1、造纸机传动的变频应用 中国造纸工业有效生产能力自1990年以来，特别是自1995年以来一直在持续增长。到2002年底为止，我国有4000多个造纸厂，其中规模以上的有2600多家。2002年的总产量达到了3780万吨。在今后的l～2年中，还将会有近1000万吨的新增生产能力。届时，我国造纸工业的生产能力总和将会达到近5000万吨。据统计，自从2000年以来，全球生产的大型造纸机有1/2都安装在中国。 假设我国在今后一段时间内gdp总量以年均7%的速度递增，同时，按过去12年的年均人口增长率0.91%作为今后的年人口净增长率，到2010年，我国的人均gdp达到13890元人民币，届时人均耗纸量可从目前的不到30公斤上升到50公斤。可以预测，到2005年，我国纸和纸板总消费量可达5020万吨;而到2010年，总消费量将达6900万吨。 目前，纸机在国内市场的占有率为33％，而且基本上以国际造纸机械巨头如voith、metso、andritz等为主。如2003年山东造纸可投产的五条10万吨/年以上造纸生产线: ·华泰集团有限公司20万吨/年轻涂纸生产线，全套引进福伊特公司设备; ·博汇实业有限公司30万吨/年涂布白卡纸生产线，总投资10亿元人民币，全套引进福伊特公司设备; ·泉林纸业公司20万吨/年铜版纸生产线，2台3700造纸机主要部件流浆箱、顶网、施胶压榨等引进国外产品，主机的其它部分由淄博恒星机电公司制造; ·银河纸业集团有限公司20万吨/年高强瓦楞原纸二期10万吨/年生产线，幅宽4400mm、车速550m/min造纸机由山东昌华造纸机械公司制造; ·泰山纸业股份有限公司10万吨/年轻涂纸生产线，引进法国阿里盟公司造纸机。由此可以看出，整机的纸机供应将基本上以进口为主。 由于目前的新增纸机的传动设备已经有80%以上采用交流传动变频器，所以在今后每年新增的300～400万吨的产量中，每年的纸机传动装机容量将非常可观。 我们以某厂引进的voith产的17.5万吨/年的纸板机的装机容量为例，它的纸品为双面涂布白板纸，其幅宽4.2m，包括四层网部、四道压榨、10组烘缸、1组冷缸、1组施胶压榨、3道双辊压光、4组气
刀涂布、1个卷纸部等，共计72个传动，设计克重120～500g/m2、车速600m/min，其纸机的分部传动（就是指72个纸机传动）的变频容量总计为5490kw。 由此可以计算出通用的吨纸容量计算为31w，那么我们就可以概算出今后每年的变频装机容量大约为为9万kw左右。以纸机系统设计1kw/2000rmb的计算，共计有1.8亿rmb左右的传动市场。当然在这里面，变频器品牌基本上是由国外主要生产厂商abb、siemens、ab、yaskawa等占主导地位。另外，由于我国目前所有纸机机械的生产能力还不到30万吨/年，所以国内的市场份额大概不到1/4，其余将全部是国外的造纸机械商所占有。 我们也同时注意到纸机的增加量将达到历史的zui高峰，幅宽的增大和车速的快速提高都促使在新增的纸机装机中大量使用zui新的矢量型或dtc控制型变频器，而目前国内相应的成熟变频器基本没有，所以大部分为进口品牌所拥有，国内品牌的份额不到5%。当然我们也注意到，由于中国日益成为世界工厂，由中国制造的变频器将逐渐走向已经有本地化机构的国际纸机机械厂家（如美卓纸业、voith纸业）的造纸机。 目前在纸机分部传动上使用的变频器必须能同时具备以下特性: （1） 调速范围宽，在全速度范围内，效率必须在90%以上; （2） 功率因数高于0.9以上; （3） 输入谐波电流总失真小于3%; （4） 采用可靠性高、技术成熟的标准器件igbt; （5） 能减少输出谐波分量并有效降低dv/dt噪音和转矩脉动的效果; （6） 利用通讯功能实现数据的高速串行传输。 2、造纸机变频改造的前景和分析 2.1 造纸机变频改造的前景 我们在关注新增纸机产能的同时，我们也必须注意到现有纸机的改造一块。据有关方面统计，我国拥有3780多万吨生产能力，单机生产能力在5万吨以上以及纸板机生产能力在10万吨以上的不足三分之一，尚有三分之二以上的生产能力需要投入巨资改造，其中至少三分之一的纸机需要部分或全部更换原来的传动部分（包括机械齿轮箱和电机传动），以提高车速或降低能耗。 根据装机功率的概算，我们可以预估出:在今后五年间大约有30万kw装机功率需要投入改造。按改造系统1kw/1500rmb的计算，会将近有4.5亿rmb左右的变频器市场，由于原本涉及国内本地化改造项目，将会有相当数量地采用国产变频器，因此这将是国产变频器可以角逐的天地，市场潜力巨大，应该引起足够重视。 我国造纸机分部传动设备，以前采用scr直流调速方式，由于存在滑环和炭刷造成可靠性和精度不高，从而导致纸机的机械落后，zui高车速也只有200m/min左右，很难同国外的1000m/min的高速纸机相比。 造纸是一个连续生产的过程，因此生产线的连续和有序控制成为了制约成品纸质量和产量的瓶颈。直流调速系统在纸机的发展史上占有重要的地位，但由于直流电机存在维护难、适应环境能力差，主要表现如下: （1） 整流子磨损严重, 烧毁整流子的故障, 导致停机时间长; （2） 直流电机维修困难多, 要求高, 修理费用也高; （3） 测速发电机易磨损，造成
