衛生紙機智能透平真空系統

周賢周 上鼓透平風機啟東有限公司

衛生紙機的真空系統是重要的輔助系統，主要應用在網部和壓榨部，起到紙幅脫水、轉移、凈化毛毯的作用。真空系統一般由功率在185～500kW左右羅茨真空泵、水環真空泵及增速箱式透平真空泵組成，除了傳統的真空泵效率較低以外，在真空系統的設計過程中都有20%～40%的設計余量。目前的真空系統都沒有安裝實時的真空度及流量傳感器，真空系統都是按照固有的轉速運行。因此，很少有真空泵運行在其性能的高效區，導致真空系統整體效率偏低。

圖1 新月型成形器

紙機在不同的生產狀態時，對真空系統的要求是變化的。例如，車速、紙張定量、毛毯使用前后期等等。本系統在紙機濕部的各個真空部位加入真空度及流量傳感器，根據實際生產情況所需真空度的要求，實時調整真空泵的轉速以及各個閥門的開度，讓紙機真空系統保持最佳狀態，真空泵盡量保持在其高效區運行。在保證紙張最佳質量的同時，整個真空系統一般可以節能20%～50%。以下介紹說明衛生紙機智能真空系統的特點。

現有的紙機中，以新月型紙機和真空圓網紙機為主，所以智能真空系統的設計主要圍繞這兩種紙機展開。其中，主要以新月型紙機為主。

圖2 真空圓網紙機真空網籠剖視圖

1 智能真空系統介紹

衛生紙機智能真空系統由如下部分組成：節能型透平真空泵、智能控制器（AI-SYSTEM）、氣水分離器、調節型閥門、真空壓力傳感器、濕度傳感器和脫水檢測器。

脫水檢測器主要檢測核心脫水點的脫水量，濕度傳感器主要檢測紙張從壓榨輥出來到烘干過程的濕度，真空壓力傳感器主要是檢測每一個點的實際真空度。智能控制器通過實時分析真空度、脫水情況、紙幅濕度以及紙張定量，就紙機實際的生產情況來確定節能調節閥的開度以及真空透平泵的轉速。真空度的高低實際上完全是由真空泵的轉速來決定的，轉速越高，真空度就越高，轉速越低，真空度就越低。通過真空泵轉速的變化以及各個節點調節閥的調整，使每一個真空點的真空度跟實際所需的真空度進行匹配。換句話說，如果真空度升高，但是通過脫水檢測器檢測到的實際脫水量沒有直接增加的話，也就沒必要把真空泵開得過高，智能控制器系統會自動進行調整。

圖3 新月型紙機智能真空系統布置圖

1.1 節能型透平真空泵本體

圖4 節能型透平真空泵及智能控制系統

真空系統主要提供真空動力的是真空泵，所以該真空泵本身是不是高效真空泵至關重要。該系統的真空泵有如下特點，第一采用了高速永磁電機作為動力源；第二采用了高效的全可控渦三元流閉式葉輪；第三對蝸殼部分進一步優化，采用可調型有葉擴壓器。

1.1.1 高效永磁高速同步電機

圖5 高效永磁高速同步電機

高速電機有兩個獨特的優點是普通電機加增速箱無法比擬的。其一，可以省去增速箱齒輪傳動帶來的齒輪切合等功率損失，一般在30kW左右。另外，高速電機采用高效的永磁電機，比普通異步電機至少節能10%以上。高速電機由變頻器控制，可以根據實際的工況實時快速調整轉速，使得真空泵可以實時匹配系統真空度的要求。高速電機的使用可以更好的實現真空系統的智能控制，省去增速箱的損耗約8%的能耗，且進一步減少占地面積，減少10～15dB的噪音，靜音效果明顯。轉動慣量更小，可以快速調整轉速，實時匹配智能控制器的設定轉速。

1.1.2 全可控渦三元流閉式葉輪

圖6 真空泵蝸殼內部流動性示意圖

該真空透平泵的葉輪設計采用最先進的全可控渦三元流葉輪設計?！叭煽販u”三元葉輪設計方法，解決了葉輪內全部流場控制與葉片光滑加工之間的矛盾，在設計時采用三元流動逆命題公式，輸入葉輪內全部流體質點的“渦”（速度環量RCU）發布，直接得到三元葉片的型面，從而達到控制葉輪內部流體質點的速度分布，大大縮短了葉輪設計的計算時間，而且確保寬葉片或小軸向尺寸條件的設計計算收斂。這種技術制造的風機轉子其葉輪的子午面、回轉面及葉片型線設計中采用任意曲面設計方法，改變了國外引進的“直線元素”三元葉輪只能自由控制葉頂與葉根兩個流體質點運行狀態，可實現對葉輪內部全部流體質點運行狀態的控制，整機效率可達84%～86%，可比一般三元流葉輪提高2個百分點以上，較二元設計的葉輪提高效率8～12個百分點。葉輪采用閉式葉輪，雖然閉式結構對葉輪的強度設計要求很高，但是葉輪的效率比開式葉輪高出3～5個百分點左右，特別是葉輪工作幾年以后，由于葉輪的磨損，開式葉輪普遍存在效率下降，并很難修復。閉式結構只需要更換機殼上的密封即可，所以維護上要方便很多。

