衛(wèi)生紙機壓榨部運行參數(shù)及能效關(guān)系分析與優(yōu)化

馬文明　沈天宇

摘 要：通過對紙機壓榨部壓力和壓榨脫水原理的分析，得到出壓榨部紙幅干度可作為壓榨部的能耗指標(biāo)，同時確定壓榨線壓力和紙機車速是壓榨部能耗的主要影響因素。結(jié)合紙機實際生產(chǎn)測試并記錄壓榨脫水?dāng)?shù)據(jù)，繪制測試數(shù)據(jù)曲線圖并擬合壓榨線壓力、紙機車速和出壓榨部紙幅干度三者之間的函數(shù)關(guān)系，最終確定壓榨線壓力和紙機車速的最優(yōu)取值范圍。通過對測試數(shù)據(jù)的分析和擬合，控制壓榨線壓力在90 kN/m、紙機車速在1075 m/min時，紙幅質(zhì)量可滿足正常生產(chǎn)的要求，還可以節(jié)約2.1%的電能，實現(xiàn)衛(wèi)生紙機壓榨部的能耗優(yōu)化。

關(guān)鍵詞：壓榨部;紙幅干度;壓榨線壓力;紙機車速;能耗優(yōu)化

中圖分類號：TS755

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

DOI：10.11981/j.issn.1000-6842.2019.02.47

紙機壓榨部的主要作用是利用機械擠壓的方式減少從毛毯傳遞過來的紙幅中的水分、提高出壓榨部紙幅干度，該過程消耗大量的電能，而且出壓榨部紙幅干度越高，消耗的電能也越多[1]。由文獻(xiàn)[2]可知，在不影響紙幅質(zhì)量的情況下，出壓榨部紙幅干度每提升1%，干燥部所需蒸發(fā)的水分可降低4%～5%，即蒸汽消耗量降低4%～5% ，可以顯著節(jié)約生產(chǎn)成本。因此，目前在設(shè)計紙機壓榨部時，多利用提高壓榨線壓力等方式來提高出壓榨部紙幅干度。但實際壓榨情況是，紙機車速一定時，當(dāng)壓榨線壓力達(dá)到某一數(shù)值后，繼續(xù)增大壓榨線壓力，出壓榨部紙幅干度的單位增加額開始逐漸降低，即紙幅壓榨脫水效率降低[3]。造成這種情況的原因是由于紙幅中的水分主要以游離水、吸附水和結(jié)合水3種形式存在，其中僅有部分游離水和吸附水可以利用機械壓榨的方式除去[4]。因此，在壓榨線壓力超過某一數(shù)值后，出壓榨部紙幅干度變化量減小，但壓榨部消耗的電能卻明顯增加。這是因為壓榨線壓力增加的同時使得拖動電機的軸承受到的阻力增加，造成電機的負(fù)荷增加，從而消耗更多的電能。因此，合理地控制出壓榨部紙幅干度可以實現(xiàn)能耗優(yōu)化。

1 壓榨部工作過程及能耗概況

漿料在成形部脫去大量的水分后形成具有一定強度的濕紙幅，如果此時將濕紙幅直接送到干燥部進(jìn)行干燥，不僅會消耗大量蒸汽，也會因為紙幅自身強度差而出現(xiàn)斷頭等問題。因此，在濕紙幅進(jìn)入烘缸干燥之前通常設(shè)置機械壓榨工序以提高紙幅強度。所以壓榨部的作用可以總結(jié)為以下4點。

（1）在成形部脫水的基礎(chǔ)上，利用機械壓力對濕紙幅進(jìn)一步脫水，以便在后期干燥的過程中減少蒸汽的消耗量。

（2）增加紙幅中纖維的結(jié)合力，提高紙幅的緊度和強度，減少紙幅斷頭等問題。

（3）消除紙幅上的網(wǎng)痕，提高紙面平滑度并降低紙幅兩面差。

（4）利用毛毯將紙幅從成形部傳遞到干燥部進(jìn)行干燥。

在滿足壓榨要求的情況下，壓榨部的結(jié)構(gòu)隨著壓榨技術(shù)的發(fā)展而不斷創(chuàng)新。目前，利用真空壓榨托輥與烘缸構(gòu)成壓榨部的做法十分普遍，其結(jié)構(gòu)還包括壓榨毛毯和氣胎加壓裝置等[5]，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

