螺桿式真空泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)及其在卷煙企業(yè)的應(yīng)用
真空系統(tǒng)是卷煙加工企業(yè)公用工程的重要組成部分，主要為卷接包車間提供符合設(shè)計(jì)參數(shù)的負(fù)壓空氣。煙草行業(yè)的真空系統(tǒng)目前使用較多的是水環(huán)式真空泵（還有一些少量的滑片式真空泵），從技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r來看，液環(huán)式真空系統(tǒng)的缺點(diǎn)逐漸顯現(xiàn)。當(dāng)前一種新式德國BECKER 螺桿式真空泵已經(jīng)引進(jìn)國內(nèi)，其性能指標(biāo)完全滿足生產(chǎn)運(yùn)行的要求，尤其能夠滿足變負(fù)荷時(shí)的調(diào)節(jié)需求。本文通過淮陰卷煙廠“十一五”技改中真空系統(tǒng)項(xiàng)目，研究其性能特點(diǎn)及在卷煙企業(yè)的應(yīng)用前景。
1、螺桿真空泵的工作原理
BECKER 螺桿真空泵的結(jié)構(gòu)見圖1。它的工作原理是利用傳動(dòng)同步反向滑轉(zhuǎn)的相互嚙合而不接觸的螺桿作高速轉(zhuǎn)動(dòng)，利用泵殼和相互嚙合的螺滑將螺滑槽分隔成多個(gè)空間，形成多個(gè)級(jí)，空氣從左端吸入，在相等的各個(gè)槽內(nèi)（柱形等螺距）進(jìn)行傳輸運(yùn)動(dòng)，但無壓縮，只有螺桿最末端的螺滑結(jié)構(gòu)對(duì)氣體有壓縮作用，螺桿的各級(jí)間可形成壓力梯度，以分散壓差和提高壓縮比，最終氣體從右邊的排氣端排出。由于螺桿是連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，因此在吸氣端能夠持續(xù)的形成負(fù)壓，實(shí)現(xiàn)抽真空的目的。
圖1 BECKER 螺桿真空泵結(jié)構(gòu)圖
真空泵螺桿轉(zhuǎn)子不同于空壓機(jī)的轉(zhuǎn)子形狀，呈中空形，為懸臂支承結(jié)構(gòu)，同步傳動(dòng)齒輪位于支座下面，變頻電機(jī)通過聯(lián)軸節(jié)與主動(dòng)轉(zhuǎn)子連接。該泵的氣體路徑較短，泵外殼通過風(fēng)冷卻。螺桿式真空泵極限抽真空能力可以達(dá)到1kPa（絕對(duì)壓力）以下，具體工作的壓力值可以根據(jù)用戶的需求定制，能夠滿足卷煙生產(chǎn)企業(yè)所需300kPa（絕對(duì)壓力）工藝參數(shù)要求。
2、螺桿式真空泵的系統(tǒng)配置及設(shè)計(jì)
2.1、螺桿式真空泵的系統(tǒng)設(shè)計(jì)
BECKER 螺桿真空泵不同于傳統(tǒng)的真空系統(tǒng)只重視末端真空設(shè)備的性能，而是提供真空系統(tǒng)的全套解決方案，并考慮真空系統(tǒng)節(jié)能運(yùn)行的問題。
本次淮陰卷煙廠技改中，按年產(chǎn)60 萬箱的規(guī)模來設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)抽氣量為4 000m3/h，選擇的螺桿真空泵型號(hào)為VADS 1500,單臺(tái)抽氣能力最大可以達(dá)到1 500m3/h，最大抽真空能力200kPa（絕對(duì)壓力）,采用3 臺(tái)并聯(lián)的方式（預(yù)留1 臺(tái)位置），其中2 臺(tái)采用變頻控制。
在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中（見圖2），在主管路上安裝一只真空調(diào)節(jié)閥，并將系統(tǒng)壓力限定到恰好低于單臺(tái)設(shè)備安全運(yùn)轉(zhuǎn)的系統(tǒng)壓力下（該功能僅在接近最小流量時(shí)才需起用）。真空調(diào)節(jié)閥的作用是：當(dāng)系統(tǒng)負(fù)荷小時(shí)（如單臺(tái)卷包設(shè)備運(yùn)行），出現(xiàn)不符要求的高真空情況的出現(xiàn)，真空調(diào)節(jié)閥將自動(dòng)打開，向管道中補(bǔ)充空氣，平衡系統(tǒng)負(fù)壓壓力，實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)的目的。另外，還需在主管道上設(shè)置壓力傳感器，用于測量系統(tǒng)壓力，為控制器提供一個(gè)控制參數(shù)。
圖2 真空系統(tǒng)示意圖
在負(fù)壓管道的末端（接到每臺(tái)卷包設(shè)備的管道上）安裝電磁控制閥，當(dāng)卷包設(shè)備停開時(shí)，可以通過控制系統(tǒng)發(fā)出指令關(guān)閉電磁閥，減少系統(tǒng)的抽氣量，降低真空泵的負(fù)荷。
