1、造紙機傳動的變頻應(yīng)用 中國造紙工業(yè)有效生產(chǎn)能力自1990年以來，特別是自1995年以來一直在持續(xù)增長。到2002年底為止，我國有4000多個造紙廠，其中規(guī)模以上的有2600多家。2002年的總產(chǎn)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(chǎn)能力。屆時，我國造紙工業(yè)的生產(chǎn)能力總和將會達到近5000萬噸。據(jù)統(tǒng)計，自從2000年以來，全球生產(chǎn)的大型造紙機有1/2都安裝在中國。 假設(shè)我國在今后一段時間內(nèi)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?？梢灶A(yù)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。 目前，高檔紙機在國內(nèi)市場的占有率為33％，而且基本上以國際造紙機械巨頭如voith、metso、andritz等為主。如2003年山東造紙可投產(chǎn)的五條10萬噸/年以上造紙生產(chǎn)線: ·華泰集團有限公司20萬噸/年輕涂紙生產(chǎn)線，全套引進福伊特公司設(shè)備; ·博匯實業(yè)有限公司30萬噸/年涂布白卡紙生產(chǎn)線，總投資10億元人民幣，全套引進福伊特公司設(shè)備; ·泉林紙業(yè)公司20萬噸/年銅版紙生產(chǎn)線，2臺3700造紙機主要部件流漿箱、頂網(wǎng)、施膠壓榨等引進國外產(chǎn)品，主機的其它部分由淄博恒星機電公司制造; ·銀河紙業(yè)集團有限公司20萬噸/年高強瓦楞原紙二期10萬噸/年生產(chǎn)線，幅寬4400mm、車速550m/min造紙機由山東昌華造紙機械公司制造; ·泰山紙業(yè)股份有限公司10萬噸/年輕涂紙生產(chǎn)線，引進法國阿里盟公司造紙機。由此可以看出，整機的紙機供應(yīng)將基本上以進口為主。 由于目前的新增紙機的傳動設(shè)備已經(jīng)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(chǎn)量中，每年的紙機傳動裝機容量將非?？捎^。 我們以某廠引進的voith產(chǎn)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(wǎng)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(shè)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。 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(tǒng)設(shè)計1kw/2000rmb的計算，共計有1.8億rmb左右的傳動市場。當(dāng)然在這里面，變頻器品牌基本上是由國外主要生產(chǎn)廠商abb、siemens、ab、yaskawa等占主導(dǎo)地位。另外，由于我國目前所有紙機機械的生產(chǎn)能力還不到30萬噸/年，所以國內(nèi)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(nèi)相應(yīng)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(nèi)品牌的份額不到5%。當(dāng)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(jīng)有本地化機構(gòu)的國際紙機機械廠家（如美卓紙業(yè)、voith紙業(yè)）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(diào)速范圍寬，在全速度范圍內(nèi)，效率必須在90%以上; （2） 功率因數(shù)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(shù)成熟的標(biāo)準(zhǔn)器件igbt; （5） 能減少輸出諧波分量并有效降低dv/dt噪音和轉(zhuǎn)矩脈動的效果; （6） 利用通訊功能實現(xiàn)數(shù)據(jù)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(guān)注新增紙機產(chǎn)能的同時，我們也必須注意到現(xiàn)有紙機的改造一塊。據(jù)有關(guān)方面統(tǒng)計，我國擁有3780多萬噸生產(chǎn)能力，單機生產(chǎn)能力在5萬噸以上以及紙板機生產(chǎn)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(chǎn)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。 根據(jù)裝機功率的概算，我們可以預(yù)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(tǒng)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(nèi)本地化改造項目，將會有相當(dāng)數(shù)量地采用國產(chǎn)變頻器，因此這將是國產(chǎn)變頻器可以角逐的天地，市場潛力巨大，應(yīng)該引起足夠重視。 我國造紙機分部傳動設(shè)備，以前采用scr直流調(diào)速方式，由于存在滑環(huán)和炭刷造成可靠性和精度不高，從而導(dǎo)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(xù)生產(chǎn)的過程，因此生產(chǎn)線的連續(xù)和有序控制成為了制約成品紙質(zhì)量和產(chǎn)量的瓶頸。