水環(huán)真空泵和透平風(fēng)機(jī)是現(xiàn)代造紙真空系統(tǒng)中最常見(jiàn)的兩種真空發(fā)生設(shè)備，通過(guò)比較兩者的發(fā)展歷史、工作原理、結(jié)構(gòu)特征和在造紙真空系統(tǒng)的應(yīng)用特點(diǎn)，總結(jié)兩者的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，希望能給造紙行業(yè)的相關(guān)技術(shù)人員選用真空發(fā)生設(shè)備時(shí)提供參考。

1、前言

　　水環(huán)真空泵是造紙真空系統(tǒng)最普遍使用的設(shè)備，為造紙行業(yè)技術(shù)人員所熟知。而透平風(fēng)機(jī)在中國(guó)的造紙行業(yè)應(yīng)用引入比較晚，從2007 年才開(kāi)始正式有投入使用，造紙行業(yè)的相關(guān)技術(shù)人員了解甚少，常被視為是“新技術(shù)”。事實(shí)上這兩種真空發(fā)生設(shè)備發(fā)明的時(shí)間非常接近，在造紙行業(yè)中使用都有較長(zhǎng)的歷史。兩者各有優(yōu)劣，不能相互取代，故一直在造紙行業(yè)共存，在現(xiàn)有的技術(shù)條件下，水環(huán)真空泵更具優(yōu)勢(shì)，仍占據(jù)市場(chǎng)主導(dǎo)地位。

2、發(fā)展歷史的比較

　　水環(huán)真空泵分別于1903 年由美國(guó)人Houis Nash和1905 年由西門子公司在相互不了解的情況下發(fā)明出來(lái)�，F(xiàn)時(shí)在中國(guó)造紙行業(yè)中常見(jiàn)的水環(huán)真空泵有幾種，其中2BE1 系列和2BE3 系列平板泵分別于上世紀(jì)70 年代末和80 年代由西門子公司設(shè)計(jì)制造，CBF 系列平板泵由廣東省佛山水泵廠有限公司于1999 年設(shè)計(jì)制造;CL 系列和904 系列錐體泵分別于1962 年和1984 年由納氏公司研制。水環(huán)真空泵在造紙真空系統(tǒng)有超過(guò)80 年的應(yīng)用歷史，世界上90%的造紙廠均采用水環(huán)真空泵組建真空系統(tǒng)。現(xiàn)時(shí)國(guó)內(nèi)外都有大量生產(chǎn)用于造紙真空系統(tǒng)水環(huán)真空泵的廠家。

　　透平風(fēng)機(jī)同樣出現(xiàn)在20 世紀(jì)初，最初作為壓縮機(jī)使用。1900 年由法國(guó)拉托廠首先制造出第一臺(tái)透平壓縮機(jī)。瑞士的蘇爾壽公司從1903 年開(kāi)始研制透平壓縮機(jī)，是最早生產(chǎn)透平真空風(fēng)機(jī)的廠家之一，2001 年蘇爾壽公司并入德國(guó)曼集國(guó)，組建成現(xiàn)在的曼透平公司。曼透平公司是現(xiàn)時(shí)在中國(guó)能提供造紙真空泵系統(tǒng)用透平真空風(fēng)機(jī)的主流廠家，該公司生產(chǎn)的透平風(fēng)機(jī)在造紙真空系統(tǒng)有超過(guò)60 年的應(yīng)用歷史，主要有RC、RCL 和RT 三個(gè)系列的透平真空風(fēng)機(jī)。根據(jù)國(guó)外的造紙工藝教材介紹，美國(guó)德萊賽公司原來(lái)也生產(chǎn)用于造紙真空系統(tǒng)的透平風(fēng)機(jī)，但現(xiàn)在該公司已經(jīng)不涉足該類應(yīng)用。我國(guó)現(xiàn)有陜西鼓風(fēng)機(jī)廠、沈陽(yáng)鼓風(fēng)機(jī)廠和上海鼓風(fēng)機(jī)廠等多家生產(chǎn)透平風(fēng)機(jī)的廠家，均不涉足造紙行業(yè)。

