淺談紙機(jī)真空系統(tǒng)及配置要點(diǎn)

陳小龍 岳陽紙業(yè)股份公司高檔復(fù)印紙車間 湖南 岳陽 （414002）

淺談紙機(jī)真空系統(tǒng)及配置要點(diǎn)

陳小龍 岳陽紙業(yè)股份公司高檔復(fù)印紙車間 湖南 岳陽 （414002）

介紹了兩種不同的紙機(jī)真空系統(tǒng)的設(shè)備配置，著重探討了水環(huán)真空泵與其他輔助設(shè)備的選型，提出了選型中要注意的一些參數(shù)和問題。

真空系統(tǒng)；紙機(jī)；透平；水環(huán)真空泵；分離；過濾

紙機(jī)真空即網(wǎng)部、壓榨部脫水元件和真空輥所需的真空，它是紙頁成形的關(guān)鍵因素之一。它對于保證紙頁中纖維均勻分布，提高紙頁濕強(qiáng)度，提高填料和細(xì)小纖維的留著率，順利地引紙和延長毛毯運(yùn)行時間等有重要的作用。我們在配置紙機(jī)真空系統(tǒng)時，需要從多方面比較。

1 水環(huán)真空泵與透平真空機(jī)

現(xiàn)代高速紙機(jī)所配置的真空系統(tǒng)主要采用水環(huán)真空泵或透平真空機(jī)與離心風(fēng)機(jī)搭配。圖1為采用透平真空機(jī)的真空系統(tǒng)。透平是turbine的音譯，源于拉丁文turbo一詞，意為旋轉(zhuǎn)物體，透平最主要的部件是旋轉(zhuǎn)元件（轉(zhuǎn)子或稱葉輪）。透平真空泵（如圖2）是電機(jī)旋轉(zhuǎn)經(jīng)增速變速箱帶動軸、旋轉(zhuǎn)元件高速旋轉(zhuǎn)，把動量傳輸給氣體或氣體分子，被驅(qū)向排氣口，在進(jìn)氣口產(chǎn)生抽吸力。因此透平真空機(jī)是電動轉(zhuǎn)化為流體動能的動量傳輸設(shè)備。

紙機(jī)真空脫水元件經(jīng)管道接氣水分離器5入口，汽水分離后白水用泵送至白水池，分離器出口與真空泵相連，真空泵出口經(jīng)熱回收排入大氣。各真空泵安裝于二樓樓面，汽水分離器安裝于一樓。由于此系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊、管道較少、節(jié)能環(huán)保、安裝方便，越來越受到造紙行業(yè)的青睞。2005年山東壽光晨鳴PM4、2006年廣紙PM9、2007年濮陽龍豐PM1都采用了德國MAN透平真空系統(tǒng)，而在國外透平真空泵應(yīng)用更早、更廣泛，如我公司二手機(jī)PM3在法國工廠生產(chǎn)時濕部的真空脫水就是用的蘇爾壽透平真空系統(tǒng)，如圖3蘇爾壽多級透平真空機(jī)。PM3在我公司1997年紙機(jī)安裝時，因多方面原因沒有再使用這套系統(tǒng)。此類真空設(shè)備投資大、技術(shù)含量高，現(xiàn)在國內(nèi)配套的多用水環(huán)真空泵。

圖1 透平真空系統(tǒng)流程（未包括離心風(fēng)機(jī)）

圖2 左為多級透平真空機(jī)，右為單級透平真空機(jī)

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)動部分沒有機(jī)械摩擦，其使用壽命較長，操作可靠，并且具有在大抽吸量的情況下效率下降很小等優(yōu)點(diǎn)。其缺點(diǎn)是：效率較低，約在50%左右，水循環(huán)的設(shè)備較多。如圖4所示是采用水環(huán)真空泵的典型真空系統(tǒng)。汽水混合物經(jīng)汽水分離器分離，白水送至白水池，帶少量纖維的氣體經(jīng)水環(huán)真空泵抽吸送至收集水池，收集之后用泵送至冷卻塔，經(jīng)冷卻后自流入冷卻水池，水環(huán)真空泵的工作水來自冷卻水池。

圖3 蘇爾壽透平真空機(jī)

圖4 水環(huán)真空系統(tǒng)流程（未包括離心風(fēng)機(jī)）

2 兩種不同結(jié)構(gòu)的水環(huán)真空泵

水環(huán)真空泵從結(jié)構(gòu)上有兩種，即平面式和錐體式（圖5、圖6）。平面式的進(jìn)氣口和排氣口設(shè)計在泵的平面?zhèn)壬w上，從葉輪側(cè)面進(jìn)出氣。錐體式設(shè)計在泵的錐體座上，從葉輪內(nèi)部進(jìn)排氣體。

