年产10万吨生活用纸纸机干燥部与卷取部设计计算书

年产10万吨生活用纸纸机干燥部与卷取部设计计算书DesignCalculationofDryingSectionandReelingSection

fora100kt/aTissuePaperMachine文件编号TJZ-SJ-2026-047设计阶段初步设计（基础设计）文件类型工艺与机械专业计算书项目名称年产10万吨生活用纸造纸机工程项目专业制浆造纸机械/干燥与卷取编制审核批准日期（签字）（签字）（签字）2026年10月

目录设计概述本计算书针对年产10万吨生活用纸（皱纹卫生纸及面巾纸原纸）造纸机的干燥部与卷取部进行工艺计算与主要机械结构强度校核。干燥部采用单只大直径扬克烘缸（YankeeDryer）配套高温热风罩（YankeeHood）的典型高速生活用纸干燥方案；卷取部采用表面卷取（PopeReel）转鼓式卷纸机，实现纸幅从运行车速到纸卷的恒张力、渐加压卷取。计算内容包括：物料平衡、热量平衡、扬克烘缸传热面积校核、蒸汽消耗量、热风罩热风量、烘缸壁厚强度与刚度校核、纸幅张力与压区线压力、纸卷尺寸与重量、卷取转速及传动电机功率，并给出安全核验、结果分析与工程指导意见。1.1设计依据（1）GB/T31104—2024《造纸机械用钢制烘缸》（2025年5月1日实施）；（2）GB150（所有部分）《压力容器》；（3）TSGR0004《固定式压力容器安全技术监察规程》；（4）GB/T45813—2025《造纸机械安全要求》；（5）QB/T1422.3—2023《造纸机械通用部件铸铁辊》；（6）项目可行性研究报告及工艺专业提出的产品方案与操作参数。1.2产品方案与年作业时间产品为100%木浆生活用纸原纸，成纸定量g=18.5g/m²，成纸干度w₂=95%。年作业时间按连续运行330d、每天24h计，年有效作业时间H=7920h，作业率约90.5%。2原始数据与设计参数本计算书采用的主要原始数据与设计操作参数汇总于表2-1。所有后续计算均以本表参数为输入条件。表2-1设计原始数据与操作参数汇总表符号参数名称数值单位备注/取值依据A年产量100000t/a设计任务书H年有效作业时间7920h330d×24hg成纸定量18.5g/m²生活用纸典型值W净纸幅宽6000mm卷取工作幅宽v工作车速1900m/min高速生活用纸机w₁进干燥部纸页干度45%压榨部出纸干度w₂出干燥部成纸干度95%成纸标准干度D扬克烘缸内径4572mmØ18ft扬克缸L扬克缸有效缸面长6000mm与幅宽匹配p工作蒸汽压力（表压）0.5MPa饱和蒸汽Tₛ饱和蒸汽温度151.1℃查水蒸气表Tᵢ热风罩送风温度450℃燃气/蒸汽加热Tₑ热风罩排风温度150℃排风3干燥部工艺计算3.1产量与物料平衡成纸时产量由车速、幅宽与定量按式（3-1）计算：（3-1）代入数据：G=60×1900×6.0×18.5×10⁻³=12654kg/h≈12.65t/h。对应年产量为12.65×7920/1000=10.02万t/a，与设计任务书吻合。成纸中绝干纤维时产量按式（3-2）计算：（3-2）代入：G₀=12.65×0.95=12.02t/h。每千克绝干纸在干燥部蒸发的水量，由进、出干燥部湿纸干度按式（3-3）计算：（3-3）代入数据：Mw=12020×[1/(1−0.45)−1/(1−0.95)]=12020×(1.8182−1.0526)=12020×0.7655=9199kg/h≈9.20t/h。即每吨成纸需蒸发水约727kg。3.2干燥部热量平衡蒸发水分所需理论热量由汽化潜热乘以蒸发水量按式（3-4）计算：（3-4）式中r为工作压力下饱和蒸汽的汽化潜热，查水蒸气表取r=2115kJ/kg（151.1℃）。代入：Qev=9200×2115=19.46×10⁶kJ/h=5405kW。考虑纸页升温、缸面散热、排风携热等附加损失，取热损失系数k=1.12，干燥部总热负荷按式（3-5）计算：（3-5）代入：Q=5405×1.12=6054kW。其中扬克缸蒸汽传导承担35%，高温热风罩对流承担65%，即Qcyl=2119kW，Qhood=3935kW。3.3扬克烘缸传热面积校核纸页进、出干燥部温度分别取Tᵢₙ=50℃、Tₒᵤₜ=90℃，与蒸汽间的对数平均温差按式（3-6）计算：（3-6）式中Δt₁=Tₛ−Tᵢₙ=151.1−50=101.1K；Δt₂=Tₛ−Tₒᵤₜ=151.1−90=61.1K。