CN102787526A - 基于尾汽流量控制及热泵技术的生活用纸单缸纸机 - Google Patents

Abstract

本发明属于造纸设备技术领域，具体涉及一种基于尾汽流量控制热泵技术的生活用纸单缸纸机。包括主烘缸和控制系统，其特征在于所述主烘缸连接一个气液分离器，经气液分离器分离出的尾汽流经一个流量检测装置后被可调热泵压缩后返回主烘缸再利用，所述可调热泵主要由移动装置、喷嘴，阀芯、喉结、释放器、尾汽吸入端和中高压蒸汽吸入端组成，阀芯的上部连通中高压蒸气吸入端，下部连通尾汽吸入端，前端连接喷嘴，后端与移动装置相连，中高压蒸汽从中高压蒸气吸入端进入阀芯后经由喷嘴喷射而出，同时中高压蒸汽的喷射在喷嘴出口处形成的负压抽吸尾汽吸入端的尾汽，中高压蒸汽和尾汽在喉结当中压缩，然后通过释放器增大压力后从出口当中排出。本发明是解决了烘缸的排水问题，另一个是解决了随着冷凝水一起排出来的尾汽和闪蒸蒸汽的回用问题。

Description

基于尾汽流量控制及热泵技术的生活用纸单缸纸机

技术领域

本发明属于造纸设备技术领域，具体涉及一种基于尾汽流量控制及热泵技术的生活用纸单缸纸机。 

背景技术

在造纸领域，低克重生活用纸，主要指的是克重范围在11-15g/m²的纸张，由于克重很低，所以纸张容易被烘干，所以往往此类纸机仅配置1个直径在2500mm、幅宽在2000mm左右的烘缸就可以实现对纸张的干燥。 

在我国存在着大量此类单缸纸机车速在300m/min以下的低克重低车速生活用纸纸机，每日单台机生产生活用纸的产能仅为5-6吨纸/天。 

此类纸机普遍采用疏水阀来排放蒸汽干燥纸张过程当中在烘缸产生的冷凝水，有些甚至是直接排放，造成了巨大的蒸汽资源浪费，使得生产一吨此类低克重生活用纸的蒸汽消耗量在4.8-5.5吨蒸汽/天，夏季稍低冬季较高。 

经过我们利用尾汽流量控制热泵技术应于实际的单机改造后，将一台日产量在5吨左右的单缸纸机的吨纸气耗由5.5吨/天降低至3.5吨/天，相当于每日减少了10吨/天的蒸汽消耗，一吨蒸汽的生产成本以150元/吨计，所以单台机每日即可减少蒸汽消耗价值1500元，一年如果按照340天生产计算，单台机就可以节约生产成本51万元。 

传统单缸纸机蒸汽系统配置形式如下图1所示，此类蒸汽系统配置存在如下几个问题，造成蒸汽消耗很高,总结如下： 

1、此类蒸汽系统往往采用通过观测蒸汽进气压力管路上面设置的压力表，手动调节进气阀门来调节进入烘缸的蒸汽的量的多少。造纸厂整体用气并不是一个稳定的状况，整厂用气量低的时候蒸汽来气压力较高，整厂用气量高的时候蒸汽来气压力较低，所以用气压力始终是处在一个波动的状态，无法预知也不能控制，所以通过手阀调节进气压力显然无法满足恒定的干燥能力，造成纸张水分变化过大，有时甚至因为来气压力降低过多，没来得及开大进气阀门而造成纸张无法烘干而断纸。

2、采用疏水阀排水无法妥善解决疏水阀泄漏量大、不凝结气体容易在烘缸内累计的问题。热动力式的疏水阀不带排不凝气装置，造成不凝结气体会在烘缸内累计，造成烘缸热效率的降低，同时会在疏水阀上部聚集形成气堵现场而无法排水。浮球式的疏水阀内部带有一个双金属的排气口，使用时间一长发生故障的概率极大，很快就变成常开状态，增大了蒸汽泄漏量。 

