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磁悬浮透平真空泵在造纸厂纸机真空系统的应用

发表时间：2020/11/17 来源：《基层建设》2020年第21期作者：许国辉

[导读] 摘要：真空泵作为造纸厂中纸机真空系统中的关键设备，本文通过比较水环真空泵、透平真空泵和磁悬浮透平真空泵的工作原理、运行特点，结合工程案例，介绍了磁悬浮透平真空泵在造纸厂中的应用前景。

        亿昇（天津）科技有限公司天津 300000
        摘要：真空泵作为造纸厂中纸机真空系统中的关键设备，本文通过比较水环真空泵、透平真空泵和磁悬浮透平真空泵的工作原理、运行特点，结合工程案例，介绍了磁悬浮透平真空泵在造纸厂中的应用前景。
        关键词：磁悬浮透平真空泵造纸应用前景
        引言：
        造纸是我国的传统工业，也是能耗和污染排放的重点监控行业。造纸生产过程的本质是对纸张进行大量脱水的操作过程，主要分为网部、压榨部、干燥部三个操作单元，纸页中98~99%的水分经过网部和压榨部的机械作用被脱除掉，其余通过干燥部脱除到纸页所需的含水量。为网部和压榨部脱水提供真空负压环境的真空泵系统，其电耗约占纸机总能耗（电耗、蒸汽消耗）的12%~20%左右，占总生产成本的3%~6%，因此，纸机真空泵系统的节能改造对降低单位产品的能耗具有重要意义。
        1.造纸厂常用真空泵的工作原理分析
        1.1 水环真空泵
        在过去很长时间内，水环泵都是纸机配备真空系统的主要选择。现在世界上仍有90%以上的纸机使用水环泵。
        水环泵是一种正排气式泵。它通过在一个圆筒形壳体内不停地回转偏心叶轮的方式压缩空气。液体（通常为水）被灌入泵内，经离心加速，在壳体内侧形成一个移动的圆柱环。此液环在叶轮与叶片之间构成一系列密封空间，形成压缩腔。介于叶轮旋转轴和壳体几何轴之间的偏心距，使得压缩腔体积循环变化。气体，常常为空气，通过壳体末端的一个入口被抽进泵中。这些气体被液环与叶片间形成的压缩腔捕获。由于叶轮旋转，压缩腔体积减小，气体被压缩，并最终从壳体另一端的出口排出。气体不停地从入口抽入，经出口排出，这就构成了对连接入口那端的空间/介质进行抽真空的过程。
        1.2单/多级透平真空泵
        透平机（turbine）就是涡轮机的音译，具有叶片的动力式流体机械。透平机的最大特点就是装有叶片的转子做高速旋转运动，叶片与空气之间产生互相作用，达到抽取空气形成真空的目的。
        1.3磁悬浮透平真空泵
        磁悬浮透平真空泵是将磁悬浮轴承技术、高速电机技术、变频控制技术融入传统透平真空泵中形成的一种高效、节能、环保的新型透平真空泵。
        通过内置的径向传感器和轴向传感器检测转轴的位移信号，将得到信号送入磁悬浮轴承控制器进行调理、运算和放大得到控制电流，再将该控制电流输入径向磁轴承和轴向磁轴承，通过电流产生磁场，又由磁场产生吸力，从而实现转轴的悬浮。
        高速电机通过变频电源产生频率可控的交变电流，将此交变电流输入电机定子产生交变的磁场，带动转轴高速旋转。
        随转轴一同作高速旋转的真空泵叶轮带动空气从涡壳的进气口进入，空气在涡壳的导向与增压作用下便成为具有一定流速与压力的气体，最后从涡壳的出气口排出。进气口与纸机真空工艺点连接，实现抽真空的作用。
        2.几种常用真空泵综合性能比较
        2.1．目前国内的造纸工艺常采用液环式和罗茨式真空泵两种，均为容积式真空泵。液环式真空泵效率低，一般在30%左右，均用水作为泵的工作液，由于工作液的存在，易在泵体、叶轮等过流部位产生结垢、腐蚀等现象，维修量较大。罗茨真空泵仅为液环真空泵的辅助设备，串联在真空系统中，产量较大的一般不配置。
        由于容积式真空泵普遍存在效率低的问题，并且受到转速难以大幅提高的限制，在一些需要大抽气量的粗真空获得场合，传统真空泵的应用存在着较多弱点。
        2.2．透平真空泵与传统的水环式真空泵结构和原理不同，透平真空泵是以高速旋转的叶轮直接对空气进行做功而形成稳定的真空度，而水环式真空泵是通过改变密封水与偏心安装在泵体内的叶轮和叶片间的容积大小来抽取真空，所以透平真空泵工作效率远比水环式真空泵效率高。
        单/多级透平机能提供不同流量下稳定的真空度。与液环泵相比，这些透平风机更重、体型也更巨大，单台功率更高。一台多级透平风机的重量甚至可达上百吨。所以为了防止共振，必须将它们安装在非常坚固的基础上。
        对透平风机来说，密封水是不需要的。从这点来说，它们似乎克服了液环泵的一些缺点。但和液环泵一样，这些透平风机也是通用型的真空泵。它们可能在某些需要固定真空度或流量的行业能很好地发挥作用，但它们都不是特别为造纸行业设计的。而造纸行业偏偏对真空度和流量的需求是动态变化的。
        2.3.磁悬浮透平真空泵相对于水环真空泵和传统透平泵有如下优势：
        （1）磁悬浮透平真空泵采用电磁轴承替代传统机械轴承，消除摩擦，转速更高、寿命更长、噪音更低、效率更高；
        （2）电机转子与叶轮直连，省却联轴器、齿轮箱，变频驱动效率更高；
        （3）不需循环密封水，更节约水资源，效率更高；
        （4）不用添加润滑油、更换轴承，维护成本更低；
        （5）使用变频和PLC控制，智能化程度更高，能适应不同真空度、抽气量工况范围。
        （6）采用磁悬浮电机驱动振动量极小，安装不需特殊基础，安装简便。
        3.工程案例
        2019年5月份，仙鹤股份技改组经过反复的技术先进性论证、现场调研及公司考察，决定在衢州生产基地PM17纸机生产线的真空系统改造中采用亿异科技全球首创的磁悬浮透平真空泵替换传统水环真空泵，改造前的系统情况见表1。

表1
结合该纸机真空系统管路布置的特点及生产工艺对各抽吸点真空度的要求，亿异公司提供了由2台EV300型号磁悬浮透平真空泵替代现有7台水环真空泵的改造方案（见表2）。

                                           表2
        通过对比表1和表2数据，可计算出采用磁悬浮透平真空泵比传统水环真空泵能耗节约44%。并且磁悬浮透平真空泵不需要密封水，节约水资源。
        结束语：
        磁悬浮透平真空泵目前在国内乃至世界市场属于新型产品，相比于其它类型真空泵，虽设备投资相对较高，但该真空泵具有免维护，效率高、较其它真空泵更能节能的特点，且能降低真空泵房面积建设成本，安装简单，因此，磁悬浮透平真空泵在造纸厂的应用前景非常广泛。
        参考文献：
        [1]李月仙，陈杰，温建新.TBJ型透平真空泵在纸机真空系统的应用[J].中华纸业，2010，31（4）：72.
        [2]刘斌.透平式真空泵在现代纸机上的应用[J].中国造纸，2012，31（1）：52.
        [3]过盘兴.透平真空泵的节能效果分析[J].中华纸业，2009，30（12）：87.
        [4]亿昇（天津）科技有限公司，磁悬浮透平真空泵产品样册。