螺杆式真空泵系统设计及其在卷烟企业的应用

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)淮阴卷烟厂 作者:吴锐

  真空系统是卷烟加工企业公用工程的重要组成部分,主要为卷接包车间提供符合设计参数的负压空气。烟草行业的真空系统目前使用较多的是水环式真空泵(还有一些少量的滑片式真空泵),从技术发展状况来看,液环式真空系统的缺点逐渐显现。当前一种新式德国BECKER 螺杆式真空泵已经引进国内,其性能指标完全满足生产运行的要求,尤其能够满足变负荷时的调节需求。本文通过淮阴卷烟厂“十一五”技改中真空系统项目,研究其性能特点及在卷烟企业的应用前景。

1、螺杆真空泵的工作原理

  BECKER 螺杆真空泵的结构见图1。它的工作原理是利用传动同步反向滑转的相互啮合而不接触的螺杆作高速转动,利用泵壳和相互啮合的螺滑将螺滑槽分隔成多个空间,形成多个级,空气从左端吸入,在相等的各个槽内(柱形等螺距)进行传输运动,但无压缩,只有螺杆最末端的螺滑结构对气体有压缩作用,螺杆的各级间可形成压力梯度,以分散压差和提高压缩比,最终气体从右边的排气端排出。由于螺杆是连续运转,因此在吸气端能够持续的形成负压,实现抽真空的目的。

BECKER 螺杆真空泵结构图

图1 BECKER 螺杆真空泵结构图

  真空泵螺杆转子不同于空压机的转子形状,呈中空形,为悬臂支承结构,同步传动齿轮位于支座下面,变频电机通过联轴节与主动转子连接。该泵的气体路径较短,泵外壳通过风冷却。螺杆式真空泵极限抽真空能力可以达到1kPa(绝对压力)以下,具体工作的压力值可以根据用户的需求定制,能够满足卷烟生产企业所需300kPa(绝对压力)工艺参数要求。

2、螺杆式真空泵的系统配置及设计

2.1、螺杆式真空泵的系统设计

  BECKER 螺杆真空泵不同于传统的真空系统只重视末端真空设备的性能,而是提供真空系统的全套解决方案,并考虑真空系统节能运行的问题。

  本次淮阴卷烟厂技改中,按年产60 万箱的规模来设计,设计抽气量为4 000m3/h,选择的螺杆真空泵型号为VADS 1500,单台抽气能力最大可以达到1 500m3/h,最大抽真空能力200kPa(绝对压力),采用3 台并联的方式(预留1 台位置),其中2 台采用变频控制。

  在系统设计中(见图2),在主管路上安装一只真空调节阀,并将系统压力限定到恰好低于单台设备安全运转的系统压力下(该功能仅在接近最小流量时才需起用)。真空调节阀的作用是:当系统负荷小时(如单台卷包设备运行),出现不符要求的高真空情况的出现,真空调节阀将自动打开,向管道中补充空气,平衡系统负压压力,实现调节的目的。另外,还需在主管道上设置压力传感器,用于测量系统压力,为控制器提供一个控制参数。

真空系统示意图

图2 真空系统示意图

  在负压管道的末端(接到每台卷包设备的管道上)安装电磁控制阀,当卷包设备停开时,可以通过控制系统发出指令关闭电磁阀,减少系统的抽气量,降低真空泵的负荷。

2.2、自动控制和系统调节

  采用BECKER 配套的VACON4 排序中控器控制,控制逻辑见图3,采用RS485 通讯协议与动力控制中心实现数据交换,VACON4 排序控制器可以满足最少1 台最大22 台设备负荷无级控制,完全可以适应卷烟企业集中群控的控制要求。

图3 控制原理图

2.3、站房设计要求

  1)设备基础要求水平,安装时需加弹性减震垫,以减少振动和噪声。

  2)由于BECKER 螺杆真空泵采用风冷方式,设备的热量被风扇带出,所以必须考虑必要的通风降温措施,通常是在排风口安装局部排风罩,通过风管将热风引至室外。

  3)虽然排气管道上安装了消音器,但多台设备工作时,噪声会叠加,当站房靠近厂界或对噪声指标有要求的建筑时,有必要对站房内采取必要的降噪措施,建议站房内墙壁安装穿孔吸音板,站房的门应能够关闭严密。

3、节能运行

  螺杆真空泵属于恒转矩负载, 其运行功率与转速成正比。

PL= TLnL/9550

  式中,PL 为螺杆真空泵的功率;TL 为转矩;nL 为转速。

  因此,通过变频调节,能够实现节能的目的。针对本次改造,考虑到如选择1 台真空泵做变频调节,由于频率值不能太低,根据设备手册,频率值最小值为22Hz,此时抽气量为660 m3/h,经计算在1 500m3/h~2 160m3/h 和3 000m3/h~3 600m3/h 两个负荷区间,设备不能满足无级调节,因此在设计中,采用2 台机变频的方案。实际调节过程如表1、表2,两种方式功率比较见图4。

两种方式功率比较

图4 两种方式功率比较

  通过比较,可以很清晰地看到,采用2 台变频的方案不仅可以满足在总负荷范围的无级调节,实现负压的稳定供应,相比与不变频的方案,能够实现节能运行的目的。

4、螺杆真空泵与其它类型真空泵的比较

4.1、与滑片式真空泵相比(见表3)

  可以看出,滑片式真空泵相比与螺杆式真空泵的缺点:一是其运行一段时间后容易造成滑片磨损,效率为之下降,因此需要定期进行更换;二是其功率要大于螺杆式,运行成本较高;三是不能实现变频调节。

4.2、与水环式真空泵相比(见表4)

  螺杆式真空泵相对于水环式真空泵,有如下一些优缺点:

  1)无需工作液,不存在腐蚀和水质处理的问题。

  2)能够提供系统的解决方案,从末端到主机系统集成,自动化程度高,能够实现变频调节,保证负压稳定。

  3)噪声较低,通常噪声值在80dB 以下。

  4)自动化程度高,可实现PLC 控制,便于实现远程控制和实现群控。

  5)缺点是初投资费用较高,但考虑到投资回收期在合理范围内, 其性能价格比仍然很不错。

5、结语

  虽然螺杆式真空泵的初投资较高,但其运行成本较低,节能特性明显,相比其它两种在卷烟企业应用较多的真空泵,仍然有着显著的优点。随着机械行业特别是卷烟企业新一轮的技术改造,螺杆式真空泵必将得到越来越多的重视,其良好的负荷调节范围和经济运行特性必将会在有关工业生产企业, 尤其是卷烟企业得到越来越多的应用。

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