該真空泵的蝸殼擴壓部分采用可調節型有葉擴壓器，可以對蝸殼里的氣流出口角度進行實時調整。使得真空泵在不同的轉速下都能運行在風機高效區。由于衛生紙機的毛毯在使用的前期、中期以及后期對真空度的要求變化很大，所以真空泵需要調整轉速進行匹配。可調節型有葉擴壓器就可以很好的解決由于轉速調整帶來效率變化的問題，讓真空泵始終處在效率的高區運行。而市場上絕大部分國產真空透平泵沒有此功能。

真空泵采用先進的透平機械專業設計軟件進行氣動設計，進行通流部件的全周期CFD計算及優化，蝸殼內部流動性能最優。

1.1.3 真空泵本身轉子動力學的優化

從真空泵本身轉子動力學上也進行了優化。葉輪等關鍵配件進行強度、剛度、模態等有限元分析及優化，并進行流固熱多物理場耦合分析，保證運行的安全性；采用DyRoBeS軟件進行軸承設計及轉子動力學特性分析，機組運行平穩可靠。

圖7 葉輪設計示意圖

圖8 軸承設計示意圖

1.2 高效永磁電機直驅式透平真空泵與普通真空泵性能對比

目前比較主流的真空泵主要有水環真空泵、羅茨真空泵、增速箱式單極透平真空泵和高速永磁電機直驅式透平真空泵，表1為羅茨真空泵、增速箱式單極透平真空泵和高速永磁電機直驅式透平真空泵的對比情況。

表1 節能型透平真空泵本體與羅茨真空泵、增速箱式單極透平真空泵的對比

通過在結構上的改進以及葉輪效率上的提高，新型的透平真空泵比普通的透平真空泵效率提高5～8個百分點，比水環泵更有20～40個百分點的整體效率提升。另外，由于流場特性的大幅度改善，使得新型的透平真空泵運行時噪音值只有8dB，遠小于羅茨真空泵的110dB，降噪效果明顯。

2 利用人工智能技術實時匹配實際生產工況

2.1 智能控制器（AI-SYSTEM）

智能控制系統包括AI控制器、5G網絡以及阿里云系統，根據紙機的實際生產狀態最大限度的匹配紙機的實際生產需求。智能控制系統里集成了一個5G通信卡，通信卡能夠通過網絡將風機的狀態和數據發送到阿里云，在公司內部就可以通過阿里云服務器監控每一個真空泵的實際運行轉速、軸承溫度及軸承振動情況、油的過濾以及油溫情況，可以達到遠程診斷的目的。遠程診斷的好處就是讓工程師實時檢測，然后分析情況并作出判斷。如果油溫過高，就可以通知客戶，檢測冷卻水以及油品情況。

AI控制器則會將狀態信息、故障信息發回。實際上它的主要功能是通過檢測紙機車速、紙張定量、出壓榨時的干度以及紙機各部分的工況耦合在一起，運算得出一個真空系統所需要真空度并調節真空泵轉速。

2.2 原始數據模型的建立

本衛生紙機真空系統的核心是由智能控制器（AISystem）加PLC邏輯控制器組成。PLC邏輯控制器負責真空泵系統的正常工作以及運行狀態的監控。智能控制器負責實時采集紙機真空系統的狀態，根據實際生產的情況，調整真空泵的轉速以及閥門的開度。使得真空泵的運行和紙機的真空系統處于一個最佳的匹配狀態。

真空度大小以及真空度的組合方式決定了真空系統在紙機上的運行效果，而真空系統的運行效果又影響著紙機各部分的能量消耗。對真空系統進行優化需要從全局出發，不僅要考慮真空系統本身的能耗，還需要注意到紙機其他部分的能耗。不同的生產條件，紙機對真空系統負壓的需求不同。真空度需根據現場環境的變化而變化。紙張定量和紙機車速在生產中并非固定的，這兩個因素極大地影響紙機對真空系統的需求，建模時需要重點分析。對于其他影響較小的因素，可以視為干擾，不納入考慮的范圍。另外，在保證正常生產的前提下節能是優化模型的最終目的，因此紙機各部分能耗及不同部位的干度或蒸發負荷也是必須分析的變量。

