[发明专利]一种基于尾气流量检测的蒸汽冷凝水热泵系统

说明书

技术领域

本发明属于造纸技术领域，具体涉及一种用于纸机干燥部的基于尾气流量检测的蒸汽冷凝水热泵系统。

背景技术

造纸工艺中，最常用的对纸页进行干燥的方式，是往旋转烘缸内部通入新鲜蒸汽，来对烘缸内成型网上的纸页加热、烘干。新鲜蒸汽最终转化为冷凝水和由贯通蒸汽与不凝气体组成的尾气排出烘缸外。在纸页连续干燥的过程中，通入烘缸内的一部分新鲜蒸汽与烘缸内壁做热交换，放出热量转化为冷凝水。部分未进行热交换而随着冷凝水排出烘缸之外的，业内称之为贯通蒸汽，随贯通蒸汽排出的还有小部分不凝气体。

由于烘缸在工作过程中高速运转，冷凝水在离心力的作用下，将沿着烘缸内壁形成一层水环。水环受自重作用，不断震荡、冲击烘缸内壁，会影响新鲜蒸汽和烘缸内壁间的传热效率。冷凝水若不能及时随贯通蒸汽排出缸外，水环厚度逐渐增大，最后跌落至烘缸底部，形成水塘，导致排水失效。排水失效造成烘缸的传热效率进一步降低，甚至造成虹吸器损坏、轴承磨损加剧、传动电机负载的增加等不良后果。因此，需及时将冷凝水排出烘缸外，且使排水尽可能多，水环厚度越薄越好。

新鲜蒸汽通入烘缸时，会带进少量不凝气体，不凝气体在缸内的累积，会降低其所在位置蒸汽的压力及温度，传热效率也将受影响。此外，不凝气体在烘缸内不是均匀分布，会使纸页横幅干燥也不均匀。因此，需及时将不凝气体排出烘缸外。

目前，造纸行业使用的蒸汽系统多具有高、中、低温烘缸组的三段式串级压差控制系统。如图1所示，新鲜蒸汽先进入高温烘缸组的进气总管，后分配至各烘缸。一组烘缸共用一根进气总管和一根排水总管。冷凝水和贯通蒸汽的混合物经汽水分离器进行分离后，冷凝水被冷凝水泵输送至闪蒸罐闪蒸或直接输送回电厂回用，贯通蒸汽经热泵压缩后进入中温段使用。若热泵压缩后，烘缸组尾气量不够，则通过压力控制阀由主蒸汽管路补充。依次类推，中温段的贯通蒸汽被热泵压缩至低温段使用。低温段的温度较低，为保证排水畅通，必须接入更低压力的表面冷凝器或真空系统。通过进气总管上安装压力变送器与主蒸汽管的压力控制阀组成的PID回路，来调节烘缸组的操作压力。高温段与中温段之间、中温段与低温段之间、低温段与表面冷凝器之间，必须设定一固定压差，通过测量烘缸组进气总管与排水总管间的压差，来调节压差控制阀，使压差与设定值一致。当压差控制阀全开，排水压差未达到设定值时，或热泵设计不合理，导致无法压缩全部烘缸组尾气时，放空阀打开，将贯通蒸汽排至表面冷凝器，从而满足设定的排水压差。

在实际应用当中，所有的压差控制排水的蒸汽系统都会遇到诸如气耗高、淹缸、虹吸管损坏等很多问题。

下面通过图2来进行说明。图2是某大型高速纸机典型的排水特性曲线，反映的是贯通蒸汽量、冷凝速率与排水压差之间的关系。该纸机配备了旋转式虹吸器，且工作于正常的干燥负荷下。冷凝速率为烘缸单位时间内产生的冷凝水的量，在纸机烘缸参数确定的情况下，冷凝速率只与纸页干燥负荷和通入烘缸组的蒸汽的压力有关。图中，纵坐标为烘缸组进气总管与排水总管之间的压差，横坐标为虹吸器排出的混合物中贯通蒸汽所占比例。图示共有两套曲线，每套曲线为三条。三条实线分别对应纸机车速为650m/min，工作压力为0kPa、140kPa、350kPa情况下的排水特性曲线。三条虚线分别为纸机车速为450m/min，工作压力为0kPa、140kPa、350kPa情况下的排水特性曲线。由图可见，车速越快，冷凝水所受离心力越大，克服离心力排水时所需压差也越大。

实际工作中，操作人员将一个烘缸组进气总管和排水总管之间的压差设定为一固定值，通过测量和调节控制设备来获得与设定值相等的排水压差。一旦压差设定完成，除非出现明显的纸机故障，否则不会改变此设定值。

图中可见，在纸机车速450m/min，工作压差140kPa的情况下，正常开车满足连续排水的压差的设定值可控制在41kPa。当产量提高，蒸汽压力升至345kPa时，如果压差还是设定在41kPa，烘缸就有可能排不出水。若车速进一步提高到1066m/min，那么，为达到排水的要求，显然需要相应地提高压差设定值。但问题在于该设定值具体是多少，我们并不知道，一般是凭经验，在55kPa～84kPa间反复试凑，来寻找合适的压差。这样操作的结果很大可能是将烘缸组的排水压差设定在一个比实际排水需求高很多的压差值，但在此压差下是否可以排出水，操作人员并不明确。