代入得Δtm=(101.1−61.1)/ln(101.1/61.1)=40.0/0.504=79.4K。高速扬克缸配高温热风罩时，缸面与纸页间综合传热系数（含传导、对流及热风罩辐射贡献）取K=450W/(m²·K)，所需传热面积按式（3-7）计算：（3-7）代入：A_req=2119000/(450×79.4)=59.3m²。扬克缸几何有效缸面面积按式（3-8）计算：（3-8）式中α为纸页包角系数，取纸页在扬克缸上包角约280°，α=280/360=0.778。代入：A=π×4.572×6.0×0.778=67.1m²。比较：实际可用传热面积67.1m²>所需59.3m²，富余系数1.13，满足设计要求并留有增产裕量。3.4干燥部蒸汽消耗量干燥部蒸汽总耗量（含扬克缸及热风罩空气加热器，干燥系统综合热效率取η=0.70）按式（3-9）计算：（3-9）代入：Ds=6054×3600/(2115×0.70)=14664kg/h≈14.7t/h。折合单位成纸蒸汽耗量14.7/12.65=1.16t汽/t纸，处于高速生活用纸机干燥部1.10～1.30t汽/t纸的合理区间。3.5热风罩热风量热风罩所需热空气质量流量按式（3-10）计算：（3-10）式中空气定压比热cp=1.05kJ/(kg·K)。代入：ma=3935/[1.05×(450−150)]=12.49kg/s=44960kg/h。按150℃排风密度0.70kg/m³计，体积风量≈6.42×10⁴m³/h，据此选型热风循环风机。4扬克烘缸结构强度计算4.1设计参数扬克烘缸按GB/T3114—2024《造纸机械用钢制烘缸》及GB150进行设计。设计压力取工作压力的1.2倍，即p=0.6MPa；设计温度取160℃；缸体材料采用Q345R钢板，150℃下许用应力[σ]=170MPa；焊接接头系数φ=0.85（双面焊对接接头，100%无损检测）；腐蚀裕量C₁=2mm，钢板负偏差C₂=0.3mm。4.2理论壁厚计算承受内压的薄壁圆筒理论壁厚按式（4-1）计算：（4-1）式中Di为烘缸内径，Di=4572mm。代入：S₀=0.6×4572/(2×170×0.85−0.6)=2743.2/288.4=9.51mm。4.3名义壁厚确定名义壁厚按式（4-2）叠加腐蚀裕量与钢板负偏差：（4-2）代入：Sn=9.51+2.0+0.3=11.81mm。考虑扬克烘缸直径大、转速高（约133r/min），需保证缸体径向刚度、抗鞭振能力及长期运行圆度，名义壁厚圆整取Sn=14mm，对应许用内压力按下式反算校核：（4-3）代入：[p]=2×170×0.85×14/(4572+14)=4046/4586=0.882MPa>设计压力0.6MPa，强度裕量1.47，满足要求。4.4烘缸刚度（挠度）校核烘缸作为两端简支梁，自重+纸幅压力+内部蒸汽压力作用下的跨中最大挠度按式（4-4）估算：（4-4）式中L=6.0m为有效缸面长度。许用挠度[f]=6000/750=8.0mm。按Q345R弹性模量E=2.0×10⁵MPa，缸体截面惯性矩I≈πD³Sn/8=π×45.72³×1.4/8≈5.30×10⁵cm⁴，均布载荷q≈18kN/m条件下，跨中挠度fmax≈qL⁴/(128EI)≈4.6mm<8.0mm，刚度满足。5卷取部工艺计算5.1纸幅张力生活用纸定量低、湿抗张强度小，卷取时单位幅宽张力取qt=60N/m，总纸幅张力按式（5-1）计算：（5-1）代入：T=60×6.0=360N。卷取过程中通过底辊电机转矩闭环保持该张力恒定，随纸卷直径增大自动提高转矩。5.2压区线压力表面卷取底辊与纸卷间压区线压力初始取qn=2.5N/mm（即2500N/m），随纸卷直径增大线性递减至1.5N/mm，以保证纸卷内外硬度均匀、避免内层压溃。压区总压紧力按式（5-2）计算：（5-2）代入初始值：N=2.5×6000=15000N=15kN，据此设计加压气缸液压站。5.3纸卷尺寸与重量纸卷最大外径Dr=2200mm，纸卷芯轴直径dc=200mm，纸卷整体表观密度ρroll=280kg/m³（生活用纸含空气蓬松结构），满卷纸重量按式（5-3）计算：（5-3）代入：Groll=280×(π/4)×(2.2²−0.2²)×6.0=280×0.785×4.80×6.0=6334kg≈6.3t。据此设计卷纸机机架、底辊轴承及换卷行车载荷。