造纸厂真空系统抽气量与真空泵能耗设计计算书

造纸厂真空系统抽气量与

真空泵能耗设计计算书——年产30万吨箱板纸生产线项目文件编号VACUUM-DSN-2026-001设计阶段初步设计文件类型专项计算书编制________________审核________________批准________________二〇二六年十月

目录TOC\o"1-2"\h\z\u1设计概述 设计概述1.1设计依据本计算书依据国家现行有关标准、规范及本项目工艺设计条件编制，主要设计依据包括：——GB/T13929-2024《水环真空泵和水环压缩机试验方法》——GB/T13930-2024《水环真空泵和水环压缩机气量测定方法》——GB/T40344.2-2021《真空技术真空泵性能测量标准方法第2部分：容积真空泵》——JB/T11238-2011《真空技术液环真空泵效率》——GB31825-2015《制浆造纸单位产品能源消耗限额》——GB/T29454-2012《制浆造纸企业能源计量器具配备和管理要求》——GB50017-2017《钢结构设计标准》——GB50275-2010《风机、压缩机、泵安装工程施工及验收规范》1.2设计范围本计算书针对年产30万吨箱板纸生产线的网部及压榨部真空系统进行抽气量计算与真空泵能耗设计，计算范围涵盖网部吸水箱、真空伏辊、压榨真空吸移箱及毛布洗涤真空箱等全部真空抽吸点，并包括真空泵选型、电机功率匹配、真空管道管径计算及气水分离器选型等内容。1.3设计原则（1）安全可靠原则：真空系统设计必须满足纸机各脱水部位对真空度和抽气量的工艺要求，保证纸机稳定运行；（2）经济合理原则：在满足工艺要求的前提下，合理选择真空泵型式和台数，降低设备投资和运行能耗；（3）节能高效原则：优先选用高效节能型真空泵，优化真空系统配置，降低单位产品电耗；（4）留有裕量原则：考虑到纸机生产调整、纸种切换及设备老化等因素，系统设计应预留适当的裕量系数。2设计基础数据2.1纸机主要技术参数本项目纸机主要技术参数见表2-1。表2-1纸机主要技术参数表序号项目数值1纸机净纸幅宽Bₙ(mm)56002纸机网宽B(m)5.83设计车速v(m/min)6004工作车速(m/min)5005纸张定量(g/m²)120～3006产品品种牛皮箱板纸7年生产量(万吨)302.2工艺条件纸机真空系统各抽吸点的工艺要求真空度根据脱水阶段不同而有所差异。网部前段（低真空段）主要用于滤水和初期脱水，真空度较低；网部后段及压榨部（高真空段）用于强化脱水，真空度较高。本项目各真空抽吸点的工艺设计参数见表2-2。表2-2各真空抽吸点工艺参数表序号抽吸点名称真空度(kPa)抽吸宽度(mm)备注1水腿真空箱-5～-101200网部前段2双室湿吸箱（低真空室）-10～-151500网部中前段3双室湿吸箱（高真空室）-20～-301500网部中后段4伏辊真空箱-35～-451800网部尾部5一压吸移箱-25～-351600压榨部6二压吸移箱-30～-401600压榨部7毛布洗涤真空箱（一压）-20～-25800毛布清洗8毛布洗涤真空箱（二压）-20～-25800毛布清洗2.3环境参数设计计算采用的环境参数如下：大气压力p₀：101.325kPa（标准大气压）；环境温度t：20℃；相对湿度φ：60%；工作水温t_w：15～25℃；海拔高度：≤100m。3真空系统抽气量计算3.1计算方法与公式纸机真空系统抽气量计算采用单位面积空气流量法。该方法基于纸机网宽、车速及单位面积空气流量系数，计算各真空抽吸点的抽气量。基本计算公式如下：W=KBv（3-1）式中：W——抽吸点抽气量，m³/min；K——单位面积空气流量，L/(m²·min)，根据真空度和抽吸位置选取；B——纸机网宽，m；v——纸机车速，m/min。单位面积空气流量K值是影响抽气量计算结果的关键参数，其大小与真空度、纸种、浆种、脱水部位等因素有关。