从真空系统、刮刀及在线脱水测量协同角度探讨纸机节能及系统优化

杨凤辉

(芬兰兰泰克系统有限公司，芬澜造纸技术(上海)有限公司，上海，201203)



·纸机节能·

从真空系统、刮刀及在线脱水测量协同角度探讨纸机节能及系统优化

杨凤辉

(芬兰兰泰克系统有限公司，芬澜造纸技术(上海)有限公司，上海，201203)

探讨了纸机真空系统、刮刀和在线脱水测量对纸机能耗及运行性的影响。高效、可靠的刮刀和在线脱水测量为纸机在最优真空度下运行创造条件，真空系统控制、刮刀及脱水在线测量三者协同作用，在优化纸机脱水和真空系统能耗的同时，提高纸机系统运行性和效率。

真空系统；变速透平机；刮刀；在线脱水测量；节能；纸机运行性

(E-mail: yang.fenghui@runtech.fi)

在竞争日益激烈的造纸行业，最大化节能和提高纸机运行性，从而降低单位成本，是越来越多的造纸企业都在追求的目标[1-2]。而过去乃至现在还有很多的造纸企业，仅从设备改造、升级的角度出发，可能从单方面的角度看，降低了部分能耗或成本。但很多时候，由于引进新设备，改造成本较高，而且可能给纸机系统稳定性或运行性造成不利的影响，从而导致单方面的所谓节能降耗项目反而导致了纸机系统运行性和稳定性的降低，导致单位成本没有下降甚至反而增加的情况时有发生。所以，笔者认为不管是新纸机还是改造项目，都有必要从系统角度出发进行分析。

最近一两年来，越来越多的纸机真空系统从传统的水环泵技术改用透平机技术。本研究从纸机真空系统、脱水刮刀及脱水在线测量的角度，来探讨纸机节能和系统优化。

1 真空度及脱水问题分析及应对策略

目前造纸行业中，纸机压榨部真空系统能耗高及脱水效果差是困扰纸机运行稳定性及产生高电耗的最重要因素之一。就真空系统而言，大多数造纸生产者认为，高真空度有利于纸幅网部、压榨部脱水而忽略了过高真空度带来的负面影响，如成形网和毛布磨损过快、压榨部纸幅回湿、传动负载高等。 Juha K等人[3]通过实际纸机测试证明了高真空度并不等同于更好的脱水或更高的产能。

图1 水环泵、定速透平机及变速透平机运行曲线

在真空系统配置方面，目前大多数纸机真空系统的配置是传统的水环真空泵或定速透平机，传统的水环泵和定速透平机在真空和抽气量调节方面受到限制[4]，如无法灵活地根据纸机不同生产状况下的真空度需求而变化，造成真空系统的能源浪费等，如图1所示。同时，传统的真空系统配置运行效率低，增加了纸机真空系统运行成本。

图3 Ecoflow在线脱水测量系统

图4 兰泰克公司用于沟纹辊及盲孔辊的Air Blade空气刮刀

采用变频透平真空系统时(如图2所示)，根据纸机不同运行条件设定透平机的转速来满足纸机不同工况下动态的抽气量和真空度需求。相比传统水环泵和定速透平机，如采用变频透平机真空系统，可为纸机真空系统节能30%～70%。

目前，绝大多数纸机都没有配备准确、可靠的网部和压榨部脱水计量系统，少数纸机配备的是传统的电磁式流量计，而电磁式流量计往往由于受到测量条件的限制无法准确反映实际脱水量，也就无法为真空度调节提供真实有效的依据。

图2 兰泰克公司EP500-D1变频透平机

据笔者了解，国际市场上现在已有对纸机脱水进行在线实时测量的系统，比如芬兰兰泰克公司的Ecoflow在线脱水测量系统(见图3)。其采用重力原理巧妙测量纸机各关键脱水点的脱水量，相比传统的电磁式流量计，Ecoflow能最大限度地避免水中气泡、纤维以及其他因素对测量结果准确性的影响，从而显著提高脱水测量准确性。通过对关键脱水点的精确测量，使用Ecoflow作为辅助工具来调节纸机关键脱水点的真空度，可达到最佳真空控制的效果。迄今为止，对Ecoflow这一确立纸机在线脱水测量新的全球行业标准的技术，全球不同造纸企业已成功应用上万套。

