造纸真空系统中两种常见的真空发生设备-水环真空泵和透平风机的综合比较

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)广东省佛山水泵厂有限公司 作者:陈首挺

  水环真空泵和透平风机是现代造纸真空系统中最常见的两种真空发生设备,通过比较两者的发展历史、工作原理、结构特征和在造纸真空系统的应用特点,总结两者的优点和缺点,希望能给造纸行业的相关技术人员选用真空发生设备时提供参考。

1、前言

  水环真空泵是造纸真空系统最普遍使用的设备,为造纸行业技术人员所熟知。而透平风机在中国的造纸行业应用引入比较晚,从2007 年才开始正式有投入使用,造纸行业的相关技术人员了解甚少,常被视为是“新技术”。事实上这两种真空发生设备发明的时间非常接近,在造纸行业中使用都有较长的历史。两者各有优劣,不能相互取代,故一直在造纸行业共存,在现有的技术条件下,水环真空泵更具优势,仍占据市场主导地位。

2、发展历史的比较

  水环真空泵分别于1903 年由美国人Houis Nash和1905 年由西门子公司在相互不了解的情况下发明出来。现时在中国造纸行业中常见的水环真空泵有几种,其中2BE1 系列和2BE3 系列平板泵分别于上世纪70 年代末和80 年代由西门子公司设计制造,CBF 系列平板泵由广东省佛山水泵厂有限公司于1999 年设计制造;CL 系列和904 系列锥体泵分别于1962 年和1984 年由纳氏公司研制。水环真空泵在造纸真空系统有超过80 年的应用历史,世界上90%的造纸厂均采用水环真空泵组建真空系统。现时国内外都有大量生产用于造纸真空系统水环真空泵的厂家。

  透平风机同样出现在20 世纪初,最初作为压缩机使用。1900 年由法国拉托厂首先制造出第一台透平压缩机。瑞士的苏尔寿公司从1903 年开始研制透平压缩机,是最早生产透平真空风机的厂家之一,2001 年苏尔寿公司并入德国曼集国,组建成现在的曼透平公司。曼透平公司是现时在中国能提供造纸真空泵系统用透平真空风机的主流厂家,该公司生产的透平风机在造纸真空系统有超过60 年的应用历史,主要有RC、RCL 和RT 三个系列的透平真空风机。根据国外的造纸工艺教材介绍,美国德莱赛公司原来也生产用于造纸真空系统的透平风机,但现在该公司已经不涉足该类应用。我国现有陕西鼓风机厂、沈阳鼓风机厂和上海鼓风机厂等多家生产透平风机的厂家,均不涉足造纸行业。

  可见水环真空泵和透平风机起源于同一时期,在造纸真空系统中的应用都有较长的历史,但水环真空泵在该领域得到蓬勃的发展,而透平风机在该领域发展滞缓。

3、工作原理的比较

  水环真空泵的工作原理是:叶轮与泵体呈偏心配置,当叶轮旋转时,水在离心力的作用下沿泵体内壁形成近乎等厚的旋转水环,水环内表面与叶轮轮毂外表面构成月牙形的工作腔,并被叶轮叶片分割成大小不等的空腔。前半转空腔的容积逐渐扩大,气体从外界吸入;后半转空腔的容积逐渐缩小,气体被压缩后排出外界。从而完成吸气、压缩、排气三个工作阶段。通常在纸厂中使用的是单级水环真空泵,它可以提供全范围的真空容量。

  透平风机的工作原理是利用叶片和气体的相互作用,叶轮高速转动,提高气体压力和动能,并利用相继的通流元件使气流减速,将动能转变为压力的提高。通常使用多级组合压缩获得最终需要的压力。作为真空发生器使用时,排出的最终压力为大气压,吸入压力则为负压。通常在纸厂中使用较多的是多级离心式透平风机,压力逐级升高,各级均有吸入口,每个吸入口有不同的真空度。若使用单级的透平风机,则只能在单个较小的真空范围内工作。

  由于工作原理上不相同,要求有不相同的转速,水环真空泵要求的工作转速较低,一般的叶轮线速度为14~24m/s ,透平风机要求的工作转速较高,一般叶轮线速度为300~500m/s,是水环真空泵的二十倍以上。由于气体在水环真空泵内的流速较低,并且会被水环泵内的水冷却,因此吸入与排出的气体温度近乎不变。而气体在透平风机内的流速很高,由于摩擦和压缩均产生热量会让气体温度急剧升高,往往需要在中间级增加冷却装置。透平风机为干式真空发生设备,相比需要带动水环工作的水环真空泵,效率会更高一些,但是这样的干式真空设备对于水比较敏感,较多水进入到透平风机内可能会直接导致其损坏。此外,当吸入流量小于透平风机的设计值时,气流可能脱离风机的叶片,出现旋转失速的现象。随着失速的产生和发展,可能出现另一种不稳定工况现象,风机的气体流量和排气压力周期性地低频率、大振幅波动,引起机器的强烈振动,这种现象称为透平风机的喘振。

4、结构特征的比较

  水环真空泵一般为单级叶片,如图1 所示,结构简单,叶轮与泵体之间通过工作水密封,没有刚性机械接触,可抽吸含水份或粉尘的气体。由于工作转速较低,工作负荷不大,只需使用最简单的滚子轴承结构。