5.4卷取转速范围为保持纸幅线速度恒定，卷取转速随纸卷直径变化按式（5-4）计算：（5-4）空芯（D=dc=0.2m）：nmax=1900/(π×0.2)=3024r/min；满卷（D=Dr=2.2m）：nmin=1900/(π×2.2)=275r/min。卷取传动调速比为3024/275≈11:1，需选用宽调速变频电机。5.5卷取电机功率纸幅张力牵引功率按式（5-5）计算：（5-5）代入：Pt=360×(1900/60)/1000=11.4kW。压区摩擦附加功率取张力功率的18%，即Pn≈2.0kW。综合考虑传动效率η=0.85与安全系数K=1.5，轴功率按式（5-6）计算：（5-6）代入：P=(11.4+2.0)×1.5/0.85=23.7kW。选型取30kW变频调速电机（含换卷加速、动态补偿余量），减速比按卷取转速范围匹配。6安全核验依据GB/T45813—2025《造纸机械安全要求》及TSGR0004《固定式压力容器安全技术监察规程》，对干燥部与卷取部进行如下安全核验，结果汇总于表6-1。表6-1干燥部与卷取部安全核验汇总表序号核验项目设计值/计算值规范限值结论1扬克烘缸许用内压[p]0.882MPa≥设计压力0.6MPa合格，裕量1.472烘缸名义壁厚Sn14mm≥S₀+C=11.81mm合格3烘缸跨中挠度fmax≈4.6mm≤L/750=8.0mm合格4焊接接头系数φ0.85（100%RT）GB150要求双面焊≥0.85合格5热风罩表面温度≤60℃（保温后）GB/T45813防烫伤合格，需保温6纸幅张力T360N≤纸幅抗张强度30%合格7压区线压力qn1.5～2.5N/mm纸卷不压溃限值≤3N/mm合格8满卷纸重量Groll6.3t机架/轴承设计载荷≥8t合格9卷取调速比≈11:1变频电机常规范围≤20:1合格10蒸汽系统安全阀整定0.66MPa（1.1×设计压力）TSGR0004要求需在施工图阶段落实7结果分析与工程指导意义7.1计算结果汇总本计算书主要结果汇总于表7-1。表7-1主要计算结果汇总表项目符号计算结果单位成纸时产量G12.65t/h干燥部蒸发水量Mw9.20t/h干燥部总热负荷Q6054kW扬克缸需用传热面积A_req59.3m²扬克缸实际可用传热面积A67.1m²干燥部蒸汽耗量Ds14.7t/h单位成纸蒸汽耗量Ds/G1.16t汽/t纸热风罩体积风量Va6.42×10⁴m³/h烘缸名义壁厚Sn14mm满卷纸重量Groll6.3t卷取电机功率P23.7（选30）kW7.2结果分析（1）干燥部热量平衡表明，单位成纸蒸汽耗量1.16t汽/t纸，处于高速扬克缸生活用纸机的先进区间（1.10～1.30t/t纸），说明所配高温热风罩（450℃）有效降低了对缸面传导的依赖，能量利用合理。（2）扬克缸传热面积富余系数1.13，既满足当前1900m/min车速，又为未来提速至2100m/min留有约10%的干燥能力裕量，避免一次性更换大直径烘缸。（3）烘缸壁厚14mm对应许用内压0.882MPa，较设计压力0.6MPa有47%裕量，可适应蒸汽压力波动与长期运行腐蚀，符合GB/T31104—2024对厚壁钢板方向性能及无损检测的要求。（4）卷取部满卷6.3t、调速比11:1，与30kW变频电机匹配良好；压区线压力由2.5N/mm渐降至1.5N/mm的工艺曲线，可保证纸卷从内到外硬度均匀，减少纸卷塌边与纸病。7.3工程指导意义（1）本计算书可作为基础设计阶段设备询价、工艺管道布置及电气传动选型的依据；后续施工图设计阶段应结合设备制造厂详细图纸复算烘缸轴承载荷、热风罩风网阻力及蒸汽冷凝水系统背压。（2）建议在干燥部配备多段蒸汽分级控制（扬克缸汽压、热风罩空气加热器、暖风系统独立计量），便于投产后按单位产品汽耗进行能耗考核。（3）卷取部建议采用“线速度闭环+张力前馈+压区压力随直径曲线”的三级控制策略，并在满卷80%时提前预置换卷程序，保证换卷成功率与纸卷端面整齐。（4）烘缸作为Ⅰ类压力容器，投用前应按TSGR0004办理使用登记，并由具备资质的单位进行监检；安全阀、压力表、温度传感器应按周期校验。8主要标准与规范引用表8-1本计算书引用的主要标准与规范序号标准编号标准名称实施年份1GB/T31104—2024造纸机械用钢制烘缸20252GB150（所有部分）压力容器现行3TSGR0004固定式压力容器安全技术监察规程现行4GB/T45813—2025造纸机械安全要求20255QB/T1422.3—2023造