由圖1可知，紙機正常運行時，真空壓榨部的能耗分為2種情況：在壓榨部氣胎加壓裝置未加壓時，真空壓榨托輥與烘缸沒有接觸，由于真空壓榨托輥本身沒有拖動電機，所以它僅在毛毯摩擦力作用下跟隨成形輥轉(zhuǎn)動，此時消耗的電能比較小;當(dāng)氣胎加壓裝置開始加壓使真空壓榨托輥、壓榨毛毯、紙幅以及烘缸形成壓區(qū)后，真空壓榨部的能耗將隨壓榨部運行參數(shù)的變化而變化[6]。因此，在保證紙幅質(zhì)量不變的情況下，合理地控制壓榨部的運行參數(shù)可以實現(xiàn)壓榨部的能耗優(yōu)化。

2 壓榨部脫水原理和壓力分析

2.1 紙幅壓榨脫水原理

壓榨脫水就是利用機械壓榨的方式除去紙幅中的水分，其脫水效果主要受到壓榨部的結(jié)構(gòu)、壓榨方式和運行參數(shù)的影響。通常情況下會引入壓榨沖量pt來衡量壓榨脫水的能力，其計算公式為：

pt=60qb·bv=60qv（1）

式中，p—壓榨部壓區(qū)內(nèi)紙幅承受的平均壓強，kPa;t—壓榨部壓區(qū)內(nèi)紙幅的受壓時間，s;q—壓榨線壓力，kN/m;b—壓區(qū)寬度，mm;v—紙機車速，m/min。

由式（1）可知，壓榨部的脫水能力與壓榨線壓力呈正比，與紙機車速呈反比。因此，在保證壓榨沖量不變的情況下，紙機車速越高，需要的壓榨線壓力也就越大，同時消耗的電能也就越多。

2.2 壓榨線壓力

壓榨線壓力是紙機壓榨部的重要參數(shù)之一。它不僅影響壓榨部的脫水性能還決定了壓榨輥所需承受的應(yīng)力強度極限值。根據(jù)定義，其具體計算公式為：

q=Fnl（2）

式中，q—壓榨線壓力，kN/m;l—壓榨輥軸向尺寸，m;Fn—壓榨輥承受的壓力，kN。

由式（2）可知，在壓榨輥軸向尺寸固定后，壓榨線壓力與壓榨輥承受的壓力呈正比，所以壓榨線壓力的求解需要首先得到壓榨輥承受的壓力。由于壓榨部主要由上下壓輥組成，它們之間的相互作用力就是Fn，但在實際生產(chǎn)中直接測量壓榨線壓力難度較大，所以通常結(jié)合壓榨部的機械結(jié)構(gòu)和力學(xué)原理，利用間接的方法來計算壓榨線壓力。下面以烘缸和真空壓榨托輥組成的壓榨部為例，分析兩者軸承臂的受力情況，如圖2所示。在圖2中，D1和D2分別代表烘缸直徑和真空壓榨托輥直徑 （mm）;m代表烘缸與真空壓榨托輥之間的偏心距 （mm）;α代表真空壓榨托輥的軸承臂與鉛直線之間的夾角 （°）;β代表烘缸和真空壓榨托輥連心線與鉛直線之間的夾角 （°）;G2代表真空壓榨托輥的重力 （N）;Fr代表氣胎加壓裝置提供的附加力 （N）;j代表烘缸和真空壓榨托輥連心線方向;k代表真空壓榨托輥的軸承臂方向。

根據(jù)圖2中的相關(guān)參數(shù)及三角函數(shù)關(guān)系可知，β的計算公式：

β=arcsin2mD1+D2（3）

假設(shè)真空壓榨托輥軸承臂在與鉛直方向成α角的位置進(jìn)行工作，則附加力Fr與鉛直方向成π/2-α的角，這是因為附加力Fr總是垂直于真空壓榨托輥軸承臂方向。然后將G2與Fr都分別地分解到j(luò)向和k向上，則可得真空壓榨托輥承受的壓力Fn，即烘缸和真空壓榨托輥間的壓力Fn的計算公式：

