陳首挺 廣東省佛山水泵廠有限公司廣東佛山(528000)

造紙真空系統(tǒng)中兩種常見的真空發(fā)生設(shè)備
——水環(huán)真空泵和透平風(fēng)機(jī)的綜合比較

陳首挺 廣東省佛山水泵廠有限公司廣東佛山(528000)

水環(huán)真空泵和透平風(fēng)機(jī)是現(xiàn)代造紙真空系統(tǒng)中最常見的兩種真空發(fā)生設(shè)備，通過比較兩者的發(fā)展歷史、工作原理、結(jié)構(gòu)特征和在造紙真空系統(tǒng)的應(yīng)用特點(diǎn)，總結(jié)兩者的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，希望能給造紙行業(yè)的相關(guān)技術(shù)人員選用真空發(fā)生設(shè)備時提供參考。

水環(huán)真空泵；透平風(fēng)機(jī)；造紙真空系統(tǒng)

1 前言

水環(huán)真空泵是造紙真空系統(tǒng)最普遍使用的設(shè)備，為造紙行業(yè)技術(shù)人員所熟知。而透平風(fēng)機(jī)在中國的造紙行業(yè)應(yīng)用引入比較晚，從2007年才開始正式有投入使用，造紙行業(yè)的相關(guān)技術(shù)人員了解甚少，常被視為是“新技術(shù)”。事實上這兩種真空發(fā)生設(shè)備發(fā)明的時間非常接近，在造紙行業(yè)中使用都有較長的歷史。兩者各有優(yōu)劣，不能相互取代，故一直在造紙行業(yè)共存，在現(xiàn)有的技術(shù)條件下，水環(huán)真空泵更具優(yōu)勢，仍占據(jù)市場主導(dǎo)地位。

2 發(fā)展歷史的比較

水環(huán)真空泵分別于1903年由美國人Houis Nash和1905年由西門子公司在相互不了解的情況下發(fā)明出來[1]?，F(xiàn)時在中國造紙行業(yè)中常見的水環(huán)真空泵有幾種，其中2BE1系列和2BE3系列平板泵分別于上世紀(jì)70年代末和80年代由西門子公司設(shè)計制造[1]，CBF系列平板泵由廣東省佛山水泵廠有限公司于1999年設(shè)計制造；CL系列和904系列錐體泵分別于1962年和1984年由納氏公司研制[1]。水環(huán)真空泵在造紙真空系統(tǒng)有超過80年的應(yīng)用歷史，世界上90%的造紙廠均采用水環(huán)真空泵組建真空系統(tǒng)[2]?，F(xiàn)時國內(nèi)外都有大量生產(chǎn)用于造紙真空系統(tǒng)水環(huán)真空泵的廠家。

透平風(fēng)機(jī)同樣出現(xiàn)在20世紀(jì)初，最初作為壓縮機(jī)使用。1900年由法國拉托廠首先制造出第一臺透平壓縮機(jī)[3]。瑞士的蘇爾壽公司從1903年開始研制透平壓縮機(jī)，是最早生產(chǎn)透平真空風(fēng)機(jī)的廠家之一，2001年蘇爾壽公司并入德國曼集國，組建成現(xiàn)在的曼透平公司。曼透平公司是現(xiàn)時在中國能提供造紙真空泵系統(tǒng)用透平真空風(fēng)機(jī)的主流廠家，該公司生產(chǎn)的透平風(fēng)機(jī)在造紙真空系統(tǒng)有超過60年的應(yīng)用歷史，主要有RC、RCL和RT三個系列的透平真空風(fēng)機(jī)[4]。根據(jù)國外的造紙工藝教材介紹，美國德萊賽公司原來也生產(chǎn)用于造紙真空系統(tǒng)的透平風(fēng)機(jī)[5]，但現(xiàn)在該公司已經(jīng)不涉足該類應(yīng)用。我國現(xiàn)有陜西鼓風(fēng)機(jī)廠、沈陽鼓風(fēng)機(jī)廠和上海鼓風(fēng)機(jī)廠等多家生產(chǎn)透平風(fēng)機(jī)的廠家，均不涉足造紙行業(yè)。