圖5 平面泵

圖6 錐體泵

很多學(xué)術(shù)論文對錐體泵和平面泵做了性能比較，如進(jìn)氣面積、啟動性能、氣封性比較，從真空腔的位置分析軸承的受力等，結(jié)論為錐體泵的性能比平面泵要好[1]，但造紙行業(yè)絕大多數(shù)的都為平面泵，如占據(jù)全球主導(dǎo)地位的NASH推出專為造紙機(jī)設(shè)計的2BE3系列，國內(nèi)的肯富來CBF系列泵，都為平面式。所以我認(rèn)為這兩種形式的都能夠滿足要求，不必在乎泵的結(jié)構(gòu)形式。

3 選型時須注意的幾個參數(shù)

3.1 真空度與抽吸量

真空度是指處于真空狀態(tài)下的氣體稀簿程度，是一個負(fù)壓力指示。在真空計算中經(jīng)常見到的所犯錯誤是，將不同的真空度下的真空容量相加、相減[2]。

由理想氣體狀態(tài)方程可知，對一定質(zhì)量的氣體，其壓力、體積和溫度的關(guān)系如下式所示：

這樣我們就能理解一臺帶隔板的水環(huán)真空泵抽吸兩個不同真空度的真空點(diǎn)。兩個真空點(diǎn)用一臺泵工作：-65kPa，抽吸量 180m3/min和 -40kPa，抽吸量130m3/min。我們在選泵的抽吸量不是310m3/min，而是將-40kPa的抽吸量換算成-65kPa的抽吸量,這樣泵的抽吸量大于310m3/min。而此真空度下大于130m3/min的氣量將會吸入空氣來補(bǔ)充。需要指出的是通常所指的真空度是抽吸點(diǎn)的表壓。

3.2 工作液的溫度和吸入汽水混合物的溫度

通常水環(huán)式真空泵的運(yùn)行條件是指泵吸入的氣體溫度為20℃，相對濕度為70%的空氣，入口氣體壓力為101.325kPa，泵工作液為15℃的水。工作液的溫度及其蒸汽壓力嚴(yán)重影響抽速。抽氣室與葉輪室中工作液體分壓力隨溫度升高而增大，結(jié)果使輸運(yùn)氣體容積變小，泵抽速下降。因工作液為水，所以蒸汽壓力是隨水的溫度而變化。當(dāng)水在一個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的100℃時，蒸汽壓力為760mmHg，進(jìn)氣口所能達(dá)到的最小壓力為760mmHg，也就是說在此情況下不可能產(chǎn)生真空。水環(huán)真空泵的極限壓力就是相應(yīng)溫度水的飽和蒸汽壓力。

被抽氣體對泵性能也有影響。被抽氣體是由空氣與蒸汽混合物組成，被抽蒸汽與工作液相接觸可發(fā)生冷凝，這時抽速有所增大。所以工作液溫度不變情況下，被抽氣體溫度越高，冷凝量越大，抽吸量也加大。經(jīng)驗(yàn)認(rèn)為：真空泵在進(jìn)氣溫度一定的情況下，工作水溫每升高一度，則氣量約減少0.6m3/min左右，在水溫一定的情況下，進(jìn)氣口的進(jìn)氣溫度每升高一度，則氣量約增加0.7m3/min左右。所以我們在泵的選型時，一定要確定工作水液的溫度和吸抽汽水混合物的溫度。

4 選型、布置時的一些問題

4.1 與離心風(fēng)機(jī)搭配

通常情況下，真空度范圍小于-15kPa，可考慮選擇單級離心風(fēng)機(jī)代替真空泵。與水環(huán)真空泵相比，排風(fēng)機(jī)體積小，價格低，效率更高。在選擇排風(fēng)機(jī)的材料和結(jié)構(gòu)上要考慮到潮濕的環(huán)境條件和汽水混合物和特點(diǎn)。進(jìn)入排風(fēng)機(jī)的氣體中不能夾帶太多的水分，否則，會影響排風(fēng)機(jī)的正常運(yùn)行，引起風(fēng)機(jī)振動。因此，在排風(fēng)機(jī)之前也要安裝一個分離器。分離器還能分離細(xì)小纖維，減小風(fēng)機(jī)葉片的結(jié)垢。

4.2 真空點(diǎn)的分布和泵數(shù)量的確定

根據(jù)真空點(diǎn)的分布來確定真空泵數(shù)量是一項很重要的工作，直接影響到紙機(jī)抄造、紙頁質(zhì)量、工作效率和水電消耗等。一般情況下紙機(jī)的供貨商會提供一個成熟的方案，設(shè)計院也會綜合考慮。需要注意以下幾點(diǎn)：

1)每條毛毯在使用周期的不同時間里透氣性不同，而且使用壽命也不同。工作時，要根據(jù)每條毛毯的情況對真空度進(jìn)行調(diào)節(jié)，使之能達(dá)到理想的使用周期。因此，每條毛毯都配備獨(dú)立的專用真空泵是最佳的選擇。