Fn=Fr·cos（π2-α-β）-G2cos β（4）

由于Fr是由氣胎加壓裝置所提供，所以根據(jù)氣胎加壓裝置的力學(xué)分析可得Fr的計算公式：

Fr=ηr·Pr·Sr（5）

式中，ηr—氣胎加壓效率;Pr—氣胎承壓，kPa;Sr—有效加壓面積，m2，在這里取Sr ≈l。

由式（3）～式（5）可以推導(dǎo)出q與Pr的函數(shù)關(guān)系式：

q=ηr·Pr·cos（π2-α-β）+G2lcos β（6）

通過以上公式推導(dǎo)得到壓榨線壓力q和氣胎承壓Pr之間的函數(shù)關(guān)系。在實際生產(chǎn)中，只需要利用傳感器測量氣胎承壓就可以實時監(jiān)控壓榨線壓力的變化情況。

3 壓榨部能耗優(yōu)化

通過對壓榨部脫水原理和壓榨部的壓力分析可知，壓榨部消耗的電能主要用于兩部分：一部分是在克服紙幅、毛毯以及膠層的形變后，增加水的流體壓力和動能，達(dá)到紙幅脫水的目的;另一部分是為紙幅、毛毯的傳遞以及真空壓榨托輥的轉(zhuǎn)動提供動力。因此，壓榨部的能耗優(yōu)化可以從壓榨線壓力和紙機車速這兩個主要影響因素入手，以出壓榨部紙幅干度為衡量指標(biāo)，測量并分析壓榨部在實際生產(chǎn)時的數(shù)據(jù)，最終得到紙機壓榨部的能耗優(yōu)化方案。

3.1 相關(guān)參數(shù)的測試

3.1.1 壓榨部技術(shù)參數(shù)特征及測試儀器

3.1.1.1 壓榨部技術(shù)參數(shù)特征

本課題的研究對象是生產(chǎn)定量為13 g/m2衛(wèi)生紙的衛(wèi)生紙機，紙幅凈寬度為2700 mm。該衛(wèi)生紙機采用交流變頻調(diào)速分部式傳動控制，設(shè)計車速為1200 m/min，但實際車速控制在約1000 m/min。壓榨部由烘缸和真空壓榨托輥組成，其中，烘缸直徑為3660 mm，缸體軸向距離為3000 mm，缸體材質(zhì)為鑄鐵（HT250），衛(wèi)生紙機的實際壓榨線壓力是95 kN/m，其能夠承受的最大壓榨線壓力為120 kN/m;真空壓榨托輥為大吸區(qū)單真空室結(jié)構(gòu)，直徑為905 mm，輥體軸向距離為3000 mm，輥體材質(zhì)為不銹鋼304，輥面膠層平均厚度為25 mm，膠面材質(zhì)為PRESSⅡ，硬度為Shore A（92°±2°），輥面采用雙螺旋布孔，開孔率約為20%。烘缸與真空壓榨托輥間的壓力由氣胎加壓裝置提供，并且利用氣壓表進(jìn)行實時監(jiān)測，再根據(jù)式（6）可以計算得到實時的壓榨線壓力。

3.1.1.2 測試儀器

為了測量進(jìn)出壓榨部紙幅干度，需要在壓榨部安裝紙幅水分檢測裝置，測試時選用山東萬博瑞自動化工程有限公司提供的紅外水分傳感器WBM6210，其測量范圍為0～50%，測量精度為±0.25%，測量重復(fù)性為±0.15%，測量分辨率為0.03%。該檢測裝置的工作原理是利用含水量不同的紙幅對紅外線的吸收能力存在差異，測量紅外線的反射光衰減程度并將其轉(zhuǎn)換成電信號，經(jīng)過計算后顯示在儀器屏幕上。

3.1.2 測試方法

為研究壓榨線壓力與紙機車速對壓榨部脫水量的影響，首先將定量為13 g/m2的衛(wèi)生紙在成形部進(jìn)行初步脫水成形并使其干度（C1）達(dá)到20%。然后在保證出壓榨部紙幅質(zhì)量和產(chǎn)量的情況下，合理地控制壓榨線壓力和紙機車速，將范圍在75～100 kN/m內(nèi)的壓榨線壓力平均分成6個水平。同樣也將范圍在1000～1125 m/min內(nèi)的紙機車速平均分成6個水平。將兩組變量對應(yīng)的參數(shù)進(jìn)行組合，共形成36種結(jié)果。