可見水環(huán)真空泵和透平風(fēng)機(jī)起源于同一時期，在造紙真空系統(tǒng)中的應(yīng)用都有較長的歷史，但水環(huán)真空泵在該領(lǐng)域得到蓬勃的發(fā)展，而透平風(fēng)機(jī)在該領(lǐng)域發(fā)展滯緩。

3 工作原理的比較

水環(huán)真空泵的工作原理是：葉輪與泵體呈偏心配置，當(dāng)葉輪旋轉(zhuǎn)時，水在離心力的作用下沿泵體內(nèi)壁形成近乎等厚的旋轉(zhuǎn)水環(huán)，水環(huán)內(nèi)表面與葉輪輪轂外表面構(gòu)成月牙形的工作腔，并被葉輪葉片分割成大小不等的空腔。前半轉(zhuǎn)空腔的容積逐漸擴(kuò)大，氣體從外界吸入；后半轉(zhuǎn)空腔的容積逐漸縮小，氣體被壓縮后排出外界。從而完成吸氣、壓縮、排氣三個工作階段[6]。通常在紙廠中使用的是單級水環(huán)真空泵，它可以提供全范圍的真空容量。

透平風(fēng)機(jī)的工作原理是利用葉片和氣體的相互作用，葉輪高速轉(zhuǎn)動，提高氣體壓力和動能，并利用相繼的通流元件使氣流減速，將動能轉(zhuǎn)變?yōu)閴毫Φ奶岣?。通常使用多級組合壓縮獲得最終需要的壓力[3]。作為真空發(fā)生器使用時，排出的最終壓力為大氣壓，吸入壓力則為負(fù)壓。通常在紙廠中使用較多的是多級離心式透平風(fēng)機(jī)，壓力逐級升高，各級均有吸入口，每個吸入口有不同的真空度。若使用單級的透平風(fēng)機(jī)，則只能在單個較小的真空范圍內(nèi)工作。

由于工作原理上不相同，要求有不相同的轉(zhuǎn)速，水環(huán)真空泵要求的工作轉(zhuǎn)速較低，一般的葉輪線速度為14～24m/s[6]，透平風(fēng)機(jī)要求的工作轉(zhuǎn)速較高，一般葉輪線速度為300～500m/s[3]，是水環(huán)真空泵的二十倍以上。由于氣體在水環(huán)真空泵內(nèi)的流速較低，并且會被水環(huán)泵內(nèi)的水冷卻，因此吸入與排出的氣體溫度近乎不變。而氣體在透平風(fēng)機(jī)內(nèi)的流速很高，由于摩擦和壓縮均產(chǎn)生熱量會讓氣體溫度急劇升高，往往需要在中間級增加冷卻裝置。透平風(fēng)機(jī)為干式真空發(fā)生設(shè)備，相比需要帶動水環(huán)工作的水環(huán)真空泵，效率會更高一些，但是這樣的干式真空設(shè)備對于水比較敏感，較多水進(jìn)入到透平風(fēng)機(jī)內(nèi)可能會直接導(dǎo)致其損壞。此外，當(dāng)吸入流量小于透平風(fēng)機(jī)的設(shè)計值時，氣流可能脫離風(fēng)機(jī)的葉片，出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)失速的現(xiàn)象[3]。隨著失速的產(chǎn)生和發(fā)展，可能出現(xiàn)另一種不穩(wěn)定工況現(xiàn)象，風(fēng)機(jī)的氣體流量和排氣壓力周期性地低頻率、大振幅波動，引起機(jī)器的強(qiáng)烈振動，這種現(xiàn)象稱為透平風(fēng)機(jī)的喘振[3]。

4 結(jié)構(gòu)特征的比較

水環(huán)真空泵一般為單級葉片，如圖1所示，結(jié)構(gòu)簡單，葉輪與泵體之間通過工作水密封，沒有剛性機(jī)械接觸，可抽吸含水份或粉塵的氣體。由于工作轉(zhuǎn)速較低，工作負(fù)荷不大，只需使用最簡單的滾子軸承結(jié)構(gòu)。