直流調(diào)速系統(tǒng)在紙機的發(fā)展史上占有重要的地位，但由于直流電機存在維護難、適應(yīng)環(huán)境能力差，主要表現(xiàn)如下: （1） 整流子磨損嚴(yán)重, 燒毀整流子的故障, 導(dǎo)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(fā)電機易磨損，造成傳動系統(tǒng)精度低 （4） 直流調(diào)速控制系統(tǒng)復(fù)雜, 調(diào)試?yán)щy, 一般技工很難調(diào)出好的機器。 交流變頻調(diào)速技術(shù)以其卓越的調(diào)速性能、顯著的節(jié)電以及在國民經(jīng)濟領(lǐng)域的廣泛適用性，而被公認(rèn)為是一種最有前途的交流調(diào)速方式。它不但具有直流電機優(yōu)良的調(diào)速性能，同時具有交流電機簡單、可靠，因而逐漸被廣泛應(yīng)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(chǎn)能、降低能耗、延長停機檢修周期。 以某廠改造一臺長網(wǎng)紙機為例，它有兩個分部:一個是烘缸（干部），一個是網(wǎng)部（濕部）。根據(jù)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(huán)系統(tǒng)。 2.2 效益分析 （1） 節(jié)能效果分析 根據(jù)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(chǎn)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(jié)電=100656－75816=24840kwh 由此可以得出應(yīng)用變頻器后實際節(jié)能為:25% （2） 工藝效益分析 改造前后的產(chǎn)品質(zhì)量情況如附表所示: 由上可以看出: ·紙機的運轉(zhuǎn)率提高:27%以上（由月平均產(chǎn)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(zhuǎn)性能，進一步提高了經(jīng)濟效益。 3、造紙機附屬設(shè)備的變頻器應(yīng)用分析 造紙機的輔助設(shè)施包括以下幾個系統(tǒng):供漿系統(tǒng)、白水系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、壓縮空氣系統(tǒng)、化學(xué)品制備及傳送系統(tǒng)、供水系統(tǒng)、蒸汽系統(tǒng)等。為了使造紙機能夠連續(xù)均衡地運轉(zhuǎn)，它的輔助設(shè)施能力，一般應(yīng)超過造紙機的最大生產(chǎn)能力的15%～30%。 該處應(yīng)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(tǒng)的變頻器應(yīng)用 供漿系統(tǒng)必須滿足下列幾個條件: （1） 向造紙機輸送的漿料要穩(wěn)定，誤差不能超過±5%; （2） 漿料的配比和濃度要穩(wěn)定均勻; （3） 貯備一定的漿料量，使供漿能力可以調(diào)節(jié)，以適應(yīng)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。 通常情況下，供漿系統(tǒng)由供漿管路的漿泵、沖漿泵和凈化設(shè)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(diào)節(jié)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(huán)系統(tǒng)的速度控制方式，外環(huán)是速度閉環(huán)，內(nèi)環(huán)是電流或轉(zhuǎn)矩閉環(huán)。沖漿泵速度的設(shè)定值一方面是由漿速和網(wǎng)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(diào)，后者是微調(diào)。紙機的漿速和網(wǎng)速比基本上是恒定的，因此紙機的網(wǎng)速一旦變化，沖漿泵的轉(zhuǎn)速也跟隨變化;為了提高速度調(diào)節(jié)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(shè)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(zhuǎn)測速電機或光電旋轉(zhuǎn)編碼器等檢測裝置獲取。電流的設(shè)定值取自速度環(huán)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(diào)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(shù)。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(tǒng)的變頻器應(yīng)用 壓縮空氣常用于造紙機網(wǎng)部與壓榨部的氣動加壓升降裝置、網(wǎng)毯的校正裝置、氣墊式流漿箱、引紙設(shè)備、涂布?xì)獾兑约案鞣N氣動儀表和調(diào)節(jié)裝置等處。 壓縮空氣系統(tǒng)中，主要設(shè)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(shù)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(diào)節(jié)，電動機始終處于全速運行狀態(tài)。