在采集并記錄數(shù)據(jù)時，首先要確保C1值在19.98%～20.02%區(qū)間內(nèi)，這樣測量的出壓榨部紙幅干度才有指導(dǎo)意義。因此，在測量出壓榨部紙幅干度時，采用在線測量并對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行歸檔存儲，用于測試結(jié)果分析。

3.1.3 測試結(jié)果

在所有記錄中選取滿足要求的C1數(shù)據(jù)，同時將其對應(yīng)的壓榨線壓力、紙機車速和出壓榨部紙幅干度等參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計，得到測試結(jié)果如表1所示。

3.2 測試數(shù)據(jù)的分析

3.2.1 壓榨線壓力與出壓榨部紙幅干度的關(guān)系

為了研究壓榨線壓力與出壓榨部紙幅干度的關(guān)系，首先需要將紙機車速固定，根據(jù)表1中記錄的測試數(shù)據(jù)，繪制出壓榨部紙幅干度隨壓榨線壓力的變化曲線，如圖3所示。由圖3可知，在保證紙機車速恒定時，出壓榨部紙幅干度隨壓榨線壓力的增大而增大，但在壓榨線壓力超過90 kN/m之后，出壓榨部紙幅干度的單位增加額減小。出現(xiàn)這種現(xiàn)象是由于紙幅在機械壓榨方式下可以排除的水分只有部分游離水和吸附水。因此，在出壓榨部紙幅干度的單位增加額開始減小后，不宜繼續(xù)增大壓榨線壓力。

由圖3可知，出壓榨部紙幅干度與壓榨線壓力存在一定的函數(shù)關(guān)系?？梢岳脙绾瘮?shù)c=Mqn對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合[7]，擬合后的函數(shù)關(guān)系式和平均相對誤差如表2所示。

由表2可知，從平均相對誤差值來看，壓榨線壓力與出壓榨部紙幅干度擬合函數(shù)關(guān)系式的擬合值與測試值比較接近，可以將擬合函數(shù)關(guān)系式作為不同紙機車速下出壓榨部紙幅干度隨壓榨線壓力變化的函數(shù)關(guān)系。

3.2.2 紙機車速與出壓榨部紙幅干度的關(guān)系

紙機車速與出壓榨部紙幅干度的分析方法與前文相同。根據(jù)表1中記錄的測試數(shù)據(jù)，可以繪制出壓榨部紙幅干度隨紙機車速的變化曲線，如圖4所示。當(dāng)紙機車速小于1075 m/min時，出壓榨部紙幅干度隨紙機速度變化的趨勢相對平緩;但當(dāng)紙機車速大于1075 m/min，出壓榨部紙幅干度隨紙機車速的增加而迅速降低。出現(xiàn)上述現(xiàn)象的原因是，在壓榨部壓區(qū)不變的情況下，紙機車速越低，紙幅受壓時間越長，除去的水分也就越多;而紙機車速較高時，紙幅受壓時間較短，導(dǎo)致水分還來不及從紙幅中脫除而紙幅已經(jīng)離開壓榨部壓區(qū);此時紙幅含水量較多，即出壓榨部紙幅干度較低。

由圖4可知，根據(jù)不同壓榨線壓力下出壓榨部紙幅干度隨紙機車速的變化曲線近似為二次多項式，可將出壓榨部紙幅干度與紙機車速的關(guān)系擬合為二次多項式函數(shù)c=Av2+Bv+C，擬合后的函數(shù)關(guān)系式和平均相對誤差如表3所示。

由表3可知，從平均相對誤差值來看，不同壓榨線壓力下紙機車速與出壓榨部紙幅干度擬合函數(shù)關(guān)系式的擬合值與測試值比較接近，可以將擬合函數(shù)關(guān)系式作為不同壓榨線壓力下出壓榨部紙幅干度隨紙機車速變化的函數(shù)關(guān)系。