2.2、自動(dòng)控制和系統(tǒng)調(diào)節(jié)
采用BECKER 配套的VACON4 排序中控器控制，控制邏輯見圖3，采用RS485 通訊協(xié)議與動(dòng)力控制中心實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，VACON4 排序控制器可以滿足最少1 臺(tái)最大22 臺(tái)設(shè)備負(fù)荷無級(jí)控制，完全可以適應(yīng)卷煙企業(yè)集中群控的控制要求。
圖3 控制原理圖
2.3、站房設(shè)計(jì)要求
1）設(shè)備基礎(chǔ)要求水平，安裝時(shí)需加彈性減震墊，以減少振動(dòng)和噪聲。
2）由于BECKER 螺桿真空泵采用風(fēng)冷方式，設(shè)備的熱量被風(fēng)扇帶出，所以必須考慮必要的通風(fēng)降溫措施，通常是在排風(fēng)口安裝局部排風(fēng)罩，通過風(fēng)管將熱風(fēng)引至室外。
3）雖然排氣管道上安裝了消音器，但多臺(tái)設(shè)備工作時(shí)，噪聲會(huì)疊加，當(dāng)站房靠近廠界或?qū)υ肼曋笜?biāo)有要求的建筑時(shí)，有必要對(duì)站房內(nèi)采取必要的降噪措施，建議站房內(nèi)墻壁安裝穿孔吸音板，站房的門應(yīng)能夠關(guān)閉嚴(yán)密。
3、節(jié)能運(yùn)行
螺桿真空泵屬于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載, 其運(yùn)行功率與轉(zhuǎn)速成正比。
PL= TLnL/9550
式中，PL 為螺桿真空泵的功率；TL 為轉(zhuǎn)矩;nL 為轉(zhuǎn)速。
因此,通過變頻調(diào)節(jié)，能夠?qū)崿F(xiàn)節(jié)能的目的。針對(duì)本次改造，考慮到如選擇1 臺(tái)真空泵做變頻調(diào)節(jié)，由于頻率值不能太低，根據(jù)設(shè)備手冊(cè)，頻率值最小值為22Hz，此時(shí)抽氣量為660 m3/h，經(jīng)計(jì)算在1 500m3/h～2 160m3/h 和3 000m3/h～3 600m3/h 兩個(gè)負(fù)荷區(qū)間，設(shè)備不能滿足無級(jí)調(diào)節(jié)，因此在設(shè)計(jì)中，采用2 臺(tái)機(jī)變頻的方案。實(shí)際調(diào)節(jié)過程如表1、表2，兩種方式功率比較見圖4。
圖4 兩種方式功率比較
通過比較，可以很清晰地看到，采用2 臺(tái)變頻的方案不僅可以滿足在總負(fù)荷范圍的無級(jí)調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)負(fù)壓的穩(wěn)定供應(yīng)，相比與不變頻的方案，能夠?qū)崿F(xiàn)節(jié)能運(yùn)行的目的。
4、螺桿真空泵與其它類型真空泵的比較
4.1、與滑片式真空泵相比(見表3)
可以看出，滑片式真空泵相比與螺桿式真空泵的缺點(diǎn)：一是其運(yùn)行一段時(shí)間后容易造成滑片磨損，效率為之下降，因此需要定期進(jìn)行更換；二是其功率要大于螺桿式，運(yùn)行成本較高；三是不能實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)節(jié)。
4.2、與水環(huán)式真空泵相比（見表4）
螺桿式真空泵相對(duì)于水環(huán)式真空泵，有如下一些優(yōu)缺點(diǎn)：
1）無需工作液，不存在腐蝕和水質(zhì)處理的問題。
2）能夠提供系統(tǒng)的解決方案，從末端到主機(jī)系統(tǒng)集成，自動(dòng)化程度高，能夠?qū)崿F(xiàn)變頻調(diào)節(jié)，保證負(fù)壓穩(wěn)定。
3）噪聲較低,通常噪聲值在80dB 以下。
4）自動(dòng)化程度高，可實(shí)現(xiàn)PLC 控制，便于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制和實(shí)現(xiàn)群控。
5）缺點(diǎn)是初投資費(fèi)用較高，但考慮到投資回收期在合理范圍內(nèi)， 其性能價(jià)格比仍然很不錯(cuò)。
5、結(jié)語
雖然螺桿式真空泵的初投資較高，但其運(yùn)行成本較低，節(jié)能特性明顯，相比其它兩種在卷煙企業(yè)應(yīng)用較多的真空泵，仍然有著顯著的優(yōu)點(diǎn)。隨著機(jī)械行業(yè)特別是卷煙企業(yè)新一輪的技術(shù)改造，螺桿式真空泵必將得到越來越多的重視，其良好的負(fù)荷調(diào)節(jié)范圍和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行特性必將會(huì)在有關(guān)工業(yè)生產(chǎn)企業(yè), 尤其是卷煙企業(yè)得到越來越多的應(yīng)用。