3、对烘缸热传递效率有几个主要的影响因素：烘缸的壁厚、烘缸表面的清洁程度，还有就是烘缸内的冷凝水的多少等。这几个主要影响因素当中，影响最大的就是烘缸内的冷凝水的多少，冷凝水越多，烘缸内热传递传效率就越低。传统单缸纸机蒸汽系统的设计无法满足及时畅通的排水要求，导致烘缸内冷凝水过多，而大大降低了热传递效率增加蒸汽的使用量。因为传统蒸汽系统设计当中是通过疏水阀来排水的，而疏水阀排水能力是固定的无法应对烘缸内冷凝水产生量的变化情况。由于疏水阀的排水能力受到疏水阀尺寸的限制，排水量越大需要的开启压差越大，同时排水量越大蒸汽的泄漏量也会越大，所以在在选择疏水阀的时候不会无限制的放大排水量，选型确定之后，疏水阀的排水量就是一个固定的数值，也就意味着排水能力一定。在纸张干燥过程当中，受到纸张干度变化、蒸汽进气压力波动等因素的影响，往往烘缸的进气压力是处在一个不断变化的情况之下。操作压力变化的时候，烘缸内的冷凝水产生量的变化不是等比例的，而是成倍的增长。 

如图2所示，当操作压力从1.7 bar增加到2.1bar的瞬间，烘缸内产生的冷凝水量从0.5m3，瞬间增加到1 m3左右。当操作压力从1.7 bar增加到2.7bar的瞬间，烘缸内产量的冷凝水量会从0.5m3，瞬间增加到2m3左右。如果这些瞬间增加的冷凝水可以被及时排出的话，大约在4分钟之后烘缸内在新的操作压力之下达到一个新的热平衡状态的时候，冷凝水的产生量又会趋于稳定，只是比1.7bar时略高。因为当烘缸处于1.7bar进气压力之下，烘缸处于一个热平衡的状态，当纸张干度不够，我们要提高烘缸进气压力进而提高烘缸表面温度，我们首先需要通入大量的蒸汽来加热烘缸这个大铸铁，当烘缸的温度加热到我们所需要的温度之后才可以把热量带给纸张，烘缸升温的过程是相对比较快的，所以会瞬间产生数倍的冷凝水，待烘缸表面温度稳定在新的操作压力之下的时候，冷凝水的产生才会趋于平稳。 

所以烘缸进气压力变化的时候产生的冷凝水成几何数级变化的，疏水阀固定的排水能力显然无法应对此种情况，最终会导致冷凝水排放不畅而降低了烘缸内的热效率，增加了蒸汽的消耗。 

4、疏水阀由于经常排水不畅造成纸张烘不干，需要打开放空阀排水，放空阀一开会将烘缸内的水带出来的同时也会带出大量的新鲜蒸汽，这些蒸汽全部都会被排至大气而浪费。 

5、从烘缸中经过疏水阀排放出来的冷凝水温度均在120以上，这些热量没有被充分的利用而直接被收集至敞口的冷凝水收集装置，由于压力降低，在大气压的作用下发生闪蒸，这些闪蒸蒸汽和疏水阀或者排空阀泄露出来的尾汽就会排放到大气当中，造成相当的能量浪费。 

总结如上几个问题，现有技术生活用纸单缸纸机最需要问题主要有两个，一个是解决烘缸的排水问题，另一个是解决随着冷凝水一起排出来的尾汽和闪蒸蒸汽的回用。如果在解决这两个主要问题的基础之上，能同时解决系统内不凝气体的排放、冷凝水中残余热量的回用，就可以最大限度的降低此类纸机的蒸汽消耗，达到最大限度的节能降耗。 

发明内容

本发明针对上述现有技术的不足，提供了一种基于尾汽流量控制热泵技术的生活用纸单缸纸机， 

本发明的技术路线是：

基于尾汽流量控制及热泵技术的生活用纸单缸纸机，包括主烘缸和控制系统，其特征在于所述主烘缸连接一个气液分离器，经气液分离器分离出的尾汽流经一个流量检测装置后被可调热泵压缩后返回主烘缸再利用，所述可调热泵主要由移动装置、喷嘴，阀芯、喉结、释放器、尾汽吸入端和中高压蒸汽吸入端组成，阀芯的上部连通中高压蒸气吸入端，下部连通尾汽吸入端，前端连接喷嘴，后端与移动装置相连，中高压蒸汽从中高压蒸气吸入端进入阀芯后经由喷嘴喷射而出，同时中高压蒸汽的喷射在喷嘴出口处形成的负压抽吸尾汽吸入端的尾汽，中高压蒸汽和尾汽在喉结当中压缩，然后通过释放器增大压力后从出口当中排出。