圖1 單級平板水環(huán)真空泵剖面圖

圖2 多級透平風(fēng)機(jī)剖面圖

透平風(fēng)機(jī)常采用多級葉輪的結(jié)構(gòu)，如圖2所示，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，葉輪的前后需帶隔板，葉輪與隔板之間需加裝特殊的密封裝置。為了防止失速和喘振，還需設(shè)有回流的導(dǎo)葉和防喘裝置。由于高速運(yùn)轉(zhuǎn)，對軸承的要求較高，一般采用油膜滑動軸承，有時會采用磁懸浮或氣體軸承[3]。相比水環(huán)真空泵，透平風(fēng)機(jī)雖然顯得比較高級，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，各零件的強(qiáng)度和加工精度都要求較高，生產(chǎn)成本大，可產(chǎn)生故障點(diǎn)多，使用和維護(hù)都比較困難。此外，在運(yùn)行過程中，由于透平機(jī)內(nèi)溫度較高，各零件容易變形造成設(shè)備卡死或振動加大的現(xiàn)象。

5 在造紙真空系統(tǒng)的應(yīng)用特點(diǎn)比較

現(xiàn)代的紙機(jī)都是利用真空幫助紙頁脫水的，因此真空系統(tǒng)是一臺紙機(jī)的重要組成部分。一臺紙機(jī)上有多個真空度要求不相同的真空元件需要連接到真空系統(tǒng)。如果選用水環(huán)真空泵組建真空系統(tǒng)，往往把一些真空度相近點(diǎn)合并后，根據(jù)不同的真空度選用多臺水環(huán)真空泵來組建真空系統(tǒng)。如果選用透平風(fēng)機(jī)組建真空系統(tǒng)，則只需一臺或兩三臺透平風(fēng)機(jī)，則可以組建較大型紙機(jī)的真空系統(tǒng)。兩者相比，用透平風(fēng)機(jī)的集成度較高，比較節(jié)省安裝空間；而使用水環(huán)真空泵的獨(dú)立性較好，不同的真空泵之間不會產(chǎn)生相互干擾或連鎖反應(yīng)。

若選用透平風(fēng)機(jī)，當(dāng)局部真空元件實際運(yùn)行的通氣流量偏小時，透平風(fēng)機(jī)可能出現(xiàn)失速或喘振的現(xiàn)象[3,7]，而當(dāng)局部真空元件實際運(yùn)行的通氣流量偏大時，多級透平風(fēng)機(jī)又會因為各級之間相聯(lián)，會出現(xiàn)整機(jī)真空度偏低的現(xiàn)象，嚴(yán)重時還會造成透平風(fēng)機(jī)性能急劇下降，出現(xiàn)“阻塞”工況[3]。因此，透平風(fēng)機(jī)在真空系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性較差，往往會造成產(chǎn)紙質(zhì)量的下降或斷紙等不良現(xiàn)象。此外，集成度高會造成單臺透平風(fēng)機(jī)的功率過大，給工廠電網(wǎng)和起動設(shè)備帶來不小困難。若使用水環(huán)真空泵，即使某些紙機(jī)真空元件實際運(yùn)行參數(shù)出現(xiàn)偏小或偏大的情況，只會造成相應(yīng)水環(huán)真空泵真空度出現(xiàn)相應(yīng)偏移的現(xiàn)象，不會造成整體較大的負(fù)面影響。若個別真空泵出現(xiàn)問題，需要維修或更換也比較容易操作。

