huì)破壞機(jī)器內(nèi)部介質(zhì)的流動(dòng)規(guī)律性，產(chǎn)生機(jī)械噪聲，引起工作部件的強(qiáng)烈振動(dòng)，加速軸承和密封的損壞。一旦喘振引起管道、機(jī)器及其基礎(chǔ)共振時(shí)，還會(huì)造成嚴(yán)重后果。為防止喘振，必須使流體機(jī)械在喘振區(qū)（圖1紅色區(qū)域）之外運(yùn)轉(zhuǎn)，所以Ecopump渦輪風(fēng)機(jī)必須在前面安裝失速閥。

圖1 EP500渦輪風(fēng)機(jī)運(yùn)行區(qū)域

Ecopump渦輪風(fēng)機(jī)的調(diào)試主要步驟如下：

（1）傳動(dòng)工程師連接變頻器監(jiān)控電機(jī)各項(xiàng)參數(shù);

（2）點(diǎn)動(dòng)電機(jī)調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)向;

（3）啟動(dòng)后10%頻率運(yùn)行10分鐘，觀(guān)察各項(xiàng)指標(biāo);

（4）頻率升到30%運(yùn)行30分鐘，觀(guān)察各項(xiàng)指標(biāo);

（5）進(jìn)氣端觀(guān)察孔打開(kāi)，頻率升到100%運(yùn)行120分

鐘，觀(guān)察各項(xiàng)指標(biāo);

（6）100%頻率下，工藝管道各閥門(mén)密閉，失速閥密閉，僅保留1個(gè)工藝閥門(mén)打開(kāi)并反復(fù)調(diào)節(jié)，測(cè)試渦輪風(fēng)機(jī)的喘振流量臨界值，并記錄此時(shí)的震動(dòng)值、電機(jī)電壓和電流，工控工程師把這些測(cè)試取得的參數(shù)寫(xiě)到程序里，并調(diào)整控制程序的失速閥控制公式的相關(guān)常數(shù)和因子，使防失速閥能根據(jù)運(yùn)行過(guò)程中的震動(dòng)值、電機(jī)電壓和電流自動(dòng)調(diào)整閥門(mén)開(kāi)度，避免發(fā)生長(zhǎng)時(shí)間的喘振。

調(diào)試階段最主要的工作就是保證正常工況下渦輪風(fēng)機(jī)運(yùn)行在藍(lán)色區(qū)域（圖1）中。如果在紅色區(qū)域運(yùn)行，防失速閥會(huì)打開(kāi)從而造成系統(tǒng)的效率低下，甚至可能導(dǎo)致設(shè)備故障，這是不允許的。

3.5 渦輪風(fēng)機(jī)運(yùn)行與能耗

改造之后，水環(huán)真空泵停用，Ecopump渦輪風(fēng)機(jī)全面代替了水環(huán)真空泵，渦輪風(fēng)機(jī)系統(tǒng)能耗約1100kw，節(jié)能約50%，節(jié)能收益非?？捎^(guān)。

4 結(jié)束語(yǔ)

Ecopump渦輪風(fēng)機(jī)在該板紙機(jī)真空系統(tǒng)的應(yīng)用非常成功，而且仍有進(jìn)一步的節(jié)能空間可以挖掘，比如3臺(tái)雙級(jí)渦輪風(fēng)機(jī)排出的熱風(fēng)至少100℃以上，可以用于其他需要加熱的工藝流程上去。這種變頻透平真空技術(shù)的革新，雖然噪音問(wèn)題仍然存在，但在節(jié)能降耗方面相對(duì)其他真空發(fā)生設(shè)備保持著領(lǐng)先的地位，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、故障率低、系統(tǒng)穩(wěn)定性好、操作及維護(hù)方便，將會(huì)逐步在紙機(jī)真空系統(tǒng)中廣泛使用。

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