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變頻器在造紙中的應用現狀及其發展趨勢

??1、造紙機傳動的變頻應用

中國造紙工業有效生產能力自1990年以來，特別是自1995年以來一直在持續增長。到2002年底為止，我國有4000多個造紙廠，其中規模以上的有2600多家。2002年的總產量達到了3780萬噸。在今后的l～2年中，還將會有近1000萬噸的新增生產能力。
??屆時，我國造紙工業的生產能力總和將會達到近5000萬噸。據統計，自從2000年以來，全球生產的大型造紙機有1/2都安裝在中國。

假設我國在今后一段時間內gdp總量以年均7%的速度遞增，同時，按過去12年的年均人口增長率0。91%作為今后的年人口凈增長率，到2010年，我國的人均gdp達到13890元人民幣，屆時人均耗紙量可從目前的不到30公斤上升到50公斤。
??可以預測，到2005年，我國紙和紙板總消費量可達5020萬噸;而到2010年，總消費量將達6900萬噸。

由于目前的新增紙機的傳動設備已經有80%以上采用交流傳動變頻器，所以在今后每年新增的300～400萬噸的產量中，每年的紙機傳動裝機容量將非?？捎^。
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我們以某廠引進的voith產的17。5萬噸/年的紙板機的裝機容量為例，它的紙品為雙面涂布白板紙，其幅寬4。2m，包括四層網部、四道壓榨、10組烘缸、1組冷缸、1組施膠壓榨、3道雙輥壓光、4組氣刀涂布、1個卷紙部等，共計72個傳動，設計克重120～500g/m2、車速600m/min，其紙機的分部傳動（就是指72個紙機傳動）的變頻容量總計為5490kw。
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由此可以計算出通用的噸紙容量計算為31w，那么我們就可以概算出今后每年的變頻裝機容量大約為為9萬kw左右。以紙機系統設計1kw/2000rmb的計算，共計有1。8億rmb左右的傳動市場。當然在這里面，變頻器品牌基本上是由國外主要生產廠商abb、siemens、ab、yaskawa等占主導地位。
??另外，由于我國目前所有紙機機械的生產能力還不到30萬噸/年，所以國內的市場份額大概不到1/4，其余將全部是國外的造紙機械商所占有。

我們也同時注意到高檔紙機的增加量將達到歷史的最高峰，幅寬的增大和車速的快速提高都促使在新增的紙機裝機中大量使用最新的高檔矢量型或dtc控制型變頻器，而目前國內相應的成熟變頻器基本沒有，所以大部分為進口品牌所擁有，國內品牌的份額不到5%。
??當然我們也注意到，由于中國日益成為世界工廠，由中國制造的變頻器將逐漸走向已經有本地化機構的國際紙機機械廠家（如美卓紙業、voith紙業）的高檔造紙機。

目前在紙機分部傳動上使用的變頻器必須能同時具備以下特性: （1） 調速范圍寬，在全速度范圍內，效率必須在90%以上; （2） 功率因數高于0。
??9以上; （3） 輸入諧波電流總失真小于3%; （4） 采用可靠性高、技術成熟的標準器件igbt; （5） 能減少輸出諧波分量并有效降低dv/dt噪音和轉矩脈動的效果; （6） 利用通訊功能實現數據的高速串行傳輸。

;2、造紙機變頻改造的前景和分析

2。
??1 造紙機變頻改造的前景 我們在關注新增紙機產能的同時，我們也必須注意到現有紙機的改造一塊。據有關方面統計，我國擁有3780多萬噸生產能力，單機生產能力在5萬噸以上以及紙板機生產能力在10萬噸以上的不足三分之一，尚有三分之二以上的生產能力需要投入巨資改造，其中至少三分之一的紙機需要部分或全部更換原來的傳動部分（包括機械齒輪箱和電機傳動），以提高車速或降低能耗。
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根據裝機功率的概算，我們可以預估出:在今后五年間大約有30萬kw裝機功率需要投入改造。按改造系統1kw/1500rmb的計算，會將近有4。5億rmb左右的變頻器市場，由于原本涉及國內本地化改造項目，將會有相當數量地采用國產變頻器，因此這將是國產變頻器可以角逐的天地，市場潛力巨大，應該引起足夠重視。
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我國造紙機分部傳動設備，以前采用scr直流調速方式，由于存在滑環和炭刷造成可靠性和精度不高，從而導致紙機的機械落后，最高車速也只有200m/min左右，很難同國外的1000m/min的高速紙機相比。