所述气液分离器与尾汽流量检测装置之间的管道上设有一个不凝结气体排放装置，内含感温元件感知温度来决定该排放装置的启闭。 

所述气液分离器分离出的热水经管道进入一个用于热能再利用的换热器。 

所述控制系统主要包括以下部分： 

压力控制回路：由控制阀和压力变送器组成，用于调节进入烘缸的蒸汽压力；

压差显示及防空回路：由控制阀和压差变送器组成，自动状态下主要用于显示烘缸的进出口压差，同时检测压力控制回路的高限报警信号，一旦操作压力超高则控制阀自动打开释放压力，保护烘缸安装；手动状态下主要用于开机暖缸时排出空气；

尾汽流量比率控制回路：由可调热泵、尾汽流量检测孔板、及压差变送器组成，尾汽流量孔板检测出来的数据通过压差变送器转换为4-20mA信号输入DPIC控制器，进而调节热泵维持设定的尾汽的流量；

液位控制回路：由控制阀以及磁翻板液位计上配的液位变送器组成，通过调节控制阀来维持汽水分离器液位恒定。

一种生活用纸单缸纸机蒸汽再循环方法，其特征在于该方法包括以下步骤： 

步骤一：低压蒸汽通入主烘缸，把热量传递给湿纸张，变成冷凝水和为做热交换的蒸汽通过虹吸装置排除主烘缸外，进入一个气液分离器进行气液分离；

步骤二：步骤一种分离出的尾汽流经一个流量检测装置后被可调热泵压缩后回到主烘缸再利用。

改造单缸纸机蒸汽系统用到的关键设备是可调热泵，首先介绍一下可调热泵概念和在系统当中的作用。可调热泵的构造图如图3所示，可调热泵包含的主要部分有：移动装置、喷嘴，阀芯、喉结、释放器、尾汽吸入端和中高压蒸汽吸入端。 

热泵通过接受电信号来调节移动装置，移动装置与阀芯相连，通过改变阀芯与喷嘴之间的间隙来调节中/高压蒸汽的引入量。当中/高压蒸汽高速的从喷嘴当中喷射而出之后，会在喷嘴的出口部分形成一个负压，对尾汽有一个抽吸作用。少量的中/高压蒸汽与尾汽在后端的喉结当中压缩，然后通过释放器增大压力后从出口当中排出。 

所以可调热泵可以实现上述两个作用： 

1、通过高能量的中/高压蒸汽来提升尾汽的操作压力；

2、文丘里现象的作用下，喷嘴的背压处会形成一个负压，负压会对尾汽有强烈抽吸作用。

本发明的技术路线图如图4所示，低压蒸汽通入主烘缸，把热量传递给湿的纸张，变成冷凝水。冷凝水和一部分未做热交换的蒸汽通过虹吸装置排出烘缸之外，进入气液分离器进行分离。分离出来的蒸汽，我们称之为“尾汽”，尾汽流经一个流量检测装置后被热泵压缩后回到主烘缸再利用。在尾汽流经的管道上面设置一个不凝结气体排放装置，原理装置内部有感温元件，根据温度的不同来选择是打开还是关闭，当不凝气积存在不凝结气体排放装置周围时候，温度降低，则打开；待不凝结气体排出之后蒸汽补充过来，温度上升则关闭。可调热泵需要使用少量的中/高压蒸汽作为压缩尾汽的动力源，同时可调热泵的开大和关小是根据尾汽流量检测装置给予的信号来调节的。气液分离器中排出的热水可以首先经过一个小的换热装置，交换一些热水冲洗毛毯，提高毛毯的温度或者交换一些热的空气来吹一下网毯部分的湿气，有助于提高干燥效率。 

    经过上述改造之后，可调热泵可以将烘缸内排出的尾汽全部压缩回用，同时可调热泵对尾汽的抽吸作用会增大排水压差，排水压差是烘缸冷凝水排放的动力，压差越大，冷凝水排放效果越好。排水压差也不能过大，过大的排水压差会导致随着冷凝水排放带出来大量的尾汽，压缩大量的尾汽需要更大量的中/高压蒸汽而造成浪费。所以我们需要将尾汽经过一个流量检测装置，选择一个合适的流量比率，即可以保证尾汽全部被压缩回用，又可以提供足够的压差动力来保证顺畅的排放冷凝水。烘缸内的冷凝水顺畅的排放出来，可以保证烘缸内的冷凝水尽可能的少，蒸汽通入烘缸之后的使用效率会尽可能的高，降低蒸汽的使用量。 