根据造纸行业设计经验，不同真空度下的K值推荐取值范围见表3-1。表3-1单位面积空气流量K值推荐表真空度范围(kPa)K值[L/(m²·min)]适用部位-5～-105～10水腿真空箱、低真空吸水箱-10～-2010～20湿吸箱前段、毛布洗涤-20～-3020～35湿吸箱后段、吸移压榨-30～-4035～50伏辊真空箱、高真空吸水箱-40～-5050～70伏辊高真空室、真空压榨>-5070～100特殊高真空脱水部位3.2各真空点抽气量计算根据表2-2所列各抽吸点工艺参数和表3-1推荐的K值，以纸机网宽B=5.8m、工作车速v=500m/min为基准，逐点计算各真空抽吸点的抽气量。计算时取各真空度范围的中间值作为设计计算真空度，并选取对应的K值。（1）水腿真空箱设计真空度取-7.5kPa，查K值表取K=8L/(m²·min)。W（3-2）（2）双室湿吸箱（低真空室）设计真空度取-12.5kPa，查K值表取K=15L/(m²·min)。W（3-3）（3）双室湿吸箱（高真空室）设计真空度取-25kPa，查K值表取K=28L/(m²·min)。W（3-4）（4）伏辊真空箱设计真空度取-40kPa，查K值表取K=42L/(m²·min)。W（3-5）（5）一压吸移箱设计真空度取-30kPa，查K值表取K=32L/(m²·min)。W（3-6）（6）二压吸移箱设计真空度取-35kPa，查K值表取K=38L/(m²·min)。W（3-7）（7）毛布洗涤真空箱（一压、二压各一台）设计真空度取-22.5kPa，查K值表取K=22L/(m²·min)。W（3-8）3.3抽气量汇总与裕量系数将各真空抽吸点计算结果汇总，并考虑管道漏风裕量系数。根据工程设计经验，真空系统管道及阀门漏风率一般取5%～10%，本设计取裕量系数K_s=1.10（即10%的裕量）。表3-2各真空点抽气量计算汇总表序号抽吸点名称设计真空度(kPa)计算抽气量(m³/min)裕量后抽气量(m³/min)1水腿真空箱-7.523.225.52双室湿吸箱（低真空室）-12.543.547.93双室湿吸箱（高真空室）-25.081.289.34伏辊真空箱-40.0121.8134.05一压吸移箱-30.092.8102.16二压吸移箱-35.0110.2121.27毛布洗涤真空箱（2台）-22.5127.6140.4合计600.3660.4备注裕量系数K_s=1.10经计算，纸机真空系统总抽气量为660.4m³/min（工况状态）。根据真空度等级分组，低真空段（≤-15kPa）合计约73.4m³/min，中真空段（-15～-30kPa）合计约229.7m³/min，高真空段（>-30kPa）合计约357.3m³/min。4真空泵选型与能耗计算4.1真空泵型式选择目前造纸行业常用的真空设备主要有水环真空泵和透平真空泵（离心式真空风机）两大类。两种型式的特点比较见表4-1。表4-1水环真空泵与透平真空泵性能比较表比较项目水环真空泵透平真空泵真空度范围0～-50kPa，高真空段效率高0～-70kPa，宽范围高效等温效率35%～45%65%～75%工作水消耗需大量工作水（约0.1～0.3m³/min）无工作水消耗运行可靠性结构简单，可靠性高转速高，对安装维护要求高投资成本较低较高适用场合中小纸机、高真空段大型高速纸机、节能改造综合考虑本项目纸机规模（5600/600箱板纸机）、投资控制及运行可靠性要求，本设计选用水环真空泵作为真空系统主力设备。水环真空泵具有结构简单、运行可靠、维护方便、可抽吸含湿气等优点，非常适合造纸工业的潮湿工况。4.2真空泵选型计算根据真空度等级分组配置真空泵，按低、中、高三个真空段分别选型。每段配置2台真空泵（1用1备），以保证系统运行可靠性。（1）低真空段（-5～-15kPa）低真空段总抽气量为73.4m³/min（含裕量），选用2台2BE1-253型水环真空泵，单台额定抽气量80m³/min，极限真空度-85kPa，配套电机功率75kW。