造紙是一個連續生產的過程，因此生產線的連續和有序控制成為了制約成品紙質量和產量的瓶頸。
??直流調速系統在紙機的發展史上占有重要的地位，但由于直流電機存在維護難、適應環境能力差，主要表現如下: （1） 整流子磨損嚴重, 燒毀整流子的故障, 導致停機時間長; （2） 直流電機維修困難多, 要求高, 修理費用也高; （3） 測速發電機易磨損，造成傳動系統精度低 （4） 直流調速控制系統復雜, 調試困難, 一般技工很難調出好的機器。
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交流變頻調速技術以其卓越的調速性能、顯著的節電以及在國民經濟領域的廣泛適用性，而被公認為是一種最有前途的交流調速方式。它不但具有直流電機優良的調速性能，同時具有交流電機簡單、可靠，因而逐漸被廣泛應用。由此看來，造紙機分部傳動機械的變頻化已是大勢所趨。
?? 造紙機傳動的變頻改造有非常好的效果，如從工藝上改善紙品、增加產能、降低能耗、延長停機檢修周期。

以某廠改造一臺長網紙機為例，它有兩個分部:一個是烘缸（干部），一個是網部（濕部）。根據工藝要求抄紙速度為20～100m/min，紙頁定量為9～30g/m2。
??一般紙機的傳動精度要求達到1～3‰，由于速度變化范圍大，最低定量為9g/m2,要求紙機的傳動精度更高。因此，選擇紙機的傳動控制方案閉環系統。

2。2 效益分析 （1） 節能效果分析 根據該廠改造前和改造后紙機能耗，對比如下: 改造前的電功率: 90m的車速p90 =74a×180v＋3×220=13980w=13。
??98kw（直流傳動）按一年生產300天計: 整機用電=300×24×13。98=100656kwh 改造后的電功率: 90m的車速p90 =1。732×16a×380v=10530w=10。53kw（變頻傳動） 整機用電=300×24×10。
??53=75816kwh 全年可節電=100656－75816=24840kwh 由此可以得出應用變頻器后實際節能為:25% （2） 工藝效益分析 改造前后的產品質量情況如附表所示:

由上可以看出: ?紙機的運轉率提高:27%以上（由月平均產量得到，已排除其他因素）; ?成品率提高:1。
??6%　 綜上所述，采用變頻器后提高紙機的運轉性能，進一步提高了經濟效益。

;3、造紙機附屬設備的變頻器應用分析

造紙機的輔助設施包括以下幾個系統:供漿系統、白水系統、真空系統、壓縮空氣系統、化學品制備及傳送系統、供水系統、蒸汽系統等。
??為了使造紙機能夠連續均衡地運轉，它的輔助設施能力，一般應超過造紙機的最大生產能力的15%～30%。 該處應用尚未引起足夠重視，這也是提高變頻器份額的最有效手段和方法。

3。1 供漿系統的變頻器應用 供漿系統必須滿足下列幾個條件: （1） 向造紙機輸送的漿料要穩定，誤差不能超過±5%; （2） 漿料的配比和濃度要穩定均勻; （3） 貯備一定的漿料量，使供漿能力可以調節，以適應造紙機車速和品種的改變; （4） 對漿料進行凈化精選; （5） 處理造紙機各部分損紙。
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通常情況下，供漿系統由供漿管路的漿泵、沖漿泵和凈化設施的壓力篩、除渣器組成，要達成以上五點目的，最主要就是要對漿泵和沖漿泵從全速運行改造為速度可調節的變頻運行，最終滿足供漿自動化。

以沖漿泵為例來說明變頻器的速度控制流程:該變頻控制宜采用雙閉環系統的速度控制方式，外環是速度閉環，內環是電流或轉矩閉環。
??沖漿泵速度的設定值一方面是由漿速和網速比變化而獲得，另一方面是來自于流漿箱的壓力控制器。前者是主調，后者是微調。紙機的漿速和網速比基本上是恒定的，因此紙機的網速一旦變化，沖漿泵的轉速也跟隨變化;為了提高速度調節器的精確性和反映流漿箱的實際工藝過程，通常還需取流漿箱的壓力pid控制輸出值的±５％的變化來作為沖漿泵附加的速度設定值。
??速度的實際值取自傳動電機的實際速度采樣，可通過旋轉測速電機或光電旋轉編碼器等檢測裝置獲取。電流的設定值取自速度環的輸出信號，電流的實際值取自各個傳動點的交流變頻器輸出端電流互感器的測量值。因此對于沖漿泵的變頻調速而言，需要對其進行pid控制，需正確選擇速度反饋方式和pid的各類參數。
??了解這一點，對選擇變頻器的型號非常重要。

3。2 壓縮空氣系統的變頻器應用 壓縮空氣常用于造紙機網部與壓榨部的氣動加壓升降裝置、網毯的校正裝置、氣墊式流漿箱、引紙設備、涂布氣刀以及各種氣動儀表和調節裝置等處。

壓縮空氣系統中，主要設備有空氣壓縮機、儲氣罐、減壓閥、空氣過濾器、汽水分離器及安全閥等，造紙機上通常壓力需要為5～6bar左右。
??在大多數紙廠中，都通過2臺以上的空壓機并列運行，然后通過儲氣罐來保持壓力恒定。

