变频在造纸行业的应用

中国造纸工业有效生产能力自1990年以来，特别是自1995年以来一直在持续增长。到2002年底为止，我国有4000多个造纸厂，其中规模以上的有 2600多家。2002年的总产量达到了3780万吨。在今后的1-2年中，还将会有近1000万吨的新增生产能力。目前的新增纸机的传动设备已经有 80%以上采用交流传动变频器。目前在纸机分部传动上使用的变频器必须能同时具备以下特点 （1）调速范围宽，在全速度范围内，效率必须在90%以上；（2）功率因数高于0.9以上；（3）输入谐波电流总失真小于3%；（4）采用可靠性高、技术成熟的标准器件IGBT。（5）能减少输出谐波分量并有效降低dv/dt噪音和转矩脉动的效果。（6）能接入编码器，并要求启动力矩大。（一）、造纸机变频改造的前景和分析。据有关方面统计，我国拥有3780多万吨生产能力，单机生产能力在5万吨以上以及纸板机生产能力在10万吨以上的不足三分之一，尚有三分之二以上的生产能力需要投入巨资改造，其中至少三分之一的纸机需要部分或全部更换原来的传动部分（包括机械齿轮箱和电机传动），以提高车速或降低能耗。我国造纸机分部传动设备，以前采用SCR直流调速方式，由于存在滑环和炭刷造成可靠性和精度不高，从而导致纸机的机械落后，最高车速也只有 200m/min左右，很难同国外的1000m/min的高速纸机相比。造纸是一个连续生产的过程，因此生产线的连续和有序控制成为了制约成品纸质量和产量的瓶颈。直流调速系统在纸机的发展史上占有重要的地位，但由于直流电机存在维护难、抗环境能力差，主要表现如下：（1）整流子磨损严重,烧毁整流子的故障,导致停机时间长；（2）直流电机维修困难多,要求高,修理费用也高；（3）测速发电机易磨损，造成传动系统精度低；（4）直流调速控制系统复杂,调试困难,一般技工很难调出好的机器。交流变频调速技术以其卓越的调速性能,显著的节电以及在国民经济领域的广泛适用性，而被公认为是一种最有前途的交流调速方式。它不但具有直流电机优良的调速性能，同时具有交流电机简单、可靠，因而逐渐被广泛应用由此看来，造纸机分部传动机械的变频化已是大势所趋。造纸机传动的变频改造有非常好的效果，如从工艺上改善纸品、增加产能、降低能耗、延长停机检修周期。以某厂改造一台长网纸机为例，它有两个分部：一个是烘缸（干部），一个是网部（湿部）。根据工艺要求抄纸速度为20100m/min，纸页定量为930g/m2。一般纸机的传动精度要求达到13，由于速度变化范围大，最低定量为9g/m2,要求纸机的传动精度更高。因此，选择纸机的传动控制方案闭环系统。（二）、节能效益分析根据该厂改造前和改造后纸机能耗对比，如下：改造前的电功率：90米的车速P90=74A180V3220=13980W=13.98kW（直流传动）按一年生产300天计：整机用电=3002413.98=100656（kWh）改造后的电功率：90米的车速P90=1.73216A380V=10530W=10.53（kW）（变频传动）整机用电=3002410.53=75816（kWh）全年可节电=10065675816=24840（kWh）由此可以得出应用变频器后实际节能为：25%（三）、工艺效益分析纸机的运转率提高：27%以上（由月平均产量得到，已排除其他因素）可增产值：成品率提高：1.6%综上所述，采用变频器后提高纸机的运转性能，进一步提高了经济效率。（四）造纸附属设备的变频器应用分析造纸机的辅助设施包括以下几个系统：供浆系统、白水系统、真空系统、压缩空气系统、化学品制备及传送系统、供水系统、蒸汽系统等。为了使造纸机能够连续均衡地运转，它的辅助设施能力，一般应超过造纸机的最大生产能力的15%-30%，这将存在具大的能量损耗。供浆系统的变频应用供浆系统必须满足下列几个条件：（1）向造纸机输送的浆料要稳定，误差不能超过5%；（2）浆料的配比和浓度要稳定均匀；（3）贮备一定的浆料量，使供浆能力可以调节，以适应造纸机车速和品种的改变；（4）对浆料进行净化精选（5）处理造纸机各部分损纸。通常情况下，供浆系统由供浆管路的浆泵、冲浆泵和净化设施的压力筛、除渣器组成，要达成以上五点目的，最主要就是要对浆泵和冲浆泵从全速运行变为可速度调节变频运行，最终满足供浆自动化。