　　可見(jiàn)水環(huán)真空泵和透平風(fēng)機(jī)起源于同一時(shí)期，在造紙真空系統(tǒng)中的應(yīng)用都有較長(zhǎng)的歷史，但水環(huán)真空泵在該領(lǐng)域得到蓬勃的發(fā)展，而透平風(fēng)機(jī)在該領(lǐng)域發(fā)展滯緩。

3、工作原理的比較

　　水環(huán)真空泵的工作原理是：葉輪與泵體呈偏心配置，當(dāng)葉輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，水在離心力的作用下沿泵體內(nèi)壁形成近乎等厚的旋轉(zhuǎn)水環(huán)，水環(huán)內(nèi)表面與葉輪輪轂外表面構(gòu)成月牙形的工作腔，并被葉輪葉片分割成大小不等的空腔。前半轉(zhuǎn)空腔的容積逐漸擴(kuò)大，氣體從外界吸入;后半轉(zhuǎn)空腔的容積逐漸縮小，氣體被壓縮后排出外界。從而完成吸氣、壓縮、排氣三個(gè)工作階段。通常在紙廠中使用的是單級(jí)水環(huán)真空泵，它可以提供全范圍的真空容量。

　　透平風(fēng)機(jī)的工作原理是利用葉片和氣體的相互作用，葉輪高速轉(zhuǎn)動(dòng)，提高氣體壓力和動(dòng)能，并利用相繼的通流元件使氣流減速，將動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)閴毫Φ奶岣�。通常使用多�?jí)組合壓縮獲得最終需要的壓力。作為真空發(fā)生器使用時(shí)，排出的最終壓力為大氣壓，吸入壓力則為負(fù)壓。通常在紙廠中使用較多的是多級(jí)離心式透平風(fēng)機(jī)，壓力逐級(jí)升高，各級(jí)均有吸入口，每個(gè)吸入口有不同的真空度。若使用單級(jí)的透平風(fēng)機(jī)，則只能在單個(gè)較小的真空范圍內(nèi)工作。

　　由于工作原理上不相同，要求有不相同的轉(zhuǎn)速，水環(huán)真空泵要求的工作轉(zhuǎn)速較低，一般的葉輪線速度為14~24m/s ，透平風(fēng)機(jī)要求的工作轉(zhuǎn)速較高，一般葉輪線速度為300~500m/s，是水環(huán)真空泵的二十倍以上。由于氣體在水環(huán)真空泵內(nèi)的流速較低，并且會(huì)被水環(huán)泵內(nèi)的水冷卻，因此吸入與排出的氣體溫度近乎不變。而氣體在透平風(fēng)機(jī)內(nèi)的流速很高，由于摩擦和壓縮均產(chǎn)生熱量會(huì)讓氣體溫度急劇升高，往往需要在中間級(jí)增加冷卻裝置。透平風(fēng)機(jī)為干式真空發(fā)生設(shè)備，相比需要帶動(dòng)水環(huán)工作的水環(huán)真空泵，效率會(huì)更高一些，但是這樣的干式真空設(shè)備對(duì)于水比較敏感，較多水進(jìn)入到透平風(fēng)機(jī)內(nèi)可能會(huì)直接導(dǎo)致其損壞。此外，當(dāng)吸入流量小于透平風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)值時(shí)，氣流可能脫離風(fēng)機(jī)的葉片，出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)失速的現(xiàn)象。隨著失速的產(chǎn)生和發(fā)展，可能出現(xiàn)另一種不穩(wěn)定工況現(xiàn)象，風(fēng)機(jī)的氣體流量和排氣壓力周期性地低頻率、大振幅波動(dòng)，引起機(jī)器的強(qiáng)烈振動(dòng)，這種現(xiàn)象稱為透平風(fēng)機(jī)的喘振。

4、結(jié)構(gòu)特征的比較

　　水環(huán)真空泵一般為單級(jí)葉片，如圖1 所示，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，葉輪與泵體之間通過(guò)工作水密封，沒(méi)有剛性機(jī)械接觸，可抽吸含水份或粉塵的氣體。由于工作轉(zhuǎn)速較低，工作負(fù)荷不大，只需使用最簡(jiǎn)單的滾子軸承結(jié)構(gòu)。

