透平式真空泵在現代紙機上的應用

劉 斌

(中國中輕國際工程有限公司，北京，100026)

透平式真空泵在現代紙機上的應用

劉 斌

(中國中輕國際工程有限公司，北京，100026)

介紹了透平式真空泵的工作原理及透平式真空泵替代傳統的水環式真空泵在現代大型紙機上的應用情況，分析了替代傳統水環式真空泵后的節能效果。

透平式真空泵;真空泵;現代紙機;節能

造紙行業使用的真空設備絕大部分是水環式的，水環式真空泵耗能高、效率低，一般來說小型水環式真空泵的效率為30%～35%，大型水環式真空泵效率可達40%或略高，而透平式真空泵效率達到75%。透平式真空泵的工作原理為:從真空點來的氣、液、固混合物進入氣液分離器，液體和其中所挾帶的固體雜質通過氣液分離器下部安裝的泵抽出，氣體由頂部引出經過濾器后進入透平式真空泵。氣體在透平式真空泵內經高速旋轉的葉輪作用、通過擴壓器、蝸殼降速升壓后轉化成高溫氣體，連續不斷地排出，維持系統內真空度要求。排出的高溫氣體可回收大部分熱能，也可直排地溝或經消聲器后排大氣。不用水作為循環液，只用水作冷卻液。不易產生水垢，節能、節水、環保［1］。

目前，國內有幾家大型造紙廠都引進了國外的透平設備。國內也有設備制造公司在配合造紙工藝生產中小型的透平式真空泵。透平設備在造紙行業中代替傳統水環真空泵的趨勢越來越明顯。雖然透平式真空泵在一次性投資上較水環式真空泵大，但成本回收快，持續經濟效益明顯。

在中國中輕國際工程有限公司承接的項目中，已有將透平式真空泵成功應用于大型文化紙機和新聞紙機的案例。

1 透平式真空泵工作原理

透平式真空泵一般分為多級閉式離心風機和單級開式離心風機，都是利用其裝在外殼和擴散系統內的多級葉輪來形成真空的。以國外某公司的透平式真空泵為例，隨著葉輪的旋轉，空氣進入到葉輪中間的孔眼，沿徑向外移過程中被加速與增壓，第2級葉輪加速第1級來的空氣，并接著到第3級和第4級，從而產生真空。空氣從各個不同級吸入，產生不同的真空度，以適應紙機真空系統的需要。圖1所示是1臺多級透平式真空泵的原理簡圖，圖2所示是1臺單級透平式真空泵的原理簡圖。

無論多級閉式還是單級開式用于真空泵時，都具有抽吸量大、真空度水平穩定等特點。但是當真空度高、可供抽吸的空氣量越來越少時，常會出現空氣回流、浪涌現象，這時被加速后的熱空氣回流到吸氣口，進氣管將會發熱，嚴重破壞真空度的穩定性，因此每臺透平式真空泵的入口都裝有防浪涌閥。當真空度較高、抽吸量不足時，防浪涌閥會根據透平式真空泵的有效功率自動打開，增加空氣流量以防止浪涌現象的發生，使得設備功率消耗以及需要的真空度平穩。

1.1 潤滑油系統

潤滑油系統由油箱、主輔油泵、油冷卻器、油過濾器、溢流閥、電加熱器和單向閥組成，與潤滑油管道集裝在公用底座上。潤滑油主油泵為機械油泵，安裝在齒輪箱的輸入軸上。輔助油泵為電動油泵，位于主電機下方，在主機啟停和主油泵欠壓時運行。主輔油泵以壓力聯鎖，為主機安全運行提供保障。油冷卻器選用列管式水冷，通過調節冷卻水量保證軸承進油溫度。

1.2 控制系統

透平真空泵轉速較高，屬于較精密的旋轉機械，為了確保機組安全可靠運行，配備了完善的檢測控制系統，包括氣液分離器液位檢測、報警、聯鎖主機;各抽吸點真空度檢測、報警、聯動防喘旁通閥;各軸承溫度點檢測、報警;高速轉子振動檢測、報警;潤滑油溫度、油壓檢測、報警、聯鎖主機;主機電流顯示報警、聯鎖主機;可實現與DCS通迅和交互操作。對主要的參數還設置了實時曲線和歷史曲線、報警記錄，以供事后查詢及故障診斷。根據不同企業的要求，在對主機的啟動方式上可選用星-三角、自耦降壓或軟啟動。為了滿足同一紙機抄造不同的紙種，還可配備變頻控制器，以實現不同紙種對真空度的不同要求，從而降低能耗，使透平式真空泵更加高效節能。圖3所示是透平式真空泵的潤滑油及控制系統示意圖。

2 透平式真空泵在紙機中的應用

在大型紙機中，通常采用1臺多級透平式真空泵和1或2臺單級透平式真空泵并聯使用，將大致需要相同真空度的紙機各個部分都連接到一個或者多個混凝土制的分離槽中。圖4所示是造紙機使用透平式真空泵的基本流程示意圖。

圖3 透平式真空泵潤滑油和控制系統示意圖

圖4中真空系統所產生的氣液混合物，經過真空分離槽內的螺旋式分離器和二次分離器，凝結成水滴下沉至真空分離槽底部，真空分離槽中的白水各通過1臺負壓泵將白水抽出，其中1#、2#分離槽中的網部白水送網部水封池，其他分離槽中的白水送至壓榨白水池，然后集中氣浮處理。每個分離槽人孔位置都安裝一個關門聯鎖安全開關，槽內安裝液位聯鎖裝置，見圖5 所示［2］。