刮刀与接水盘的主要作用是最大限度地刮除和接收压榨部脱除的水，减少毛毯和纸幅的回湿。所以，高效、可靠的刮刀和接水盘对纸机脱水的重要性是不言而喻的。传统刮刀在应用于沟纹或盲孔辊时，都无法有效去除沟纹或盲孔内的水及脏物，而芬兰兰泰克公司AirBlade空气刮刀技术(见图4)，借助压缩空气的原理，从根本上解决沟纹辊或盲孔辊脱水效率低以及纸幅回湿等问题，极大提高压榨部脱水效率。

干燥部蒸汽消耗过高和纸机运行效率低的问题也困扰着很多造纸企业，最主要的原因为：纸幅出压榨部干度低，容易造成断纸和干燥部蒸汽消耗过高。当刮刀和接水盘效果不佳时，则进一步加剧了这一现象。刮刀性能差使得压榨部脱除的水无法全部刮除，最终回到毛毯和造成纸幅回湿；接水盘效果差使得压榨部脱除的水无法被全部收集，最终回到毛毯和纸幅，还会造成脏物在接水盘下表面积聚并最终掉落到毛毯上造成断纸。所以，压榨部脱水优化是提高出压榨部干度和提升纸机运行性的前提。

研究表明，提高出压榨部干度有助于提高产率，如图5所示。良好的刮刀和接水盘系统可改善压榨部脱水，减少纸幅回湿，有效提高纸幅出压榨部干度，从而实现能耗节约和产率提高。

图5 出压榨部干度和产率的关系

图7 真空系统、刮刀及在线脱水测量对降低纸机能耗的协同作用

节能减排一直是造纸行业重要议题，随着国家一系列政策的出台，造纸行业节能减排势在必行，在纸机真空系统方面，目前国内大多数包装纸吨纸能耗在80 kW左右(随纸机产能和纸张定量等变化而变化)，卫生纸吨纸能耗在150 kW左右(随纸机产能和纸张定量等变化而变化)。采用兰泰克系统优化后，最佳应用案例为：纸板真空系统吨纸能耗为30～40 kW，卫生纸吨纸能耗约为90 kW。纸板和卫生纸吨纸能耗见图6。

图6 纸板和卫生纸吨纸能耗行业对标

2 纸机真空系统及脱水优化

以芬兰兰泰克系统优化为例，真空系统采用变频控制，可根据纸机不同运行条件设定透平机的转速来满足纸机不同工况下动态的抽气量和真空度需求，刮刀与接水盘可最大限度接收和脱除压榨部脱除的水，降低毛毯和纸幅回湿。在线脱水测量系统提供实时及准确的脱水数据，作为辅助工具用来调节纸机关键脱水点的真空度。真空系统、刮刀(和接水盘)及在线脱水测量三者协同作用，达到在纸机运行性最大化的同时，使真空系统能耗最小化的效果。三者结合对纸机进行系统优化的关系如图7所示。

图8 毛布吸水箱真空度对压榨部脱水量的影响

图8所示为利用Ecoflow在线脱水测量的毛布吸水箱真空度对压榨部脱水量的影响，表明了如何优化可获得最佳。纸机压榨部的脱水量是毛布吸水箱脱水和压榨区脱水的总和，它们的脱水量可通过测量毛布吸水箱汽水分离器水腿及压榨区接水盘脱水量获得。从图8中可以看出，随着真空度的提高，毛布吸水箱的脱水量呈现上升趋势，而接水盘的脱水量却逐渐降低，总脱水量也呈现出逐渐下降的趋势。当毛布吸水箱真空度为-28 kPa时，总脱水量达到最大为1625 L/min，实现最佳的脱水效果，此真空度即为纸机该抽吸点在这一运行条件下的最佳真空度。由此可见，压榨区脱水对压榨部总脱水量起到主导性的作用，在某些情况下甚至可以关闭部分毛布吸水箱以实现最佳的压榨部脱水并提高出压榨部干度[5]。芬兰兰泰克变频控制的透平机根据脱水量的大小来相应调节抽吸点真空度，使脱水达到最佳优化状态。良好的刮刀和接水盘效果则保证了最佳压榨区脱水并将脱除的水全部收集。可见，图8非常清晰的展示了真空系统、刮刀和接水盘及在线脱水测量协同作用可达到系统优化的效果[6]。

图9 Savon Sellu PMx改造后真空系统流程图

图10 改造后真空系统单位能耗统计

3 国内外系统优化应用案例及成果

(1)案例1

芬兰Savon Sellu PMx，车速800 m/min，生产牛皮挂面纸板，产能42 t/h。

改造方案如图9所示。利用3台兰泰克变频透平机加1台原有水环泵,替代原有的8台水环泵，同时配置Ecoflow在线脱水计量系统， 并对压榨部接水盘及复合压榨和三压上下辊的刮刀进行优化。