由于氣體挾帶的水份或其他異物進(jìn)入高速運(yùn)動的透平風(fēng)機(jī)可能會對其造成致命的損害，因此透平風(fēng)機(jī)吸入口前必須有大型的水泥或全不銹鋼結(jié)構(gòu)氣水分離室，把氣流速度控制在3m/s以內(nèi)[5,7]，為防止水泥脫落，以用全不銹鋼結(jié)構(gòu)的氣水分離室為佳，這種分離室的制造成本較大。此外，高速運(yùn)轉(zhuǎn)透平風(fēng)機(jī)噪音較大，還需要建造消音的機(jī)房隔音[7]。故透平風(fēng)機(jī)投入使用需要的輔助設(shè)備成本較大。如果使用水環(huán)真空泵，也需要在水環(huán)真空泵前安裝小型的前置氣水分離器，其作用是防止纖維含量較多的水串入水環(huán)真空泵的循環(huán)水系統(tǒng)中影響水質(zhì)，同時防止過多的水流入水環(huán)真空泵造成軸功率過大的現(xiàn)象，要求并不嚴(yán)格，制造成本較低。

透平風(fēng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是機(jī)械效率較高，可節(jié)約設(shè)備能耗。可以看一下實例，比如廣州紙業(yè)2007年投產(chǎn)40萬噸新聞紙項目，真空系統(tǒng)要求總氣量約為6800m/min，采用了三臺透平風(fēng)機(jī)，總裝機(jī)功率為6550kW[7]。如果選用最新的CBF系列水環(huán)真空泵，需要13臺真空泵，總裝機(jī)功率為7005kW，總裝機(jī)功率相差7%左右。如果是加大真空泵的氣量余量或者是選一些性能相對差一點(diǎn)的真空泵，總裝機(jī)功率相差會在10%～25%左右，有一定的節(jié)能效果。此外，透平風(fēng)機(jī)的排氣溫度較高，一般為120～180℃，熱量可回收用于紙機(jī)白水和空氣系統(tǒng)的加熱[3,7]。而且透平風(fēng)機(jī)不需要使用水作為工作液，可以節(jié)約用水。

值得注意的是兩者能耗差并非兩者的設(shè)計機(jī)械效率差，那是因為造紙真空系統(tǒng)抽吸的是濕空氣，如果選用水環(huán)真空泵，由于溫度較高的濕空氣進(jìn)入到水環(huán)真空泵內(nèi)會被泵內(nèi)的水冷凝而體積減小，水環(huán)真空泵的性能相當(dāng)于得到提高；如果選用透平風(fēng)機(jī)，溫度較高的濕空氣進(jìn)入到透平風(fēng)機(jī)溫度會進(jìn)一步升高，氣體膨脹而會對透平風(fēng)機(jī)的性能造成負(fù)面影響。透平風(fēng)機(jī)獲得熱回收的同時，也造成了其內(nèi)部的高溫工作環(huán)境，會增加透平風(fēng)機(jī)零件變形而產(chǎn)生故障的風(fēng)險。水環(huán)真空泵雖然要以水為工作液，但一般都是循環(huán)使用的，水的實際損耗量不會很大。此外，由于透平風(fēng)機(jī)工作的不穩(wěn)定，容易造成產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定而需重復(fù)生產(chǎn)，造成其他能源的浪費(fèi)。

5 總結(jié)

盡管透平風(fēng)機(jī)在設(shè)備能耗、熱回收和節(jié)約水方面相比水環(huán)真空泵更具優(yōu)勢，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜、故障率高、投產(chǎn)成本大，在使用維護(hù)的可操作性、工作的可靠性和組建真空系統(tǒng)的穩(wěn)定性方面遠(yuǎn)不及水環(huán)真空泵。如果使用透平風(fēng)機(jī)，出現(xiàn)產(chǎn)紙質(zhì)量下降或者損紙較多的現(xiàn)象，顧此失彼，事實上是更大的能源浪費(fèi)。因此，在現(xiàn)有的技術(shù)條件下，水環(huán)真空泵的綜合使用性能更勝一籌，故在造紙行業(yè)中占據(jù)主導(dǎo)地位。

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Two of the most common vacuum generator for the modern papermaking vacuum system——Comprehensive comparison of water ring vacuum pump and turbine blower

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2012-10-16

陳首挺（1982-），男，廣東佛山市人，工學(xué)學(xué)士，機(jī)械設(shè)計工程師，主要從事水環(huán)泵在造紙行業(yè)的應(yīng)用研究和相關(guān)產(chǎn)品的設(shè)計工作。