圖1 單級(jí)平板水環(huán)真空泵剖面圖

1- 葉輪2- 主軸3- 泵體

圖2 多級(jí)透平風(fēng)機(jī)剖面圖

1- 機(jī)殼2- 葉輪3- 隔板4- 主軸

　　透平風(fēng)機(jī)常采用多級(jí)葉輪的結(jié)構(gòu)，如圖2 所示，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，葉輪的前后需帶隔板，葉輪與隔板之間需加裝特殊的密封裝置。為了防止失速和喘振，還需設(shè)有回流的導(dǎo)葉和防喘裝置。由于高速運(yùn)轉(zhuǎn)，對(duì)軸承的要求較高，一般采用油膜滑動(dòng)軸承，有時(shí)會(huì)采用磁懸浮或氣體軸承。相比水環(huán)真空泵，透平風(fēng)機(jī)雖然顯得比較高級(jí)，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，各零件的強(qiáng)度和加工精度都要求較高，生產(chǎn)成本大，可產(chǎn)生故障點(diǎn)多，使用和

　　維護(hù)都比較困難。此外，在運(yùn)行過(guò)程中，由于透平機(jī)內(nèi)溫度較高，各零件容易變形造成設(shè)備卡死或振動(dòng)加大的現(xiàn)象。

5、造紙真空系統(tǒng)的應(yīng)用特點(diǎn)比較

　　現(xiàn)代的紙機(jī)都是利用真空幫助紙頁(yè)脫水的，因此真空系統(tǒng)是一臺(tái)紙機(jī)的重要組成部分。一臺(tái)紙機(jī)上有多個(gè)真空度要求不相同的真空元件需要連接到真空系統(tǒng)。如果選用水環(huán)真空泵組建真空系統(tǒng)，往往把一些真空度相近點(diǎn)合并后，根據(jù)不同的真空度選用多臺(tái)水環(huán)真空泵來(lái)組建真空系統(tǒng)。如果選用透平風(fēng)機(jī)組建真空系統(tǒng)，則只需一臺(tái)或兩三臺(tái)透平風(fēng)機(jī)，則可以組建較大型紙機(jī)的真空系統(tǒng)。兩者相比，用透平風(fēng)機(jī)的集成度較高，比較節(jié)省安裝空間;而使用水環(huán)真空泵的獨(dú)立性較好，不同的真空泵之間不會(huì)產(chǎn)生相互干擾或連鎖反應(yīng)。

　　若選用透平風(fēng)機(jī)，當(dāng)局部真空元件實(shí)際運(yùn)行的通氣流量偏小時(shí)，透平風(fēng)機(jī)可能出現(xiàn)失速或喘振的現(xiàn)象，而當(dāng)局部真空元件實(shí)際運(yùn)行的通氣流量偏大時(shí)，多級(jí)透平風(fēng)機(jī)又會(huì)因?yàn)楦骷?jí)之間相聯(lián)，會(huì)出現(xiàn)整機(jī)真空度偏低的現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)造成透平風(fēng)機(jī)性能急劇下降，出現(xiàn)“阻塞”工況。因此，透平風(fēng)機(jī)在真空系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性較差，往往會(huì)造成產(chǎn)紙質(zhì)量的下降或斷紙等不良現(xiàn)象。此外，集成度高會(huì)造成單臺(tái)透平風(fēng)機(jī)的功率過(guò)大，給工廠電網(wǎng)和起動(dòng)設(shè)備帶來(lái)不小困難。若使用水環(huán)真空泵，即使某些紙機(jī)真空元件實(shí)際運(yùn)行參數(shù)出現(xiàn)偏小或偏大的情況，只會(huì)成相應(yīng)水環(huán)真空泵真空度出現(xiàn)相應(yīng)偏移的現(xiàn)象，不會(huì)造成整體較大的負(fù)面影響。若個(gè)別真空泵出現(xiàn)問(wèn)題，需要維修或更換也比較容易操作。

