某造纸厂节能减排方案设计.docx
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某造纸厂节能减排方案设计
本科毕业设计（论文）
题目某造纸厂蒸汽系统节能减排
方案设计
学生姓名
专业班级
学号
院（系）
指导教师
完成时间
毕业设计（论文）任务书
题目某造纸厂蒸汽系统节能减排方案设计
主要内容、基本要求、主要参考资料等：
主要内容：
某造纸厂的蒸汽系统由某型10T燃煤锅炉为提供所需蒸汽，蒸汽进入造纸机的烘缸内对纸张进行加热烘干。
本课题要求学生根据造纸机的工作情况，对蒸汽进行复合利用，以达到节能减排提高蒸汽利用效率的目的。
基本要求：
根据图纸资料，确定设备进行优化
②进行方案的比较论证。
③选择制定系统控制方案。
④对蒸汽系统使用设备进行选型。
⑤绘制系统图纸并对系统节能情况进行评价。
参考资料：
1、给定工程概况资料
2、中国供暖通风空调设备手册，叶志谨，煤炭工业出版社
3、暖通空调，陆亚俊，中国建筑工业出版社
完成期限：
指导教师签名：
专业负责人签名：
年月日
某造纸厂蒸汽系统节能减排方案设计
摘要
本文所论述的蒸汽系统节能减排的对象是某造纸厂，由于企业对蒸汽系统的专业知识和技能的缺乏，所以在开展蒸汽系统节能工作时往往是有局限性的。
要想在蒸汽系统进行有效的节能工作，必须了解系统的现状和行业先进水平，必须发现现有系统的问题，然后对症下药提出完善的解决方案。
为了提高市场竞争力，节约能源，减少污染排放，本文主要对热泵控制节汽技术、电机系统变频节电技术以及燃煤锅炉技术进行改造，讲述了热泵控制节汽技术的功能和工作原理、电机系统变频节电技术的技术原理与改造方案以及燃煤锅炉技术存在的问题和循环流化床锅炉技术的工作原理。
本设计要达到的目标是：
在同等的产量下，减少对煤、汽、电等能源等利用以及减少污染物的排放，使蒸汽系统更加经济合理、更加节能。
关键词 蒸汽系统节能减排热泵控制电机变频燃煤锅炉
APAPERMILLSTEAMSYSTEMFORENERGY
CONSERVATIONANDEMISSIONS
REDUCTIONPLANDESIGN
ABSTRACT
Steamsystemenergy-savingemissionreductiondescribedinthisarticleiscommittedagainstapapermill.Steamsystemduetolackofprofessionalknowledgeandskills,sointhedevelopingsteamsystemenergy-savingjobtendtobelimited.Toworkforeffectiveenergysavingofsteamsystem,youmustunderstandthesystemstatusandadvancedlevels,shoulddetectproblemsoftheexistingsystem,thentheremedytocomeupwithsoundsolutions.
Toimprovemarketcompetitiveness,savingsenergy,reducedpollutionemissions.Thismainonhotpumpcontrolsectionsteamtechnology,andmotorsystemfrequencysavingtechnologyandcoal-firedboilertechnologyfortransformation,tellshashotpumpcontrolsectionsteamtechnologyoffeaturesandworkprinciple,andmotorsystemfrequencysavingtechnologyoftechnologyprincipleandtransformationprogramandcoal-firedboilertechnologyexistsofproblemandcyclestreamofbedboilertechnologyofworkprinciple.
Theobjectivesdesignedtoachieveare:
underthesameproductionandlessoncoal,gasandelectricenergyuseandreduceemissionsofpollutants,makingsteamsystemmoreeconomical,moreenergy-efficient.
