透平式真空泵在现代纸机上的应用

刘 斌

(中国中轻国际工程有限公司，北京，100026)

透平式真空泵在现代纸机上的应用

刘 斌

(中国中轻国际工程有限公司，北京，100026)

介绍了透平式真空泵的工作原理及透平式真空泵替代传统的水环式真空泵在现代大型纸机上的应用情况，分析了替代传统水环式真空泵后的节能效果。

透平式真空泵;真空泵;现代纸机;节能

造纸行业使用的真空设备绝大部分是水环式的，水环式真空泵耗能高、效率低，一般来说小型水环式真空泵的效率为30%～35%，大型水环式真空泵效率可达40%或略高，而透平式真空泵效率达到75%。透平式真空泵的工作原理为:从真空点来的气、液、固混合物进入气液分离器，液体和其中所挟带的固体杂质通过气液分离器下部安装的泵抽出，气体由顶部引出经过滤器后进入透平式真空泵。气体在透平式真空泵内经高速旋转的叶轮作用、通过扩压器、蜗壳降速升压后转化成高温气体，连续不断地排出，维持系统内真空度要求。排出的高温气体可回收大部分热能，也可直排地沟或经消声器后排大气。不用水作为循环液，只用水作冷却液。不易产生水垢，节能、节水、环保［1］。

目前，国内有几家大型造纸厂都引进了国外的透平设备。国内也有设备制造公司在配合造纸工艺生产中小型的透平式真空泵。透平设备在造纸行业中代替传统水环真空泵的趋势越来越明显。虽然透平式真空泵在一次性投资上较水环式真空泵大，但成本回收快，持续经济效益明显。

在中国中轻国际工程有限公司承接的项目中，已有将透平式真空泵成功应用于大型文化纸机和新闻纸机的案例。

1 透平式真空泵工作原理

透平式真空泵一般分为多级闭式离心风机和单级开式离心风机，都是利用其装在外壳和扩散系统内的多级叶轮来形成真空的。以国外某公司的透平式真空泵为例，随着叶轮的旋转，空气进入到叶轮中间的孔眼，沿径向外移过程中被加速与增压，第2级叶轮加速第1级来的空气，并接着到第3级和第4级，从而产生真空。空气从各个不同级吸入，产生不同的真空度，以适应纸机真空系统的需要。图1所示是1台多级透平式真空泵的原理简图，图2所示是1台单级透平式真空泵的原理简图。

无论多级闭式还是单级开式用于真空泵时，都具有抽吸量大、真空度水平稳定等特点。但是当真空度高、可供抽吸的空气量越来越少时，常会出现空气回流、浪涌现象，这时被加速后的热空气回流到吸气口，进气管将会发热，严重破坏真空度的稳定性，因此每台透平式真空泵的入口都装有防浪涌阀。当真空度较高、抽吸量不足时，防浪涌阀会根据透平式真空泵的有效功率自动打开，增加空气流量以防止浪涌现象的发生，使得设备功率消耗以及需要的真空度平稳。

1.1 润滑油系统

润滑油系统由油箱、主辅油泵、油冷却器、油过滤器、溢流阀、电加热器和单向阀组成，与润滑油管道集装在公用底座上。润滑油主油泵为机械油泵，安装在齿轮箱的输入轴上。辅助油泵为电动油泵，位于主电机下方，在主机启停和主油泵欠压时运行。主辅油泵以压力联锁，为主机安全运行提供保障。油冷却器选用列管式水冷，通过调节冷却水量保证轴承进油温度。

1.2 控制系统

透平真空泵转速较高，属于较精密的旋转机械，为了确保机组安全可靠运行，配备了完善的检测控制系统，包括气液分离器液位检测、报警、联锁主机;各抽吸点真空度检测、报警、联动防喘旁通阀;各轴承温度点检测、报警;高速转子振动检测、报警;润滑油温度、油压检测、报警、联锁主机;主机电流显示报警、联锁主机;可实现与DCS通迅和交互操作。对主要的参数还设置了实时曲线和历史曲线、报警记录，以供事后查询及故障诊断。根据不同企业的要求，在对主机的启动方式上可选用星-三角、自耦降压或软启动。为了满足同一纸机抄造不同的纸种，还可配备变频控制器，以实现不同纸种对真空度的不同要求，从而降低能耗，使透平式真空泵更加高效节能。图3所示是透平式真空泵的润滑油及控制系统示意图。

2 透平式真空泵在纸机中的应用

在大型纸机中，通常采用1台多级透平式真空泵和1或2台单级透平式真空泵并联使用，将大致需要相同真空度的纸机各个部分都连接到一个或者多个混凝土制的分离槽中。图4所示是造纸机使用透平式真空泵的基本流程示意图。

图3 透平式真空泵润滑油和控制系统示意图

图4中真空系统所产生的气液混合物，经过真空分离槽内的螺旋式分离器和二次分离器，凝结成水滴下沉至真空分离槽底部，真空分离槽中的白水各通过1台负压泵将白水抽出，其中1#、2#分离槽中的网部白水送网部水封池，其他分离槽中的白水送至压榨白水池，然后集中气浮处理。每个分离槽人孔位置都安装一个关门联锁安全开关，槽内安装液位联锁装置，见图5 所示［2］。