（2）中真空段（-15～-30kPa）中真空段总抽气量为229.7m³/min（含裕量），选用2台2BE1-353型水环真空泵，单台额定抽气量130m³/min，极限真空度-85kPa，配套电机功率185kW。（3）高真空段（>-30kPa）高真空段总抽气量为357.3m³/min（含裕量），选用2台2BE1-406型水环真空泵，单台额定抽气量200m³/min，极限真空度-90kPa，配套电机功率315kW。表4-2真空泵选型配置汇总表段别泵型号数量(台)单台抽气量(m³/min)工作真空度(kPa)电机功率(kW)备注低真空段2BE1-253280-10～-15751用1备中真空段2BE1-3532130-20～-301851用1备高真空段2BE1-4062200-35～-453151用1备合计—6——1150—4.3真空泵能耗计算水环真空泵的压缩过程可近似视为等温压缩过程，其等温压缩功率（有效功率）按GB/T13929-2024规定的公式计算：P（4-1）式中：P_is——等温压缩功率，kW；p₁——泵吸气口绝对压力，kPa；p₂——泵排气口绝对压力，kPa（取大气压101.325kPa）；Q_st——泵吸气状态下的抽气量，m³/min。泵的轴功率由等温压缩功率除以等温压缩效率得到：P（4-2）式中：P_a——泵轴功率，kW；η_is——等温压缩效率，%，水环真空泵一般取35%～45%。（1）低真空段真空泵能耗计算吸气绝对压力p₁=101.325-12.5=88.825kPa，抽气量Q_st=80m³/min，取等温效率η_is=40%。P（4-3）P（4-4）（2）中真空段真空泵能耗计算吸气绝对压力p₁=101.325-25=76.325kPa，抽气量Q_st=130m³/min，取等温效率η_is=42%。P（4-5）P（4-6）（3）高真空段真空泵能耗计算吸气绝对压力p₁=101.325-40=61.325kPa，抽气量Q_st=200m³/min，取等温效率η_is=45%。P（4-7）P（4-8）4.4电动机功率匹配电动机功率应考虑泵轴功率、传动效率及安全裕量。电动机配套功率按下式计算：P（4-9）式中：P_mot——电动机额定功率，kW；η_tr——传动效率，直联取0.98，皮带传动取0.95；K_m——电机裕量系数，一般取1.10～1.20。本项目真空泵均采用直联传动（η_tr=0.98），取K_m=1.15。计算结果及选型电机功率见表4-3。表4-3电动机功率匹配计算表段别泵轴功率(kW)计算电机功率(kW)选型电机功率(kW)负荷率(%)效率等级低真空段44.051.67569.3IE3中真空段155.5182.618599.2IE3高真空段308.2361.6315—IE3注：高真空段选型电机功率315kW小于计算所需功率361.6kW，实际选用时应调整为400kW电机，或通过变频调速在低负荷区间运行。本设计最终高真空段配套电机功率调整为400kW。5真空管道系统计算5.1管径计算真空管道管径按管道内气体流速控制计算。真空管道内气体流速一般取10～20m/s，本设计取v=15m/s。管径计算公式如下：d=（5-1）式中：d——管道内径，m；Q——管道内气体流量，m³/min；v——管内气体流速，m/s。根据各真空段抽气量计算管道直径，结果见表5-1。表5-1真空管道管径计算表管道名称设计流量(m³/min)计算内径(mm)选用管径(mm)备注低真空段总管80336Ø377×6无缝钢管中真空段总管130429Ø478×6无缝钢管高真空段总管200531Ø630×8无缝钢管支管（各吸点）25～120188～412Ø219～Ø426按各点单独计算5.2管道阻力计算真空管道阻力损失包括沿程阻力损失和局部阻力损失两部分。为保证真空泵入口处达到设计真空度，管道总阻力损失应控制在允许范围内。一般要求管道阻力损失不超过工作真空度的10%。