由于壓縮機功率較大且控制壓力一般都通過加載或卸載來調節，電動機始終處于全速運行狀態。實踐表明該控制方式耗能巨大，浪費嚴重。所以目前都已趨向于采用由一臺變頻器控制、多臺直接工頻運行的方式來控制壓縮機組，并組成壓力閉環系統系統。
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3。3 化學品制備及傳送系統的變頻器應用 由于在脫墨、制漿、涂布、施膠等部位要用到大量的化學品，其使用的量與紙機多傳動的速度成正比，所以在化學品的傳送系統（如泵）必須采用無級交流調速系統，其首選為變頻器。主要是基于該化學品泵的功率較小，一般都在0。
??4kw～5。5kw之間，而這一功率段的變頻器的性能價格比已經屬于最優，多年前還在廣泛使用的電磁調速和無級調速齒輪泵都已經面臨淘汰。根據最新市場統計，中等品牌的最低功率變頻器已經跌至千元/kw以下。

在化學品制備中要用到大量的研磨設備，如球磨、膠體磨、砂磨、高切變分散攪拌器等，他們最大的特點就是高功率、高耗能、使用環境惡劣。
??目前已經有廠家在研磨設備上采用變頻器取得了良好的效果。

以砂磨機為例，其工作原理是將待研磨的涂料經送料泵輸入筒體后，在高速旋轉的分散盤帶動下，遭到研磨介質的強烈撞擊、研磨而被分散混合到溶劑中，制成合格的涂料，然后經頂篩過濾流出。該設備的主電機為200kw，在未使用變頻器之前，通常是在啟動前期，采用點動方式多次（3次以上）重復以使涂料與研磨介質混合均勻;針對不同的涂料，有時需要不同的工藝轉速，但實際上只能滿速運行;無法掌握進料量，來保證主電機不過載;耗能非常嚴重。
??而使用200kw變頻器就很好地解決了以上問題，可以方便地設置點動速度和慢速運行時間，確保涂料與介質混合達到最均勻;可以在線無級調速，不同品種使用不同的研磨速度;進料量只要從電機的實際運行電流就可以來控制進料量，且有過載預報警功能和免跳閘功能;節能率，一般可達20%以上;降低了齒輪箱的損耗，避免了工頻啟動對齒輪箱的沖擊;由于啟動時，電流平緩，避免了對電網的沖擊，提高了電網的安全運行。
??目前在山東、黑龍江、海南等地的造紙企業已經有了小批量應用。

3。4 烘干部通風系統的變頻器應用 在烘干部，紙頁中蒸發出來的所有水汽被空氣吸收后，必須通過強制通風不斷地從造紙車間排除。烘干部通風良好與否，直接影響到紙頁中水分的蒸發速度和整個烘干過程的經濟性;通風良好，可降低空氣中的蒸汽飽和度，從而減低烘缸蒸汽的消耗量，提高烘干速度。
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排除烘干部蒸發水量所必需的空氣量，與進入以及排出的空氣溫度和濕度有關，也與采用的通風系統、氣候條件和季節有關。通常，在現代紙機中采用強制的空氣循環以求高效，用進氣鼓風機將加熱到80度左右的干燥空氣送進烘干部下層，使在烘缸之間吸附熱汽形成向上的氣流，然后通過排氣抽風機將匯集在氣罩中的濕熱空氣抽出室外（最后回收余熱）。
??在高速紙機中，由于烘缸數量的增多，通常都分成幾段的鼓風機和排風機組。采用變頻器之后，可以根據通風空氣量的專家計算公式，隨時調節進氣量（鼓風機的轉速）和排氣量（排風機的轉速），而無須采用傳統的風門控制，進一步降低能耗，降低風機的噪音，提高機械壽命。
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3。5 水系統的變頻器應用 紙機是個耗水大戶，包括白水系統、污水系統、密封水系統、噴淋系統、清水系統等，通常情況下都需要用到管網恒壓力供水，但傳統的控壓都是通過旁路和調節閥來進行，很少用到變頻器。但是由于中國國內水資源的普遍缺乏，而變頻器的應用將可以節水10%和節能30%，必然會降低紙廠的日常運行成本。
?? 變頻器使用在水系統上通常有二種模式:即變頻固定方式、變頻循環方式。 （1） 變頻固定方式 變頻器變頻輸出固定控制一臺泵而其余各泵由工頻電網直接供電，它們的啟停信號由plc進行邏輯控制;

（2） 變頻循環方式 變頻器按照一定順序輪流驅動各泵運行。
??變頻器能根據壓力閉環控制要求自動確定運行泵臺數（在設定范圍內），同一時刻只有一臺泵由變頻驅動。當變頻器驅動的泵運行到設定的上限頻率而需要增加泵時，變頻器將該泵切換到工頻運行，同時驅動另一臺泵變頻運行。

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標簽：變頻器造紙現狀