　　由于氣體挾帶的水份或其他異物進(jìn)入高速運(yùn)動(dòng)的透平風(fēng)機(jī)可能會(huì)對(duì)其造成致命的損害，因此透平風(fēng)機(jī)吸入口前必須有大型的水泥或全不銹鋼結(jié)構(gòu)氣水分離室，把氣流速度控制在3m/s 以內(nèi)，為防止水泥脫落，以用全不銹鋼結(jié)構(gòu)的氣水分離室為佳，這種分離室的制造成本較大。此外，高速運(yùn)轉(zhuǎn)透平風(fēng)機(jī)噪音較大，還需要建造消音的機(jī)房隔音。故透平風(fēng)機(jī)投入使用需要的輔助設(shè)備成本較大。如果使用水環(huán)真空泵，也需要在水環(huán)真空泵前安裝小型的前置氣水分離器，其作用是防止纖維含量較多的水串入水環(huán)真空泵的循環(huán)水系統(tǒng)中影響水質(zhì)，同時(shí)防止過(guò)多的水流入水環(huán)真空泵造成軸功率過(guò)大的現(xiàn)象，要求并不嚴(yán)格，制造成本較低。

　　透平風(fēng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是機(jī)械效率較高，可節(jié)約設(shè)備能耗�？梢钥匆幌聦�(shí)例，比如廣州紙業(yè)2007 年投產(chǎn)40萬(wàn)噸新聞紙項(xiàng)目， 真空系統(tǒng)要求總氣量約為6800m/min，采用了三臺(tái)透平風(fēng)機(jī)，總裝機(jī)功率為6550kW。如果選用最新的CBF 系列水環(huán)真空泵，需要13 臺(tái)真空泵，總裝機(jī)功率為7005kW，總裝機(jī)功率相差7%左右。如果是加大真空泵的氣量余量或者是選一些性能相對(duì)差一點(diǎn)的真空泵，總裝機(jī)功率相差會(huì)在10%~25%左右，有一定的節(jié)能效果。此外，透平風(fēng)機(jī)的排氣溫度較高，一般為120~180℃，熱量可回收用于紙機(jī)白水和空氣系統(tǒng)的加熱。而且透平風(fēng)機(jī)不需要使用水作為工作液，可以節(jié)約用水。

　　值得注意的是兩者能耗差并非兩者的設(shè)計(jì)機(jī)械效率差，那是因?yàn)樵旒堈婵障到y(tǒng)抽吸的是濕空氣，如果選用水環(huán)真空泵，由于溫度較高的濕空氣進(jìn)入到水環(huán)真空泵內(nèi)會(huì)被泵內(nèi)的水冷凝而體積減小，水環(huán)真空泵的性能相當(dāng)于得到提高;如果選用透平風(fēng)機(jī)，溫度較高的濕空氣進(jìn)入到透平風(fēng)機(jī)溫度會(huì)進(jìn)一步升高，氣體膨脹而會(huì)對(duì)透平風(fēng)機(jī)的性能造成負(fù)面影響。透平風(fēng)機(jī)獲得熱回收的同時(shí)，也造成了其內(nèi)部的高溫工作環(huán)境，會(huì)增加透平風(fēng)機(jī)零件變形而產(chǎn)生故障的風(fēng)險(xiǎn)。水環(huán)真空泵雖然要以水為工作液，但一般都是循環(huán)使用的，水的實(shí)際損耗量不會(huì)很大。此外由于透平風(fēng)機(jī)工作的不穩(wěn)定，容易造成產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定而需重復(fù)生產(chǎn)，造成其他能源的浪費(fèi)。

6、總結(jié)

　　盡管透平風(fēng)機(jī)在設(shè)備能耗、熱回收和節(jié)約水方面相比水環(huán)真空泵更具優(yōu)勢(shì)，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜、故障率高、投產(chǎn)成本大，在使用維護(hù)的可操作性、工作的可靠性和組建真空系統(tǒng)的穩(wěn)定性方面遠(yuǎn)不及水環(huán)真空泵。如果使用透平風(fēng)機(jī)，出現(xiàn)產(chǎn)紙質(zhì)量下降或者損紙較多的現(xiàn)象，顧此失彼，事實(shí)上是更大的能源浪費(fèi)。因此，在現(xiàn)有的技術(shù)條件下，水環(huán)真空泵的綜合使用性能更勝一籌，故在造紙行業(yè)中占據(jù)主導(dǎo)地位。