纸机真空系统——节能降耗解决方案

王秋景 山东天瑞重工有限公司

纸机真空系统技术发展趋势

纸机真空系统技术迭代发展如图1所示，第一代水环泵技术发明于19世纪80年代，现在全球仍有90%以上的纸机使用该技术，存在噪音大、高耗低效、维修费用高的问题。第二代透平机技术发明于20世纪40年代，与水环泵技术相比，透平机技术汽水分离充分，无需水环，抽真空效率提高20%～30%，依据抽真空级数，市场上的第二代真空系统又可分为单级透平机和多级透平机。第三代变速透平机技术1999年投入市场。与第一代水环泵技术相比，可节能30%～70%；与第二代定速透平机技术相比，借由变频控制可进一步节能20%～30%。此外，变速透平机技术可以根据纸机实际生产状况对真空度和抽气量进行调节，显著提高真空控制能力，同时提高纸机运行性能和效率。第四代磁悬浮透平真空泵技术采用永磁直驱变频调速技术，比第三代纸机真空系统节能8%～10%。此外，磁悬浮透平真空泵技术采用叶轮与永磁电机主轴直连，消除了变速装置，降低了设备体积；采用无接触悬浮支承技术，消除了机械摩擦磨损，无需定期更换机械轴承，维护成本大大降低。

图1 纸机真空技术的迭代

如表1所示，水环真空泵、单级透平机、变频透平机均采用异步电机，效率较低；磁悬浮透平真空泵采用永磁变频技术，节能效果好，效率更高，相较于其它真空系统，真空度调节范围也比较大。

表1 小型纸机的各种真空系统技术条件比较

磁悬浮透平真空泵

天瑞重工磁悬浮透平真空泵是一款高科技绿色节能环保产品（图2）。采用磁悬浮轴承、三元流叶轮、高速永磁同步电机、高效变频器调速、智能化检测控制等核心技术，与透平机械设计技术相结合研制而成。启动时先悬浮后旋转，无摩擦，无需润滑，叶轮与转子直连，传动零损失。运转高效可靠，可实现智能化变频控制与远程控制。与水环式真空泵相比，节电率40%以上，为客户提标改造提供了优质的解决方案，具有突出的经济效益和社会效益。

图2 磁悬浮透平真空泵主机示意图

磁悬浮透平真空泵——性能优势

天瑞重工磁悬浮透平真空泵因采用第四代磁悬浮技术，具有“节能减碳、降噪环保、科技智能、免维护”四大性能优势，已广泛应用于纸机真空系统。四大性能优势具体如下：

● 节能减碳，以300kW磁悬浮透平真空泵为例，与水环式真空泵相比，每台每年节约用电150多万kWh以上。

● 降噪环保，采用磁悬浮自平衡技术，运行时无摩擦，运行噪音降低至80dB以下，不会影响办公及周边居住环境。

● 科技智能，实时监控，物联网工业大数据平台帮助客户监控生产环节。

● 免维护，磁悬浮轴承无摩擦，无需润滑，不产生油污染，节约润滑油、清洁费用。

磁悬浮透平真空泵——永磁同步电机

磁悬浮透平真空泵主机使用的高速永磁电机采用紧凑型定子与转子组成。设备运转时，通过“定子”与“转子”间的相互作用力与反作用力，将电能转化为设备转动的动能。采用风冷形式进行冷却，不仅冷却效果显著，还解决了使用水冷方式冷却存在水泄露对电器元件造成损害的问题。

磁悬浮透平真空泵——磁悬浮轴承系统

磁悬浮轴承系统是磁悬浮透平真空泵的核心，由转子、传感器、控制器和功率放大器四部分组成，它们之间没有机械接触。其工作基本原理是通过位置传感器检测转子的轴偏差信号，将该信号反馈到主控制器，控制器接收到信号后，计算输出控制信号，通过功率放大器控制线圈电流，调节电磁力的大小，从而将转子稳定悬浮于工作位置。磁悬浮轴承无机械摩擦，没有震动，是磁悬浮真空泵节能降噪的重要原因。

磁悬浮透平真空泵——流体部件

叶轮采用三元流后弯式设计，CAE有限元分析，最高效率达到89.8%。叶轮是采用五轴加工中心整体铣削而成，强度、刚性可靠，并经过100%X射线探伤和115%超转速实验，保证高效、安全、可靠运转。耐磨、耐腐蚀、耐纸浆纤维冲击，稳定性强，可靠性高，寿命长达20年。

磁悬浮透平真空泵——变频控制及断电保护

磁悬浮透平真空泵配置了高效变频器，同时系统配备自发电和辅助轴承多重断电保护措施。

磁悬浮透平真空泵可在大气压为101kPa，环境相对湿度为70%，380V的运行环境下工作，其主要配置功能包括实时监控、防喘振、动平衡自纠正功能、安全联锁保护系统。

磁悬浮透平真空泵典型案例

助力双碳目标

一台600kW磁悬浮透平真空泵，一年估算可节约电340万kWh，减少二氧化碳排放1,942t，节约标煤1,043t。

磁悬浮透平真空泵改造案例一

山东潍坊，某造纸集团，2020年一台特种纸机改造升级选用TRV132磁悬浮透平真空泵替代传统水环真空泵。改造前水环泵均时耗电110kWh，安装磁悬浮透平真空泵后，2021年上半年均时耗电53.9kWh，实现年节电量44.9万kWh，节电率51%；同时真空系统产生的高温蒸汽经过回收用于纸机热风干燥系统，实现节能31.2%，综合节能率达82.2%。

图3 磁悬浮透平真空泵改造案例一现场图

磁悬浮透平真空泵改造案例二

图4 磁悬浮透平真空泵改造案例二现场图

四川成都，某卫生纸生产企业，一台卫生纸机改造升级，安装了一台TRV90磁悬浮透平真空泵替代传统罗茨真空泵，改造后运行稳定，噪音降低至80dB左右，综合节电率46%。

磁悬浮动力装备在造纸行业的其他应用

天瑞重工磁悬浮动力装备因“节能降噪、免维护、无污染和智能化”等特点，广泛应用于造纸行业。除了磁悬浮透平真空泵应用于纸机真空系统，磁悬浮鼓风机已在造纸污水处理及自备电厂的脱硫脱硝工艺有着大量的应用，并获得客户的广泛好评。天瑞重工除了鼓风机、真空泵两大产品在市场获得高度关注外，后续研发的磁悬浮低温余热发电机组、制冷压缩机、空气压缩机也相继应用于市场。

磁悬浮鼓风机是一种节能环保的高科技产品。与传统罗茨鼓风机相比，节电30%～40%，噪音由120dB降低至80dB以下，寿命长达20年，可使造纸污水处理的整体费用降低20%，并在造纸行业自备电厂的脱硫脱硝工艺中有着成熟的应用。

磁悬浮鼓风机——案例一

2016年山东临沂，某造纸集团污水处理厂安装4台磁悬浮鼓风机。改造前每天平均用电量11,531.3kWh，改造后每天平均用电量7,180.6kWh，日均节电4,300多kWh，全年节电158万kWh，节电率37.7%。噪音由原来的130dB降至70dB左右。

磁悬浮鼓风机——案例二

2020年6月，山东潍坊，某造纸集团热电联产自备电厂安装5台磁悬浮鼓风机，作为脱硫脱硝氧化风机使用，设备技术成熟，运行稳定。节电效果明显，综合节电率达50%以上。