3.2.3 壓榨線壓力和紙機車速與出壓榨部紙幅干度的關(guān)系

通過對壓榨線壓力、紙機車速與出壓榨部紙幅干度關(guān)系的分析，可以得出壓榨線壓力、紙機車速分別與出壓榨部紙幅干度成冪函數(shù)和二次多項式函數(shù)關(guān)系。因此，可以利用復(fù)合函數(shù)方程c=Av2+Bv+C+Mqn對表1中的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合。最后得到出壓榨部紙幅干度與紙機車速、壓榨線壓力之間的函數(shù)關(guān)系如下：

c=-0.00015v2+0.3019v-150.96+9.5603q0.3079（7）

此函數(shù)關(guān)系式的擬合值與測試值（當(dāng)壓榨線壓力100 kN/m、紙機車速1125 m/min時）的最大相對誤差為5.2%，其余誤差值均在5%以內(nèi)，且平均誤差值為2.9%。因此，該函數(shù)關(guān)系式能較好地反映出壓榨部紙幅干度隨壓榨線壓力和紙機車速的變化情況。

由于紙機生產(chǎn)的實際情況會根據(jù)市場的需求而發(fā)生變化，如產(chǎn)量降低等。因此，在原測試范圍的基礎(chǔ)上根據(jù)式（7），對壓榨線壓力范圍為65～100 kN/m和紙機車速范圍為975～1200 m/min的80種組合在MATLAB軟件中進(jìn)行仿真實驗，在三維坐標(biāo)系中得到的預(yù)測結(jié)果，如圖5所示。

3.3 能耗優(yōu)化方案及效果

通過對測試數(shù)據(jù)的分析可知，對于本課題所用的衛(wèi)生紙機，壓榨線壓力大于90 kN/m后，出壓榨部紙幅干度的單位增加額開始減小，而紙機車速大于1075 m/min后，出壓榨部紙幅干度迅速下降。因此，本課題所用衛(wèi)生紙機能耗優(yōu)化方案即為控制壓榨線壓力保持在90 kN/m、紙機車速保持在1075 m/min。此時紙機壓榨部既可以滿足正常生產(chǎn)的要求，又可以實現(xiàn)衛(wèi)生紙機的能耗優(yōu)化。

與衛(wèi)生紙機壓榨部的原始運行情況相比，優(yōu)化后的衛(wèi)生紙機車速在1000 m/min的基礎(chǔ)上提高了7.5%，而壓榨線壓力可在95 kN/m的基礎(chǔ)上降低5.3%。理論上每噸紙可以節(jié)約2.1%的電能[2]，對于紙機壓榨部能耗優(yōu)化具有一定的意義。

4 結(jié) 論

本課題首先對壓榨脫水原理進(jìn)行了簡述并推導(dǎo)了壓榨線壓力、出壓榨部紙幅干度等主要參數(shù)的計算公式。在此基礎(chǔ)上，分析了影響壓榨部能耗的主要因素，包括進(jìn)出壓榨部紙幅干度、壓區(qū)寬度與紙機車速等。其次，結(jié)合紙機壓榨部的運行情況，確定了壓榨線壓力和紙機車速為優(yōu)化參數(shù)。最后，通過對測試數(shù)據(jù)的分析和擬合，得到控制壓榨線壓力在90 kN/m、紙機車速在1075 m/min時，既可以保證紙幅質(zhì)量和產(chǎn)量，又可以節(jié)約2.1%的電能，實現(xiàn)衛(wèi)生紙機壓榨部的能耗優(yōu)化。

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Analysis and Optimization of the Relationship Between Operating Parameters and Energy Efficiency

of Press Section in Tissue Paper Machine

MA Wenming1，* SHEN Tianyu2

（1.Xijing University， Xian， Shaanxi Province， 710021; 2.BOE Technology Group Co.， Ltd.， Chengdu， Sichuan Province， 610000）

（*E-mail： 987746606@qq.com）

Abstract：Based on the analysis of the pressure at press section and the principle of squeezing and dewatering in paper machine， it was concluded that the dryness of pressed paper web could be regarded as the energy consumption index of press section， and the linear pressure at the press section and the speed of paper machine were the main factors affecting energy consumption of press section. Combined with the actual production test of the paper machine and the data of pressing dewatering， the test data curve was plotted. The function relation among the linear pressure at press section， paper machine speed and pressed paper web dryness was fitted based on the obtained test data curve. Finally， the energy consumption of press section was optimized by determining the optimal value ranges of linear pressure at press section and paper machine speed. Through analysis and calulation of the test data， the web quality could meet the demand of production， and the eletricity consumption could reduce by 2.1% when the linear pressure at press section and paper machine speed were 90 kN/m and 1075 m/min， respectively.

Keywords：press section; web dryness; linear pressure at press section; paper machine speed; energy consumption optimization