单级平板水环真空泵剖面图

图1 单级平板水环真空泵剖面图

1- 叶轮2- 主轴3- 泵体

多级透平风机剖面图

图2 多级透平风机剖面图

1- 机壳2- 叶轮3- 隔板4- 主轴

  透平风机常采用多级叶轮的结构,如图2 所示,结构比较复杂,叶轮的前后需带隔板,叶轮与隔板之间需加装特殊的密封装置。为了防止失速和喘振,还需设有回流的导叶和防喘装置。由于高速运转,对轴承的要求较高,一般采用油膜滑动轴承,有时会采用磁悬浮或气体轴承。相比水环真空泵,透平风机虽然显得比较高级,但结构复杂,各零件的强度和加工精度都要求较高,生产成本大,可产生故障点多,使用和

  维护都比较困难。此外,在运行过程中,由于透平机内温度较高,各零件容易变形造成设备卡死或振动加大的现象。

5、造纸真空系统的应用特点比较

  现代的纸机都是利用真空帮助纸页脱水的,因此真空系统是一台纸机的重要组成部分。一台纸机上有多个真空度要求不相同的真空元件需要连接到真空系统。如果选用水环真空泵组建真空系统,往往把一些真空度相近点合并后,根据不同的真空度选用多台水环真空泵来组建真空系统。如果选用透平风机组建真空系统,则只需一台或两三台透平风机,则可以组建较大型纸机的真空系统。两者相比,用透平风机的集成度较高,比较节省安装空间;而使用水环真空泵的独立性较好,不同的真空泵之间不会产生相互干扰或连锁反应。

  若选用透平风机,当局部真空元件实际运行的通气流量偏小时,透平风机可能出现失速或喘振的现象,而当局部真空元件实际运行的通气流量偏大时,多级透平风机又会因为各级之间相联,会出现整机真空度偏低的现象,严重时还会造成透平风机性能急剧下降,出现“阻塞”工况。因此,透平风机在真空系统工作的稳定性较差,往往会造成产纸质量的下降或断纸等不良现象。此外,集成度高会造成单台透平风机的功率过大,给工厂电网和起动设备带来不小困难。若使用水环真空泵,即使某些纸机真空元件实际运行参数出现偏小或偏大的情况,只会成相应水环真空泵真空度出现相应偏移的现象,不会造成整体较大的负面影响。若个别真空泵出现问题,需要维修或更换也比较容易操作。

  由于气体挟带的水份或其他异物进入高速运动的透平风机可能会对其造成致命的损害,因此透平风机吸入口前必须有大型的水泥或全不锈钢结构气水分离室,把气流速度控制在3m/s 以内,为防止水泥脱落,以用全不锈钢结构的气水分离室为佳,这种分离室的制造成本较大。此外,高速运转透平风机噪音较大,还需要建造消音的机房隔音。故透平风机投入使用需要的辅助设备成本较大。如果使用水环真空泵,也需要在水环真空泵前安装小型的前置气水分离器,其作用是防止纤维含量较多的水串入水环真空泵的循环水系统中影响水质,同时防止过多的水流入水环真空泵造成轴功率过大的现象,要求并不严格,制造成本较低。

  透平风机的优点是机械效率较高,可节约设备能耗。可以看一下实例,比如广州纸业2007 年投产40万吨新闻纸项目, 真空系统要求总气量约为6800m/min,采用了三台透平风机,总装机功率为6550kW。如果选用最新的CBF 系列水环真空泵,需要13 台真空泵,总装机功率为7005kW,总装机功率相差7%左右。如果是加大真空泵的气量余量或者是选一些性能相对差一点的真空泵,总装机功率相差会在10%~25%左右,有一定的节能效果。此外,透平风机的排气温度较高,一般为120~180℃,热量可回收用于纸机白水和空气系统的加热。而且透平风机不需要使用水作为工作液,可以节约用水。

  值得注意的是两者能耗差并非两者的设计机械效率差,那是因为造纸真空系统抽吸的是湿空气,如果选用水环真空泵,由于温度较高的湿空气进入到水环真空泵内会被泵内的水冷凝而体积减小,水环真空泵的性能相当于得到提高;如果选用透平风机,温度较高的湿空气进入到透平风机温度会进一步升高,气体膨胀而会对透平风机的性能造成负面影响。透平风机获得热回收的同时,也造成了其内部的高温工作环境,会增加透平风机零件变形而产生故障的风险。水环真空泵虽然要以水为工作液,但一般都是循环使用的,水的实际损耗量不会很大。此外由于透平风机工作的不稳定,容易造成产品质量不稳定而需重复生产,造成其他能源的浪费。

6、总结

  尽管透平风机在设备能耗、热回收和节约水方面相比水环真空泵更具优势,但结构复杂、故障率高、投产成本大,在使用维护的可操作性、工作的可靠性和组建真空系统的稳定性方面远不及水环真空泵。如果使用透平风机,出现产纸质量下降或者损纸较多的现象,顾此失彼,事实上是更大的能源浪费。因此,在现有的技术条件下,水环真空泵的综合使用性能更胜一筹,故在造纸行业中占据主导地位。

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