改造后，真空系统能耗由原来的62.8 kWh/t降低到37.6 kWh/t，如图10所示。纸幅出压榨部干度提高1.5%，产能增加8%，干燥部蒸汽消耗降低7%，同时，水环泵密封水消耗量大大降低。

(2)案例2

西班牙Papeleria de la Alqueria PMx，车速370～650 m/min，生产瓦楞原纸，产能11 t/h。

改造流程图如图11所示。利用1台兰泰克变频透平机替代原有的6台水环泵，在保证纸幅干度和蒸汽消耗的条件下对真空伏辊进行优化直至真空度降低为0，同时为三压靴辊配置新的空气刮刀。

改造后，真空系统能耗降低663 kW，产能增加11%，干燥部蒸汽消耗降低7%，同时，水每年节约环泵密封水90000 m3。

(3)案例3

美国Confidential PMx，车速960 m/min；生产手袋纸和挂面纸，产能22 t/h。

图11 Papeleria de la Alqueria PMx改造后真空系统流程图

使用兰泰克3台变频透平机替代原有的全部水环泵，为压榨部各脱水点配置Ecoflow在线脱水计量系统，对压榨部的一压、二压及三压刮刀进行改造，其中一压和二压刮刀为RSP空气刮刀，并为二压压辊配置新的接水盘。

改造后，纸机真空系统能耗降低560 kW，产能增加7%，干燥部蒸汽消耗降低4%，同时，节约大量水环泵密封水。

(4)案例4

国内某大型挂面箱纸板厂，车速700～820 m/min， 对网部和压榨部进行真空系统改造，利用3台透平机替代原有的5台水环泵，运行能耗从3150 kW降低到1500 kW，节能52%。

(5)案例5

国内某大型牛卡纸厂，车速420～650 m/min， 对网部和压榨部进行真空系统改造，利用1台变速透平机替代原有的4台水环泵，运行能耗从650 kW降低到370 kW，节能43%。

4 结 论

传统的乃至现在很多的真空系统改造只是从真空设备入手，不管是配备变频器的水环泵还是定速透平机，虽然有一定的节能效果，但是要做到真正纸机最大化节能和降低单位成本来说，还远远不够。相比于真空系统节能，单位能耗下产能的提高更受到造纸企业的青睐，而提升纸机运行稳定性和出压榨部干度是提高纸机产能的关键。兰泰克变速透平机、在线脱水测量和刮刀与接水盘等技术相互协调作用，在满足纸机真空系统节能的同时，最大限度提升纸机运行稳定性和提高纸幅出压榨部干度，契合纸机节能最大化的同时，单位成本最小化的战略目标。

芬兰兰泰克系统有限公司已为国内外500多家纸厂提供了整合的系统优化解决方案，目前中国应用案例有理文、恒安、联盛、荣成、景兴、夏王、红塔、恒联、冠军等纸业公司。

[1] LI Wei-ling. Energy Consumption Status and Energy Saving Measurement of China’s Paper Industry[J]. China Pulp & Paper， 2011， 30(3): 61． 李威灵. 我国造纸工业的能耗状况和节能降耗措施[J]. 中国造纸， 2011， 30(3)： 61．

[2] Tom L， 韩妍燕. 制浆造纸行业的可持续性和能源效率提升[J]. 中华纸业, 2015， 36(7): 8.

[3] Juha K. Vacuum system and dewatering optimization[C]. Nashville， Paper Con., 2014.

[4] Juha K， 杨凤辉. 制浆造纸行业节能型真空系统-Ecopump节能透平机[J]. 中华纸业, 2014， 35(12): 67.

[5] Daniel H. Optimizing water removal in the press section[C]. Nashville， Paper Con., 2014．

(责任编辑：马 忻)

Paper Machine Energy Saving and Systematic Optimization from the Synergy Aspects of Vacuum,Doctoring and Online Dewatering Measurement

YANG Feng-hui

(RuntechSystemsOy，RuntechSystems(Shanghai)Co.，Ltd.，Shanghai， 201203)

Analyze the impacts of vacuum supply， doctoring and online dewatering measurement on paper machine energy consumption and runnablity. High efficient and reliable doctoring and online dewatering measurement build the foundations for the paper machine to run at optimized vacuum levels. Doctoring， dewatering measurement and vacuum control have the synergy function， which lead to an optimized dewatering and vacuum system energy consumption， and at the same time， an improved paper machine systematic runnability and efficiency．

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2017- 05- 20

杨凤辉先生，硕士；主要从事节能环保行业的技术研发及推广应用。

TS737

A

10.11980/j.issn.0254- 508X.2017.06.012