附图说明

图1为现有技术单缸纸机配置示意图。 

图2为冷凝水量与启动时间关系图。 

图3为本发明可调热泵结构示意图。 

图4为本发明单缸纸机配置示意图。 

图5为本发明单缸纸机系统配置流程图，其中，图2从上至下第一根曲线表示操作压力从1.7升至2.7 Bar；第二根曲线表示表示操作压力从1.7升至2.1 Bar；第三根曲线表示操作压力稳定在1.7 Bar。 

具体实施方式

以下结合附图对本发明做进一步的描述。 

如图4和图5所示，单缸卫生纸机的主干燥部件为一个烘缸5，蒸汽系统配置有一根中/高压蒸汽管路1，中/高压蒸汽通过压力变送器3检测烘缸进气总管路4上面的压力，并通过控制阀2来调节进入烘缸5的操作压力。进入烘缸的蒸汽经过热交换，变成冷凝水，冷凝水在烘缸5进出口压差的作用下通过虹吸器6排出烘缸之外，进出口压差由压差变送器25检测，压差变送器通过导压管37取压。从烘缸5内排出的尾汽和冷凝水的混合物通过排水总管7进入汽水分离器8。汽水分离器上面安装有压力表9以及磁翻板液位计10，磁翻板液位计10可以通过内部带有的液位变送器11输出至控制系统。 

    汽水分离器分离出来的尾汽通过管路18，在经过流量检测孔板21后，进入可调式热泵的低压吸入口，在尾汽进入低压吸入口之前安装有一个单向阀26。中/高压蒸汽接入可调热泵的高压吸入口，中/高压蒸汽将汽水分离器分离出来的尾汽压缩后排出，压缩后的尾汽经过一个安全阀29后通过管道30回到烘缸5内再次回用。 

汽水分离器分离出来的冷凝水经过排水管12后进入换热器15。排水管12上面设有控制阀13，可根据汽水分离器8的液位来调节排水能力。冷凝水进入热交换器15后，可与带压的空气或者冷水做热交换，温度降低后的冷凝水从管道14排至冷凝水收集区。低温带压的空气或者冷水经过管道16进入换热器，加热之后的带压的热空气或者热水经过管道17排出，热空气可用于吹走毛毯上面的水雾；热水可以用于清洁成型网或者用于纸浆，提高成型网或者纸浆的温度有助于节约能源。 

可调热泵主要由移动装置50、喷嘴53，阀芯52、喉结55、释放器56、尾汽吸入端52和中高压蒸汽吸入端51组成，阀芯52的上部连通中高压蒸气吸入端51，下部连通尾汽吸入端51，前端连接喷嘴53，后端与移动装置50相连，中高压蒸汽从中高压蒸气吸入端51进入阀芯52后经由喷嘴53喷射而出，同时中高压蒸汽的喷射在喷嘴53出口处形成的负压抽吸尾汽吸入端52的尾汽，中高压蒸汽和尾汽在喉结55当中压缩，然后通过释放器56增大压力后从出口57当中排出。 

    控制部分说明： 

    整个纸机控制系统主要包括4个控制及显示回路：

    1、PIC压力控制回路34：由控制阀2和压力变送器3组成，用于调节进入烘缸的蒸汽压力。

    2、DPI压差显示及放空回路33：由控制阀23和压差变送器25组成，自动状态下主要用于显示烘缸的进出口压差，同时检测PIC压力控制回路的高限报警信号35，一旦操作压力超高则控制阀23自动打开释放压力，保护烘缸安装。手动状态下主要用于开机暖缸时排出空气用。 

    3、DPIC尾汽流量比率控制32：由可调热泵28、尾汽流量检测孔板21、及压差变送器22组成。尾汽流量孔板21检测出来的数据通过压差变送器22转换为4-20mA信号输入DPIC控制器，进而调节热泵维持设定的尾汽的流量。 