以冲浆泵为例来说明变频器的速度控制流程：该变频控制宜采用双闭环系统的速度控制方式，外环是速度闭环，内环是电流或转矩闭环。冲浆泵速度的设定值一方面是由浆速和网速比变化而获得，另一方面是来自于流浆箱的压力控制器。前者是主调，后者是微调。纸机的浆速和网速比基本上是恒定的，因此纸机的网速一旦变化，冲浆泵的转速也跟随变化；为了提高速度调节器的精确性和反映流浆箱的实际工艺过程，通常还需取流浆箱的压力PID控制输出值的的变化来作为冲浆泵附加的速度设定值。速度的实际值取自传动电机的实际速度采样，可通过旋转测速电机或光电旋转编码器等检测装置获取。电流的设定值取自速度环的输出信号，电流的实际值取自各个传动点的交流变频器输出端电流互感器的测量值。因此对于冲浆泵的变频调速而言，需对其进行PID控制，可达到理想节能效果。（五）、压缩空气系统的变频应用压缩空气常用于造纸机网部与压榨部的气动加压升降装置、网毯的校正装置、气垫式流浆箱、引纸设备、涂布气刀以及各种气动仪表和调节装置等处。压缩空气系统中，主要设备有空气压缩机、储气罐、减压阀、空气过滤器、汽水分离器及安全阀等，造纸机上通常压力需要为5-6BAR左右。在大多数纸厂中，都通过2台以上的空压机并列运行，然后通过储气罐来保持压力恒定。由于压缩机功率较大且控制压力一般都通过加载或卸载来调节，电动机始终处于全速运行状态。实践表明该控制方式耗能巨大，浪费严重。所以目前都已趋向产用一台变频多台工频的方式来控制压缩机组，并组成压力闭环。（六）、化学品制备及传送系统的变频应用由于在脱墨、制浆、涂布、施胶等部位要用到大量的化学品，其使用量与纸机多传动的速度成正比，所以在化学品的传送系统（如泵）必须采用无级交流调速系统。在化学品制备中要用到大量的研磨设备，如球磨、胶体磨、砂磨、高切变分散搅拌器等，他们最大的特点就是高功率、高耗能、使用环境恶劣。目前已经有许多厂家在研磨设备上采用变频器取得了良好的效果。以磨浆机为例，其工作原理是将待研磨的涂料经送料泵输入筒体后，在高速旋转的分散盘带动下，遭到研磨介质的强烈撞击、研磨而被分散混合到溶剂中，制成合格的涂料，然后经顶筛过滤流出。该设备的主电机为110KW，在未使用变频器之前，通常是在启动前期，采用点动方式多次（三次以上）重复以使涂料与研磨介质混合均匀；针对不同的涂料，有时需要不同的工艺转速，但实际上只能满速运行；无法掌握进料量，来保证主电机不过载；耗能非常严重。而使用 110KW变频器就很好地解决了以上问题，可以方便地设置点动速度和慢速运行时间，确保涂料与介质混合达到最均匀；可以在线无级调速，不同品种使用不同的研磨速度；进料量只要从电机的实际运行电流就可以来控制进料量，且有过载预报警功能和免跳闸功能；节能率，一般可达20%以上；降低了齿轮箱的损耗，避免了工频启动对齿轮箱的冲击；由于启动时，电流平缓，避免了对电网的冲击，提高了电网的安全运行。目前在山东、黑龙江、海南等地的造纸企业已经有了批量应用。（七）、烘干部通风系统的变频应用在烘干部，纸页中蒸发出来的所有水汽被空气吸收后，必须通过强制通风不断地从造纸车间排除。烘干部通风良好与否，直接影响到纸页中水分的蒸发速度和整个烘干过程的经济性；通风良好，可降低空气中的蒸汽饱和度，从而减低烘缸蒸汽的消耗量，提高烘干速度。排除烘干部蒸发水量所必需的空气量，与进入以及排出的空气温度和湿度有关，也与采用的通风系统、气候条件和季节有关。通常，在现代纸机中采用强制的空气循环以求高效，用进气鼓风机将加热到80度左右的干燥空气送进烘干部下层，使在烘缸之间吸附热汽形成向上的气流，然后通过排气抽风机将汇集在气罩中的湿热空气抽出室外（最后回收余热）。在高速纸机中，由于烘缸数量的增多，通常都分成几段的鼓风机和排风机组。采用变频器之后，可以根据通风空气量的计算公式，随时调节进气量（鼓风机的转速）和排气量（排风机的转速），而无须采用传统的风门控制，进一步降低能耗，降低风机的噪音，提高机械寿命 （八）、水系统的变频应用造纸机是个耗水大户，包括白水系统、污水系统、密封水系统、喷淋系统、清水系统等，通常情况下都需要用到管网恒压力供水，但传统的控压都是通过旁路和调节阀来进行，很少用到变频器。但是由于中国国内水资源的普遍缺乏，而变频器的应用将可以节水10%和节能30%，必然会降低纸厂的日常运行成本。变频器使用在水系统上通常有二种模式：即变频固定