图4 透平式真空泵在造纸机上应用的基本流程

图5 真空分离槽示意图

透平式真空泵抽吸量较大，一般可以将真空度要求相近的多个使用点集中在一起，结构组成紧凑，在设备布置上比传统的水环真空泵更节省空间。作为真空设备使用时，具有设备集中、效率高、低能耗的特点［3］。单级透平式真空泵在叶轮以外的壳体上设计有24块可以调节倾角的导流板，可以调节通过透平式真空泵空气的流速，从而实现对真空度进行调节。

3 使用注意事项

透平式真空泵用在真空系统时，其运行速度较高，多级机的操作速度一般在5000 r/min，单级机的操作速度在10000 r/min以上。因此整台设备需要一个较大的基础，防止设备产生高频振动。

由于单台设备功率较大，启动或停止设备时会引起系统电网的负荷波动，各台设备启动需要间隔一定的时间。每次启动前，电机保护程序都会检查停机时间是否够一个规定的时间间隔。

透平式真空泵叶轮转速非常高，对设备的加工和安装精度要求相应提高，而且需要对叶轮在高转速下进行高精度动平衡试验。为防止挟带水分或异物进入，必须有一个大型混凝土的真空分离槽，分离槽内用不锈钢板隔开，其中最大风速不得超过3 m/s。

设备安装后，需要对管道进行彻底清洁，防止异物留存在管道中损坏设备。

空气在被加速压缩和释放过程中会产生较大的噪音，设计安装时，一般将透平式真空泵安装在较为密闭的房间，防止噪音扩散。

4 节能效果

透平式真空系统为涡轮风机，直接抽气形成真空。透平式真空泵具有节能、集中、效率高的特点［3］。以国内某大型造纸企业使用的透平式真空泵为例，替代传统的水环式真空泵后，年节电约3003万kWh，年回收热量约2550万kWh，并节约工业用水。

4.2 节电效果

某项目利用3台总装机功率约6000 kW的透平式真空泵取代15台总装机功率约8810 kW的水环式真空泵，总装机容量减少了2810 kW。在运行时，透平式真空泵还可根据纸机车速来调整抽气量。同时，透平式真空泵真空系统不需要密封水，也节省了密封水所需要的动力。该纸机测定时车速1505 m/min，幅宽10.2 m，3台透平式真空泵功率为3526.38 kW。如果车速达到2000 m/min时其功率为4686.2 kW。使用水环式真空泵的设计功率为8366.2 kW。

年节约能量为:

(8366.2－4686.2)×24×340=3003万 kWh，折算为节省标准煤量约10511 t。

4.3 余热回收

透平真空泵抽出的湿空气温度达140～160℃，增加一个空气换热器，加热冷空气再送入抄纸机，回收了余热。

4.3.1 数据检测

(1)第2次测试时，多级透平式真空泵功率为2000.2 kW，1#透平式真空泵功率为681.16 kW，2#透平式真空泵功率为830.86 kW。合计功率3512.22 kW。

(2)抽气温度64℃，透平式真空泵出口气体温度156.6℃，排气温度73℃。

(3)3台透平式真空泵出口气体流量检测及计算:出口气体平均流速8.97437 m/s，流通截面直径2100 mm，出口温度73℃，出口压力0.1 MPa，则体积流量Vt=流速×流通截面积=31.08374 m3/s，质量流量G0=K·P=34.6156 kg/s。

4.3.2 热平衡计算

图6所示为热平衡图。

图6 热平衡示意图

由图6中可知，输入热Q入=Q1+Q2=4970.22 kW，输出热Q出=Q3+Q4+Q5=4966.72 kW。

4.3.3 计算回收有效热

回收有效热Qe=Q3=3125.37 kW，年回收有效热量QY=2550万kWh，折算为3132.7 t标煤。

4.4 节水效果

采用水环泵真空系统需要密封水20 m3/h，而采用透平式真空系统无需密封水，系统每年可节约用水量17万m3，系统循环的补水量一般为用水量的3%～5%，所以，每年可节约系统循环用水的补水量为0.51万～0.85万m3，折算为437～728 kg标煤，同时节省了循环水的耗电量。

5 结语

透平式真空泵应用于纸机真空系统，替代原有的水环式真空泵，配套功率低，节能效果显著。目前我国大型纸机需采用进口透平设备，国产透平设备仍处于起步阶段，适用规模较小。随着国内研发实力的增强，成本的降低，相信透平式真空泵一定会广泛地应用于我国造纸工业，为国家的节能减排目标做出贡献。

［1］ 最新纸机抄造工艺［M］．曹邦威，译．北京:中国轻工业出版社，1999．

［2］ 德国MAN公司技术文本［S］．

［3］ 张 辉．制浆造纸装备节能节水结构原理与评析［J］．中国造纸，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

刘 斌先生，工程师;主要从事造纸工艺设计工作。

(E-mail:liub@bcel-cn．com)

2011-08-19

(责任编辑:马 忻)