圖4 透平式真空泵在造紙機上應用的基本流程

圖5 真空分離槽示意圖

透平式真空泵抽吸量較大，一般可以將真空度要求相近的多個使用點集中在一起，結構組成緊湊，在設備布置上比傳統的水環真空泵更節省空間。作為真空設備使用時，具有設備集中、效率高、低能耗的特點［3］。單級透平式真空泵在葉輪以外的殼體上設計有24塊可以調節傾角的導流板，可以調節通過透平式真空泵空氣的流速，從而實現對真空度進行調節。

3 使用注意事項

透平式真空泵用在真空系統時，其運行速度較高，多級機的操作速度一般在5000 r/min，單級機的操作速度在10000 r/min以上。因此整臺設備需要一個較大的基礎，防止設備產生高頻振動。

由于單臺設備功率較大，啟動或停止設備時會引起系統電網的負荷波動，各臺設備啟動需要間隔一定的時間。每次啟動前，電機保護程序都會檢查停機時間是否夠一個規定的時間間隔。

透平式真空泵葉輪轉速非常高，對設備的加工和安裝精度要求相應提高，而且需要對葉輪在高轉速下進行高精度動平衡試驗。為防止挾帶水分或異物進入，必須有一個大型混凝土的真空分離槽，分離槽內用不銹鋼板隔開，其中最大風速不得超過3 m/s。

設備安裝后，需要對管道進行徹底清潔，防止異物留存在管道中損壞設備。

空氣在被加速壓縮和釋放過程中會產生較大的噪音，設計安裝時，一般將透平式真空泵安裝在較為密閉的房間，防止噪音擴散。

4 節能效果

透平式真空系統為渦輪風機，直接抽氣形成真空。透平式真空泵具有節能、集中、效率高的特點［3］。以國內某大型造紙企業使用的透平式真空泵為例，替代傳統的水環式真空泵后，年節電約3003萬kWh，年回收熱量約2550萬kWh，并節約工業用水。

4.2 節電效果

某項目利用3臺總裝機功率約6000 kW的透平式真空泵取代15臺總裝機功率約8810 kW的水環式真空泵，總裝機容量減少了2810 kW。在運行時，透平式真空泵還可根據紙機車速來調整抽氣量。同時，透平式真空泵真空系統不需要密封水，也節省了密封水所需要的動力。該紙機測定時車速1505 m/min，幅寬10.2 m，3臺透平式真空泵功率為3526.38 kW。如果車速達到2000 m/min時其功率為4686.2 kW。使用水環式真空泵的設計功率為8366.2 kW。

年節約能量為:

(8366.2－4686.2)×24×340=3003萬 kWh，折算為節省標準煤量約10511 t。

4.3 余熱回收

透平真空泵抽出的濕空氣溫度達140～160℃，增加一個空氣換熱器，加熱冷空氣再送入抄紙機，回收了余熱。

4.3.1 數據檢測

(1)第2次測試時，多級透平式真空泵功率為2000.2 kW，1#透平式真空泵功率為681.16 kW，2#透平式真空泵功率為830.86 kW。合計功率3512.22 kW。

(2)抽氣溫度64℃，透平式真空泵出口氣體溫度156.6℃，排氣溫度73℃。

(3)3臺透平式真空泵出口氣體流量檢測及計算:出口氣體平均流速8.97437 m/s，流通截面直徑2100 mm，出口溫度73℃，出口壓力0.1 MPa，則體積流量Vt=流速×流通截面積=31.08374 m3/s，質量流量G0=K·P=34.6156 kg/s。

4.3.2 熱平衡計算

圖6所示為熱平衡圖。

圖6 熱平衡示意圖

由圖6中可知，輸入熱Q入=Q1+Q2=4970.22 kW，輸出熱Q出=Q3+Q4+Q5=4966.72 kW。

4.3.3 計算回收有效熱

回收有效熱Qe=Q3=3125.37 kW，年回收有效熱量QY=2550萬kWh，折算為3132.7 t標煤。

4.4 節水效果

采用水環泵真空系統需要密封水20 m3/h，而采用透平式真空系統無需密封水，系統每年可節約用水量17萬m3，系統循環的補水量一般為用水量的3%～5%，所以，每年可節約系統循環用水的補水量為0.51萬～0.85萬m3，折算為437～728 kg標煤，同時節省了循環水的耗電量。

5 結語

透平式真空泵應用于紙機真空系統，替代原有的水環式真空泵，配套功率低，節能效果顯著。目前我國大型紙機需采用進口透平設備，國產透平設備仍處于起步階段，適用規模較小。隨著國內研發實力的增強，成本的降低，相信透平式真空泵一定會廣泛地應用于我國造紙工業，為國家的節能減排目標做出貢獻。

［1］ 最新紙機抄造工藝［M］．曹邦威，譯．北京:中國輕工業出版社，1999．

［2］ 德國MAN公司技術文本［S］．

［3］ 張 輝．制漿造紙裝備節能節水結構原理與評析［J］．中國造紙，2007，26(5):52． CPP

Application of Turbo-compressor in Modern Paper Machines

LIU Bin
(China BCEL International Engineering Co．，Ltd．，Beijing，100026)

The working principle of turbo-compressor and its application in modern paper machines are introduced，the energy efficiency of using turbo-compressor as a substitute for the conventional water ring vacuum pump is analyzed．

turbo-compressor;vacuum pump;modern paper machine;energy efficiency

TS737+.2

B

0254-508X(2012)01-0052-04

劉 斌先生，工程師;主要從事造紙工藝設計工作。

(E-mail:liub@bcel-cn．com)

2011-08-19

(責任編輯:馬 忻)