實踐表明該控制方式耗能巨大，浪費嚴(yán)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(huán)系統(tǒng)系統(tǒng)。 3.3 化學(xué)品制備及傳送系統(tǒng)的變頻器應(yīng)用 由于在脫墨、制漿、涂布、施膠等部位要用到大量的化學(xué)品，其使用的量與紙機多傳動的速度成正比，所以在化學(xué)品的傳送系統(tǒng)（如泵）必須采用無級交流調(diào)速系統(tǒng)，其首選為變頻器。主要是基于該化學(xué)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(jīng)屬于最優(yōu)，多年前還在廣泛使用的電磁調(diào)速和無級調(diào)速齒輪泵都已經(jīng)面臨淘汰。根據(jù)最新市場統(tǒng)計，中等品牌的最低功率變頻器已經(jīng)跌至千元/kw以下。 在化學(xué)品制備中要用到大量的研磨設(shè)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(huán)境惡劣。目前已經(jīng)有廠家在研磨設(shè)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(jīng)送料泵輸入筒體后，在高速旋轉(zhuǎn)的分散盤帶動下，遭到研磨介質(zhì)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(jīng)頂篩過濾流出。該設(shè)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(fù)以使涂料與研磨介質(zhì)混合均勻;針對不同的涂料，有時需要不同的工藝轉(zhuǎn)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(yán)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(shè)置點動速度和慢速運行時間，確保涂料與介質(zhì)混合達到最均勻;可以在線無級調(diào)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(yù)報警功能和免跳閘功能;節(jié)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(wǎng)的沖擊，提高了電網(wǎng)的安全運行。目前在山東、黑龍江、海南等地的造紙企業(yè)已經(jīng)有了小批量應(yīng)用。 3.4 烘干部通風(fēng)系統(tǒng)的變頻器應(yīng)用 在烘干部，紙頁中蒸發(fā)出來的所有水汽被空氣吸收后，必須通過強制通風(fēng)不斷地從造紙車間排除。烘干部通風(fēng)良好與否，直接影響到紙頁中水分的蒸發(fā)速度和整個烘干過程的經(jīng)濟性;通風(fēng)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。 排除烘干部蒸發(fā)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(guān)，也與采用的通風(fēng)系統(tǒng)、氣候條件和季節(jié)有關(guān)。通常，在現(xiàn)代紙機中采用強制的空氣循環(huán)以求高效，用進氣鼓風(fēng)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(fēng)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(shù)量的增多，通常都分成幾段的鼓風(fēng)機和排風(fēng)機組。采用變頻器之后，可以根據(jù)通風(fēng)空氣量的專家計算公式，隨時調(diào)節(jié)進氣量（鼓風(fēng)機的轉(zhuǎn)速）和排氣量（排風(fēng)機的轉(zhuǎn)速），而無須采用傳統(tǒng)的風(fēng)門控制，進一步降低能耗，降低風(fēng)機的噪音，提高機械壽命。 3.5 水系統(tǒng)的變頻器應(yīng)用 紙機是個耗水大戶，包括白水系統(tǒng)、污水系統(tǒng)、密封水系統(tǒng)、噴淋系統(tǒng)、清水系統(tǒng)等，通常情況下都需要用到管網(wǎng)恒壓力供水，但傳統(tǒng)的控壓都是通過旁路和調(diào)節(jié)閥來進行，很少用到變頻器。但是由于中國國內(nèi)水資源的普遍缺乏，而變頻器的應(yīng)用將可以節(jié)水10%和節(jié)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(tǒng)上通常有二種模式:即變頻固定方式、變頻循環(huán)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(wǎng)直接供電，它們的啟停信號由plc進行邏輯控制; （2） 變頻循環(huán)方式 變頻器按照一定順序輪流驅(qū)動各泵運行。變頻器能根據(jù)壓力閉環(huán)控制要求自動確定運行泵臺數(shù)（在設(shè)定范圍內(nèi)），同一時刻只有一臺泵由變頻驅(qū)動。當(dāng)變頻器驅(qū)動的泵運行到設(shè)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(qū)動另一臺泵變頻運行。 4、結(jié)束語 隨著中國造紙工業(yè)的快速發(fā)展，變頻器也將在造紙工業(yè)中大顯身手，但是我們必須注意到由于市場競爭的激烈而導(dǎo)致高中低端紙機的變頻器正在日益分化中，如何抓住機遇，迎接挑戰(zhàn)，將是國內(nèi)變頻器業(yè)者需要商討和應(yīng)對的問題。