沿程阻力损失按下式计算：Δp（5-2）式中：Δp_f——沿程阻力损失，Pa；λ——摩擦阻力系数，取0.02；L——管道长度，m；d——管道内径，m；ρ——气体密度，kg/m³；v——管内流速，m/s。经计算，各真空段管道总阻力损失（含局部阻力）分别为：低真空段约1.2kPa，中真空段约1.8kPa，高真空段约2.5kPa。管道阻力损失均小于各段工作真空度的10%，满足设计要求。6辅助系统计算6.1气水分离器选型气水分离器的作用是分离真空泵排气中夹带的工作水和纸浆纤维，保证排出气体清洁并回收工作水。气水分离器筒体直径按下式计算：D=（6-1）式中：D——分离器筒体直径，m；Q₂——分离器入口气体流量（排气状态），m³/min；v_s——分离器内气体上升流速，取1.5～2.5m/s。本项目共设置3台气水分离器，分别对应低、中、高三个真空段。低真空段分离器直径Ø1000mm，中真空段Ø1400mm，高真空段Ø1800mm。分离器内设挡板分离结构和液位控制装置。6.2工作水量计算水环真空泵需要一定量的工作水来形成水环和密封。工作水量根据真空泵型号和规格确定，一般为泵抽气量的0.05%～0.1%（体积比）。各真空泵工作水量见表6-1。表6-1各真空泵工作水量一览表泵型号单台工作水量(m³/h)运行台数(台)总工作水量(m³/h)2BE1-2538182BE1-353151152BE1-40625125系统总工作水量为48m³/h。工作水经气水分离器分离后循环使用，补充新水量约为总水量的10%～15%，即约5～7m³/h。工作水温应控制在25℃以下，以保证真空泵的抽气性能。7安全核验7.1真空度安全裕量核验真空泵极限真空度与设计工作真空度之间应有足够的裕量，以适应纸种变化、毛毯老化及滤网堵塞等工况波动。一般要求极限真空度比工作真空度高20kPa以上。本设计选用的2BE系列水环真空泵极限真空度为-85～-90kPa，各段工作真空度最高为-45kPa，裕量达40kPa以上，远大于20kPa的最低要求，真空度安全裕量充足。7.2电机过载保护校验水环真空泵在启动初期（真空度较低时）轴功率较大，随着真空度升高，轴功率逐渐降低并趋于稳定。因此电机选型时必须校核启动工况下的功率需求。根据2BE系列真空泵性能曲线，启动时（大气压下）轴功率约为额定工况的1.2～1.3倍。本设计中各真空泵配套电机功率均按额定工况轴功率的1.15倍以上选取，考虑到电机本身的过载能力（一般可短时过载1.5倍），启动工况下电机不会过载。建议在真空泵吸气管道上设置电动蝶阀，启动时先打开蝶阀使真空泵在大气压下启动，启动完成后再逐渐关闭蝶阀建立真空，以降低启动电流和启动功率。7.3系统可靠性分析本真空系统采用分段配置、1用1备的设计方案，具有较高的运行可靠性：（1）低、中、高三个真空段相互独立，某一段出现故障时不影响其他段运行；（2）每段配置2台真空泵，1台运行1台备用，单台泵故障时可立即切换备用泵；（3）真空泵入口设置真空压力表和压力变送器，可实时监测真空度并接入DCS系统；（4）气水分离器设置高低液位报警，防止工作水进入真空泵或真空泵断水运行；（5）电机设置过载、缺相、过热等保护，保证设备安全运行。8结果分析与工程指导意义8.1计算结果汇总本计算书对年产30万吨箱板纸生产线真空系统进行了全面设计计算，主要结果汇总如下：（1）真空系统总抽气量：660.4m³/min（含10%裕量）；（2）真空泵配置：共6台水环真空泵（3段×2台，1用1备）；（3）总装机功率：1150kW（低真空段2×75kW+中真空段2×185kW+高真空段2×400kW）；（4）运行功率：约507.7kW（单台运行：44.0+155.5+308.2）；（5）年耗电量：约372万kWh（按年运行7200小时计）；（6）单位产品真空系统电耗：约12.4kWh/t纸。8.2能耗分析真空系统是造纸车间的主要用电设备之一，约占纸机总电耗的15%～25%。本设计中