渦輪風機在板紙機真空系統的應用

周日陽

摘? 要：文章闡述了造紙廠傳統水環式真空泵容易產生的一些問題，引申出多級鼓風式透平風機和渦輪風機，并對各自的工作原理進行了描述。介紹了帶變頻調速功能的Ecopump渦輪風機代替水環式真空泵在板紙機真空系統的改造應用，包括渦輪風機的選型，真空系統的設計、安裝、調試、運行以及改造后的節能情況。

關鍵詞：水環真空泵;透平風機;Ecopump渦輪風機;改造;節能

中圖分類號：TB752+.22? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2019）06-0171-03

1 背景

造紙業是目前我國資源消耗較大的行業之一，面臨著以節能減排為主線的結構調整。早幾年投產的造紙廠，真空系統大部分配套的是傳統的水環式真空泵，水環泵是紙機真空系統最常采用的技術，它采用水封來獲得真空。這種水環泵，需要推動一個水環旋轉以促進空氣流動，雖然泵體結構堅固，但其在應用上有局限性，大部分電能均消耗在攪動水上，水環泵一般由定速馬達拖動，這使得低負荷時無法降低電耗。為了避免過真空，低負荷時需要開啟泵入口的真空破壞閥，這也造成能源的浪費。能耗過高，消耗大量的電能，全天24小時運行，電機不能變頻調節，同時需要補充大量密封水進行冷卻，而且故障時維修時間長，潮濕和高溫容易導致大量細菌滋生等，這都是水環泵運行帶來的一系列常見問題。

還有一種廣泛使用的技術是多級鼓風機組合，也叫透平風機，這種技術可以消除水環泵的許多缺點，但又會產生一些其他問題，如結構復雜、尺寸較大，一個系統中能容納的組合數較少，如果是在原來水環泵的基礎上進行替代改造，原有設計裝水環泵的廠房通常無法容納如此龐大的設備，且啟動過程復雜，電機有過載的風險，維護過程復雜，維修時需長時間停機等等。

2 工作原理

水環真空泵的工作原理：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，水環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。通常在紙廠中使用的是單級水環真空泵，它可以提供全范圍的真空容量。

透平風機的工作原理：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，將動能轉變為壓力的提高。通常使用多級組合壓縮獲得最終需要的壓力。作為真空發生器使用時，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。

本文介紹的是從芬蘭GreenStream公司引進的渦輪風機真空系統Ecopump技術，代替原來的水環真空泵系統，并對真空系統進行整合設計改造。Ecopump渦輪風機的設計結合了先進高速電力傳動裝置和高效渦輪式鼓風機的功效，渦輪裝置由一個帶正弦波濾波器的變頻器驅動，對電網影響小，可實現從零到最大速度的控制，對運行范圍沒有任何限制，真空容量即便很少，也能產生顯著的節能效果，速度控制是調節生產率的最有效方式。渦輪葉輪直接安裝在電機軸一側（單級）或雙側（雙級）上，這樣大大的提高了系統的結構緊湊性和機械可靠性，系統不需要使用變速箱或聯軸器，實心軸AC電機堅固耐用，在運行范圍內沒有共震頻率，鑄鈦葉輪在機械和化學方面也非常穩定。Ecopump渦輪風機系統采用稀油潤滑的陶瓷軸承和輕質零件，方便系統維護。

3 改造應用

3.1 原水環式真空泵真空系統配置

板紙機真空系統原來使用的是水環真空泵，原有水環真空泵系統配置情況見表1，系統裝機容量達2420kW，且不含與系統配套的白水泵、工作水泵以及冷卻塔等。

表1 水環真空泵真空系統配置

3.2 Ecopump渦輪風機選型

板紙機并不需要非常高的真空度，整個真空系統中對真空度要求高的是真空伏輥，一般也只是在-70Kpa左右，從生產實踐看，-60Kpa～-65Kpa是最為經濟的。雖然真空度高些對網案脫水會好些，但并不是越高越好，因為還要考慮能耗問題。Ecopump雙級渦輪最大真空度為-68Kpa，最大抽吸量6.5m3/s，恰好能滿足工藝，且還有變頻節能的空間。