传动系统精度低 （4） 直流调速控制系统复杂, 调试困难, 一般技工很难调出好的机器。 交流变频调速技术以其的调速性能、显著的节电以及在国民经济领域的广泛适用性，而被公认为是一种zui有前途的交流调速方式。它不但具有直流电机优良的调速性能，同时具有交流电机简单、可靠，因而逐渐被广泛应用。由此看来，造纸机分部传动机械的变频化已是大势所趋。 造纸机传动的变频改造有非常好的效果，如从工艺上改善纸品、增加产能、降低能耗、延长停机检修周期。 以某厂改造一台长网纸机为例，它有两个分部:一个是烘缸（干部），一个是网部（湿部）。根据工艺要求抄纸速度为20～100m/min，纸页定量为9～30g/m2。一般纸机的传动精度要求达到1～3‰，由于速度变化范围大，zui低定量为9g/m2,要求纸机的传动精度更高。因此，选择纸机的传动控制方案闭环系统。 2.2 效益分析 （1） 节能效果分析 根据该厂改造前和改造后纸机能耗，对比如下: 改造前的电功率: 90m的车速p90 =74a×180v＋3×220=13980w=13.98kw（直流传动）按一年生产300天计: 整机用电=300×24×13.98=100656kwh 改造后的电功率: 90m的车速p90 =1.732×16a×380v=10530w=10.53kw（变频传动） 整机用电=300×24×10.53=75816kwh 全年可节电=100656－75816=24840kwh 由此可以得出应用变频器后实际节能为:25% （2） 工艺效益分析 改造前后的产品质量情况如附表所示: 由上可以看出: ·纸机的运转率提高:27%以上（由月平均产量得到，已排除其他因素）; ·成品率提高:1.6% 综上所述，采用变频器后提高纸机的运转性能，进一步提高了经济效益。 3、造纸机附属设备的变频器应用分析 造纸机的辅助设施包括以下几个系统:供浆系统、白水系统、真空系统、压缩空气系统、化学品制备及传送系统、供水系统、蒸汽系统等。为了使造纸机能够连续均衡地运转，它的辅助设施能力，一般应超过造纸机的zui大生产能力的15%～30%。 该处应用尚未引起足够重视，这也是提高变频器份额的zui有效手段和方法。 3.1 供浆系统的变频器应用 供浆系统必须满足下列几个条件: （1） 向造纸机输送的浆料要稳定，误差不能超过±5%; （2） 浆料的配比和浓度要稳定均匀; （3） 贮备一定的浆料量，使供浆能力可以调节，以适应造纸机车速和品种的改变; （4） 对浆料进行净化精选; （5） 处理造纸机各部分损纸。 通常情况下，供浆系统由供浆管路的浆泵、冲浆泵和净化设施的压力筛、除渣器组成，要达成以上五点目的，zui主要就是要对浆泵和冲浆泵从全速运行改造为速度可调节的变频运行，zui终满足供浆自动化。 以冲浆泵为例来说明变频器的速度控制流程:该变频控制宜采用双闭环系统的速度控制方式，外环是速度闭环，内环是电流或转矩闭环。冲浆泵速度的设定值一方面是由浆速和网速比变化而获得，另一方面是来自于流浆箱的压力控制器。前者是主调，后者是微调。纸机的浆速和网速比基本上是恒定的，因此纸机的网速一旦变化，冲浆泵的转速也跟随变化;为了提高速度调节器的性和反映流浆箱的实际工艺过程，通常还需取流浆箱的压力pid控制输出值的±５％的变化来作为冲浆泵附加的速度设定值。速度的实际值取自传动电机的实际速度采样，可通过旋转测速电机或光电旋转