智能控制器（AI-System）的數據準備，即原始數據模型的建立及計算根據表2的變量得到。

表2 建模需要的變量數據

2.3 數據采集及迭代方法

積累數據的時間跨度要足夠大，涵蓋盡量多的情況，一般要有幾個月的數據。同時要保證有足夠的數據量，一般數據量要求 2,000 組以上。數據采集后，對獲取的數據進行預處理，然后以統一的時間標簽，將所有變量數據存入智能控制器（AI-System）的存儲器中。數據迭代的時間越長，數據量越大，智能控制器就能夠越了解該紙機。這也是為什么在實際過程中，風機的節電效果是隨著使用的時間長度越來越明顯。

真空系統的變動會影響到相關系統能耗的變動。不能單純地以減少真空消耗為優化的目標，需要從全局的角度考慮。值得注意的是，真空系統除了極大影響干燥部蒸汽的消耗外，還與傳動系統電功率有密切的關聯。這是由于真空系統電功率提高時，傳動的阻力將會提高，相應的電功率也會提升。事實上，工廠生產中，傳動系統的電功率是調節真空系統的一個重要依據。

另一方面，考慮到造紙過程蒸汽的消耗量比電能大得多，而電能的品質比蒸汽高，單位能量的電也比蒸汽貴，所以以最低能耗為優化目標欠妥。模型將優化目標定為相關系統單位時間能耗的成本。也就是說，模型的目標函數右邊確定為單位時間內真空系統電耗、傳動電耗以及干燥部汽耗的能耗功率成本總和。目標函數的左邊是需要調節的真空系統的真空度設定值。即：

Ccost=f1(P1，P2，P3…Pi)

這是一個復雜的多變量關系。若采用統計回歸方法，均方根誤差和判斷系數不理想，則不能取得較好的擬合效果。所以采用人工神經網絡(Artificial Neural Network，ANN) 的方法來實現目標函數關系的建立。人工神經網絡是近年來智能控制與智能自動化領域的熱點，具有可操作性強、自適應與自學習能力強等優點。

2.4 有效的流量和真空度

網部脫水量是由真空系統帶來的壓力差決定的，與通過的氣流無關。也就是說，當真空度不增加時，真空系統只會抽去過多的空氣，卻不能從紙幅帶走水分。其結果可以參考赫爾辛基理工大學的Raisanen 博士的真空度與紙張干度的關系圖（如圖9所示）。由此可知，在紙幅前進的方向上，真空度必須是逐漸增大的，否則真空度相對前面較小的真空箱會出現只抽空氣卻脫不掉水分，而白白浪費能量的情況。

圖9 真空度與紙張干度的關系

2.5 考慮干燥部蒸汽的消耗因素

在網部，真空系統的負壓是紙張成形的關鍵。真空系統脫水能力過低不僅會使干燥部蒸汽消耗增大，同時也可能導致紙機無法正常生產。故真空度的設定需要滿足脫水能力要求。數據庫中若缺乏干度數據，可用進干燥部前蒸發負荷來代替。干燥部前蒸發負荷可以用紙機水的質量平衡得到，代表單位時間內進入干燥部的水的質量。一般來說，前面真空脫水的能力越強，干燥部的蒸發負荷應該就會越少。

此外，真空度的設定值不能超出設備要求及工藝環境的要求，故每個真空度的設定都有上下限。排除異常值后，數據庫中歷史數據都是曾經出現的數據，是在正常運行范圍內的數據，并且確定是可行的，由此確定真空度設定值的上下限。模型中真空度的設定值不超出最大和最小歷史值。

根據分析計算出來的真空度控制范圍，智能控制器（AISystem）會通過系統上各個點的真空傳感器，實時的控制系統管路中的閥門開度以及風機的轉速等參數，讓紙機上各個點的真空度接近算法得出真空度要求。

3 新型透平真空系統應用案例

3.1 在洛陽華潔紙業寶拓紙機上的應用

圖10 洛陽華潔紙業寶拓紙機

● 紙機幅寬2,850mm，車速1,300m/min；

● 選用風機的電機功率為90kW，實際運行功率為70kW；

● 原來羅茨風機185kW，實際運行140kW，節電50%。

3.2 在河北姬發紙業輕良紙機上的應用

圖11 河北姬發紙業輕良紙機

● 紙機幅寬3,500mm，車速1,300m/min；

● 選用風機的電機功率為132kW，實際運行功率為85kW；

● 原來水環真空泵315kW，實際運行230kW，節電63%。

3.3 在山東東順紙業川之江BF12紙機上的應用

圖12 山東東順紙業川之江BF12紙機

● 紙機幅寬3,500mm，車速1,000m/min；

● 選用風機的電機功率為160kW，實際運行功率為125kW；

● 原來羅茨風機280kW，實際運行180kW，節電30%。