2）帶隔板的水環(huán)真空泵可為兩個真空區(qū)工作，也就是一臺泵可作為兩臺泵來用，而且互不干涉。

3)一臺泵最好不要工作于網(wǎng)部和壓榨部兩個真空點(diǎn)，網(wǎng)部和壓榨部的真空點(diǎn)盡量要分開。在紙機(jī)開機(jī)的過程中，先開網(wǎng)部，待上網(wǎng)的漿料穩(wěn)定后再開壓榨部和壓榨部真空。如果壓榨部真空先開，對毛毯有很大的損害。因此真空泵要分網(wǎng)部真空用泵和壓榨真空用泵。

4.3 泵的材質(zhì)

在造紙車間，真空白水對泵的腐蝕是很小的，但由于含有細(xì)小的纖維，結(jié)垢卻很嚴(yán)重，嚴(yán)重影響成紙質(zhì)量，如采用全不銹鋼的泵投資會成倍增加，所以考慮用普通材質(zhì)加防結(jié)垢處理。例如，Nash泵采用泵體內(nèi)襯聚二烯橡膠，肯富來泵泵體防腐噴涂處理，還有一些用內(nèi)襯不銹鋼板，使泵內(nèi)壁光滑，不易結(jié)垢。廠商不管用哪一種防腐，都必須是廠商成熟的技術(shù)，投入使用后噴涂防腐層或不銹鋼板不應(yīng)脫落，這樣會造成更嚴(yán)重的后果。

4.4 輔助設(shè)備

4.4.1 前置分離器和負(fù)壓白水泵

前置分離器介于真空泵與脫水元件之間，有帶負(fù)壓泵和不帶負(fù)壓泵兩種形式，不帶負(fù)壓泵的前置分離器有旋風(fēng)式和擋板式。一般情況下，當(dāng)紙機(jī)安裝在車間的二樓時，真空度小于等于45kPa時可選用不帶負(fù)壓泵的分離器，分離器水腿的高度可按下式進(jìn)行計算：（H-水腿高度，單位m；V-真空度，單位為kPa）

例如壓榨上毛布吸水箱-50KPa，換算成真空度為50kPa，經(jīng)以上公式計算，水腿高度應(yīng)為6m。也就是說只要此吸水箱的水腿高度能高于6m，就無須負(fù)壓泵。很顯然，樓層高度加上上毛布吸水箱所在二樓樓面高度，會大于6m，因此，此真空點(diǎn)無須配負(fù)壓泵。前置分離器和負(fù)壓白水泵可根據(jù)真空點(diǎn)的抽吸量和脫水量來選型。

4.4.2 密封水過濾設(shè)備

循環(huán)的真空白水中所含的細(xì)小纖維和填料如不過濾，會越積越多，對真空系統(tǒng)的泵、冷卻塔都有影響。在過濾設(shè)備的選擇上，一般選用弧形篩、管道過濾器、重力過濾器等。

4.4.3 冷卻塔

即使真空白水在進(jìn)入冷卻塔之前都經(jīng)過了過濾，但仍有大量的細(xì)小纖維，細(xì)小纖維易在冷卻塔填料處堆積，輕則影響冷卻效果，重則可將填料壓垮，碎片如進(jìn)入系統(tǒng)，后果非常嚴(yán)重。在選型時可選擇污水型冷卻塔，可避免上述后果。

結(jié)合當(dāng)?shù)貧夂?，在選擇冷卻塔風(fēng)機(jī)時，可考慮選擇雙速電機(jī)或變頻電機(jī)，減少電能的消耗。

4.4.4 白水泵的選型

真空白水從地坑中泵送至冷卻塔，因落差有3-4m，若選用普通離心泵，吸入液面在葉輪之下，起動時需預(yù)先灌水，并且吸入管需裝底閥，不能滿足工藝生產(chǎn)要求。因此選擇自吸泵或液下泵（如圖7）。自吸泵成本較高，液下泵運(yùn)行可靠性不高，且需要有較高的維修空間。要想讓普通泵達(dá)到自吸的目的，我們可以在普通的離心泵上加裝一進(jìn)水彎管或引水罐，結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，運(yùn)行可靠。

圖7 左為液下泵，右為自吸泵

5 結(jié)束語

紙機(jī)真空系統(tǒng)是一個復(fù)雜的系統(tǒng)，對紙機(jī)正常運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用，同時是水、電的消耗大戶，只有合理配置真空泵和輔助設(shè)備，優(yōu)化真空系統(tǒng)設(shè)置，才能提高設(shè)備運(yùn)行可靠性，降低生產(chǎn)成本，提高經(jīng)濟(jì)效益。

［1］李杜.平面式與錐體式水環(huán)真空泵的比較.紙和造紙,2005(8)：59

［2］張秋玲.紙機(jī)真空系統(tǒng)設(shè)計的幾點(diǎn)考慮.黑龍江造紙,1999（4）：24

2011-7-19