编码器等检测装置获取。电流的设定值取自速度环的输出信号，电流的实际值取自各个传动点的交流变频器输出端电流互感器的测量值。因此对于冲浆泵的变频调速而言，需要对其进行pid控制，需正确选择速度反馈方式和pid的各类参数。了解这一点，对选择变频器的型号非常重要。 3.2 压缩空气系统的变频器应用 压缩空气常用于造纸机网部与压榨部的气动加压升降装置、网毯的校正装置、气垫式流浆箱、引纸设备、涂布气刀以及各种气动仪表和调节装置等处。 压缩空气系统中，主要设备有空气压缩机、储气罐、减压阀、空气过滤器、汽水分离器及安全阀等，造纸机上通常压力需要为5～6bar左右。在大多数纸厂中，都通过2台以上的空压机并列运行，然后通过储气罐来保持压力恒定。 由于压缩机功率较大且控制压力一般都通过加载或卸载来调节，电动机始终处于全速运行状态。实践表明该控制方式耗能巨大，浪费严重。所以目前都已趋向于采用由一台变频器控制、多台直接工频运行的方式来控制压缩机组，并组成压力闭环系统系统。 3.3 化学品制备及传送系统的变频器应用 由于在脱墨、制浆、涂布、施胶等部位要用到大量的化学品，其使用的量与纸机多传动的速度成正比，所以在化学品的传送系统（如泵）必须采用无级交流调速系统，其为变频器。主要是基于该化学品泵的功率较小，一般都在0.4kw～5.5kw之间，而这一功率段的变频器的性能价格比已经属于zui优，多年前还在广泛使用的电磁调速和无级调速齿轮泵都已经面临淘汰。根据zui新市场统计，中等品牌的zui低功率变频器已经跌至千元/kw以下。 在化学品制备中要用到大量的研磨设备，如球磨、胶体磨、砂磨、高切变分散搅拌器等，他们zui大的特点就是高功率、高耗能、使用环境恶劣。目前已经有厂家在研磨设备上采用变频器取得了良好的效果。 以砂磨机为例，其工作原理是将待研磨的涂料经送料泵输入筒体后，在高速旋转的分散盘带动下，遭到研磨介质的强烈撞击、研磨而被分散混合到溶剂中，制成合格的涂料，然后经顶筛过滤流出。该设备的主电机为200kw，在未使用变频器之前，通常是在启动前期，采用点动方式多次（3次以上）重复以使涂料与研磨介质混合均匀;针对不同的涂料，有时需要不同的工艺转速，但实际上只能满速运行;无法掌握进料量，来保证主电机不过载;耗能非常严重。而使用200kw变频器就很好地解决了以上问题，可以方便地设置点动速度和慢速运行时间，确保涂料与介质混合达到zui均匀;可以在线无级调速，不同品种使用不同的研磨速度;进料量只要从电机的实际运行电流就可以来控制进料量，且有过载预报警功能和免跳闸功能;节能率，一般可达20%以上;降低了齿轮箱的损耗，避免了工频启动对齿轮箱的冲击;由于启动时，电流平缓，避免了对电网的冲击，提高了电网的安全运行。目前在山东、黑龙江、海南等地的造纸企业已经有了小批量应用。 3.4 烘干部通风系统的变频器应用 在烘干部，纸页中蒸发出来的所有水汽被空气吸收后，必须通过强制通风不断地从造纸车间排除。烘干部通风良好与否，直接影响到纸页中水分的蒸发速度和整个烘干过程的经济性;通风良好，可降低空气中的蒸汽饱和度，从而减低烘缸蒸汽的消耗量，提高烘干速度。 排除烘干部蒸发水量所必需的空气量，与进入以及排出的空气温度和湿度有关，也与采用的通风系统、气候条件和季节有关。通常，在现代纸机中采用强制的空气循环以求，用进气鼓风机将加热到80度左右的干燥空气送进烘干部下层，使在烘缸之间吸附热汽形成向上的气流，然后通过排气抽风机将汇集在气罩中的湿热空气抽出室外（zui后回收余热）。在高速纸机中，由于烘缸数量的增多，通常都分成几段的鼓风机和排风机组。采用变频器之后，可以根据通风空气量的专家计算公式，随时调节进气量（鼓风机的转速）和排气量（排风机的转速），而无须采用传统的风门控制，进一步降低能耗，降低风机的噪音，提高机械寿命。 3.5 水系统的变频器应用 纸机是个耗水大户，包括白水系统、污水系统、密封水系统、喷淋系统、清水系统等，通常情况下都需要用到管网恒压力供水，但传统的控压都是通过旁路和调节阀来进行，很少用到变频器。但是由于中国国内水资源的普遍缺乏，而变频器的应用将可以节水10%和节能30%，必然会降低纸厂的日常运行成本。 变频器使用在水系统上通常有二种模式:即变频固定方式、变频循环方式。 （1） 变频固定方式 变频器变频输出固定控制一台泵而其余各泵由工频电网直接供电，它们的启停信号由plc进行逻辑控制; （2） 变频循环方式 变频器按照一定顺序轮流驱动各泵运行。变频器能根据压力闭环控制要求自动确定运行泵台数（在设定范围内），同一时刻只有一台泵由变频驱动。当变频器驱动的泵运行到设定的上限频率而需要增加泵时，变频器将该泵切换到工频运行，同时驱动另一台泵变频运行。 4、结束语 随着中国造纸工业的快速发展，变频器也将在造纸工业中大显身手，但是我们必须注意到由于市场竞争的激烈而导致高中低端纸机的变频器正在日益分化中，如何抓住机遇，迎接挑战，将是国内变频器业者需要商讨和应对的问题。
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