本次改造采用的是3臺Ecopump渦輪風機（即透平風機）加1臺普通真空風機代替原來高能耗的8臺水環真空泵，并對真空系統進行重新工藝設計。Ecopump渦輪風機的型號為EP500-700-S雙級渦輪風機。

3.3 渦輪風機真空系統配置

按真空系統各抽吸點和Ecopump渦輪風機參數對真空的系統的真空分配重新進行工藝設計見表2，在水環泵的基礎上進行基礎改造，同時保留4臺水環泵作為備用。

3.4 渦輪風機安裝與調試

設備安裝簡單，按載重量建設好基礎后，整臺設備吊裝至基礎上，調平后把基礎板與預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，主體設備即完成安裝。

與Ecopump渦輪風機配套的設備包括給潤滑油站和給主電機散熱的冷卻風機，防止Ecopump發生喘振的防失速閥，以及給汽水分離器抽水的克負泵等，加上設備上諸多的壓力、溫度、震動、液位、流量等傳感器，所有自動化設備都進入DCS，實現系統的在線監控和自動變頻控制，操作和維護都非常方便。

和所有的透平風機一樣，Ecopump渦輪風機也可能會發生喘振：空氣流量減小到一定值時出口壓力會突然下降，下游管道內壓力反而高于出口壓力，于是被輸送介質倒流回機內，直到出口壓力升高重新向管道輸送介質為止;當管道中的壓力恢復到原來的壓力時，流量再次減少，管道中介質又產生倒流，如此周而復始。流體機械的喘振會破壞機器內部介質的流動規律性，產生機械噪聲，引起工作部件的強烈振動，加速軸承和密封的損壞。一旦喘振引起管道、機器及其基礎共振時，還會造成嚴重后果。為防止喘振，必須使流體機械在喘振區（圖1紅色區域）之外運轉，所以Ecopump渦輪風機必須在前面安裝失速閥。

圖1 EP500渦輪風機運行區域

Ecopump渦輪風機的調試主要步驟如下：

（1）傳動工程師連接變頻器監控電機各項參數;

（2）點動電機調整電機轉向;

（3）啟動后10%頻率運行10分鐘，觀察各項指標;

（4）頻率升到30%運行30分鐘，觀察各項指標;

（5）進氣端觀察孔打開，頻率升到100%運行120分

鐘，觀察各項指標;

（6）100%頻率下，工藝管道各閥門密閉，失速閥密閉，僅保留1個工藝閥門打開并反復調節，測試渦輪風機的喘振流量臨界值，并記錄此時的震動值、電機電壓和電流，工控工程師把這些測試取得的參數寫到程序里，并調整控制程序的失速閥控制公式的相關常數和因子，使防失速閥能根據運行過程中的震動值、電機電壓和電流自動調整閥門開度，避免發生長時間的喘振。

調試階段最主要的工作就是保證正常工況下渦輪風機運行在藍色區域（圖1）中。如果在紅色區域運行，防失速閥會打開從而造成系統的效率低下，甚至可能導致設備故障，這是不允許的。

3.5 渦輪風機運行與能耗

改造之后，水環真空泵停用，Ecopump渦輪風機全面代替了水環真空泵，渦輪風機系統能耗約1100kw，節能約50%，節能收益非常可觀。

4 結束語

Ecopump渦輪風機在該板紙機真空系統的應用非常成功，而且仍有進一步的節能空間可以挖掘，比如3臺雙級渦輪風機排出的熱風至少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的革新，雖然噪音問題仍然存在，但在節能降耗方面相對其他真空發生設備保持著領先的地位，結構簡單、故障率低、系統穩定性好、操作及維護方便，將會逐步在紙機真空系統中廣泛使用。

參考文獻：

[1]徐千，許英.新式和現有紙機真空系統能耗的思考[J].國際造紙，2009，28（5）.

[2]彭志軍.透平風機在紙機真空系統的應用[J].中華紙業，2009，30（12）.