    4、LIC液位控制回路35：由控制阀13以及磁翻板液位计上配的液位变送器11组成。通过调节控制阀来维持汽水分离器液位恒定。 

    由于低速单缸纸机配置低，往往并不带有控制系统，所以出于功能性价比因素考虑，我们选择4块人工智能调节器（PID单表）来实现4个控制回路的自动控制。并把4块人工智能调节器整合到一个控制箱31内集中安装、供电。人工智能调节器可以实现手/自动两种控制状态的转换，操作十分方便。 

    经过如上的改造之后，单缸纸机的蒸汽系统具有以下新的特点： 

    1、增加了自动控制，可代替人工做操，减少人工工作量。同时自控可以使烘缸进气压力平稳，可以克服外来气源压力的波动，充分保证成纸干燥质量。

    2、冷凝水排放顺畅，且整个系统具有可调节的排水能力，随时根据烘缸内的冷凝水的多少来调节排水压差。 

    3、从烘缸内排出的尾汽可以再次循环回用到系统当中使用，降低蒸汽消耗。 

    4、增加不凝气体排放单元，保证系统当中无不凝气体累计，提高烘缸热交换的传热效率。 

    5、排放的高温冷凝水可以通过热风或者热水回收部分热量，用于降低单缸纸机其他部分的能源消耗。 

    6、烘缸排水顺畅可以获得最高的热传效率，提高纸机干燥能力，降低烘缸传动负荷、减少虹吸器损坏概率，为提高产量创造条件。 

    因此，应用于低速单缸生活用纸纸机的尾汽循环热泵控制系统设计原理先进，是在客服了原有蒸汽冷凝水系统所有弊病的情况下发明的，具备本文中介绍的许多优点。在设备投资增加不多的情况下，可大幅降低企业的生产成本，最大限度的增加企业的利润空间。 

Claims (5)

1.基于尾汽流量控制及热泵技术的生活用纸单缸纸机，包括主烘缸和控制系统，其特征在于所述主烘缸连接一个气液分离器，经气液分离器分离出的尾汽流经一个流量检测装置后被可调热泵压缩后返回主烘缸再利用，所述可调热泵主要由移动装置、喷嘴，阀芯、喉结、释放器、尾汽吸入端和中高压蒸汽吸入端组成，阀芯的上部连通中高压蒸气吸入端，下部连通尾汽吸入端，前端连接喷嘴，后端与移动装置相连，中高压蒸汽从中高压蒸气吸入端进入阀芯后经由喷嘴喷射而出，同时中高压蒸汽的喷射在喷嘴出口处形成的负压抽吸尾汽吸入端的尾汽，中高压蒸汽和尾汽在喉结当中压缩，然后通过释放器增大压力后从出口当中排出。

2.根据权利要求1所述的基于尾汽流量控制及热泵技术的生活用纸单缸纸机，其特征在于所述气液分离器与尾汽流量检测装置之间的管道上设有一个不凝结气体排放装置，内含感温元件感知温度来决定该排放装置的启闭。

3.根据权利要求1所述的基于尾汽流量控制及热泵技术的生活用纸单缸纸机，其特征在于所述气液分离器分离出的热水经管道进入一个用于热能再利用的换热器。

4.根据权利要求1所述的基于尾汽流量控制及热泵技术的生活用纸单缸纸机，其特征在于所述控制系统主要包括以下部分：

压力控制回路：由控制阀和压力变送器组成，用于调节进入烘缸的蒸汽压力；

压差显示及防空回路：由控制阀和压差变送器组成，自动状态下主要用于显示烘缸的进出口压差，同时检测压力控制回路的高限报警信号，一旦操作压力超高则控制阀自动打开释放压力，保护烘缸安装；手动状态下主要用于开机暖缸时排出空气；

尾汽流量比率控制回路：由可调热泵、尾汽流量检测孔板、及压差变送器组成，尾汽流量孔板检测出来的数据通过压差变送器转换为4-20mA信号输入DPIC控制器，进而调节热泵维持设定的尾汽的流量；

液位控制回路：由控制阀以及磁翻板液位计上配的液位变送器组成，通过调节控制阀来维持汽水分离器液位恒定。

5.一种生活用纸单缸纸机蒸汽再循环方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

步骤一：低压蒸汽通入主烘缸，把热量传递给湿纸张，变成冷凝水和为做热交换的蒸汽通过虹吸装置排除主烘缸外，进入一个气液分离器进行气液分离；

步骤二：步骤一种分离出的尾汽流经一个流量检测装置后被可调热泵压缩后回到主烘缸再利用。

Images