KEYWORDSsteamsystemenergyconservationandemissionreductionheatpumpcontrolmotorfrequencyconversioncoal-firedboiler
1绪论
能源是支撑经济社会可持续发展的重要决定因素，节能降耗是落实科学发展观的重要内涵。
其中，造纸工业与国民经济的发展息息相关，随着社会的不断进步，它也逐步成为资金、技术、能源都较密集的“基础原料的工业”。
目前，我国其他省、市、自治区都有造纸企业，其中绝大多数是中小型造纸企业。
由于原料结构不合理、科技水平较低、生产工艺和设备落后及污水处理设备部到位，造成造纸行业能耗大，污染严重，已经成为政府和社会关注的问题。
随着世界能源形势逐步缺乏，能源管理的重要性就愈发显现出来。
我国一次能源的70%以上由全国55万台锅炉说消耗，其中工业锅炉有53万台，60%左右的容量为蒸汽锅炉，共计消耗4.4亿吨标煤，占整个国家能源消耗的19.8%，蒸汽系统的能源使用状况不容乐观，所以，节约热能作为重要项目越来越受到企业的重视，合理的设计、配套和维护热能系统能够节约大量宝贵的资源，降低生产成本，提高企业的市场竞争力。
从工业革命以来，蒸汽作为最佳的能量载体在工业和民用领域广泛使用。
在我国，工业和民用蒸汽管网非常庞大。
据2001年统计，全国在用蒸汽锅炉约35万台，总蒸发量达78万吨/小时（不含电站锅炉）。
但是，长期以来，国内普遍存在对蒸汽品质和蒸汽输送管网的不重视，甚至在国内一些行业规范中也有这种体现，由此造成了大量能源的浪费，蒸汽加热效率偏低，设备控制不稳定，管道经常性严重水锤等。
蒸汽系统的节能涉及了蒸汽的生产、输送、分配、转换、应用、控制、计量、安全、维护等诸方面。
蒸汽系统的节能越来越引起石化、造纸厂、电厂、集中供热、钢铁等行业的重视。
蒸汽作为工作流体和热传导的介质广泛应用于造纸厂、集中供热，电厂的动力源，石化等生产工艺过程热源，加湿等用途。
蒸汽具有分配简单、输送方便、控制简单等特性。
极具工业使用价值。
蒸汽具有很高的热容量，在分配管网中热量传递较为简单。
在追求节能和环保的当今社会，蒸汽的有效利用及节能是迫切需要解决的问题
2纸机热泵控制节汽技术改造
2.1现有传统通气方式存在的问题
该厂现有全部4台1450型-3400型纸机均采用传统的三段（两段）通气方式，即蒸汽流动方向与纸页运行方向相反，每个通气段产生的冷凝水经汽水分离器产生的二次蒸汽供下一段烘干使用。
在实际运行过程中存在着各段烘缸压差小，在暖缸、纸机提速、车速调整和断纸等工况时导致烘缸排水不畅，使烘缸内部水位升高，影响传热效率，造成蒸汽浪费。
现有通气管路中使用普通阀门进行减压和调整流量，损失了蒸汽功。
冷凝水回收部分采用传统汽水分离器，大量蒸汽直接排放到环境中，回用冷凝水温度低，造成能源严重浪费。
该厂纸机现有三段通汽方式见图2-1。
图2-1改造前通汽方式
2.2纸机喷射热泵控制节汽技术原理
热泵的种类很多，在造纸机干燥部分通常采用蒸汽喷射式热泵供热系统，在传统的热力系统中采用阀门进行节流式减压造成能量贬值，即将新蒸汽进行节流减压，满足纸机烘缸用气品位的要求。
在热泵供热系统中，蒸汽喷射式热泵作为引射式减压器用于热力系统，同时作为热力压缩机将低品位的二次蒸汽增压后在使用。
蒸汽喷射式热泵是一种没有运转部件的热力压缩机，它利用工作蒸汽减压前后的能量差为动力，将汽水分离罐中产生的二次蒸发汽增压后回收再利用，从而降低了汽水分离罐的工作压力，加大了纸机烘缸的排水压差，是一种高效节能设备。
蒸汽喷射式热泵主要由喷嘴、接受室、混合室及扩压室组成。
喷射式热泵的工作原理是以蒸汽减压前后的能量差为动力，高压蒸汽通过喷嘴时产生高速气流，在喷嘴出口处产生低压区，在此区域将低压蒸汽吸入设备，高压蒸汽在膨胀的同时压缩低压蒸汽，用高压蒸汽的裕压提高低压蒸汽的品位，然后通过混合室进行良好混合，混合后的蒸汽再通过扩压室恢复部分压力损失，达到要求的蒸汽压力后供给热用户使用。
根据高、低压蒸汽的参数可以对设备进行不同的结构设计，得到各种压力等级的蒸汽，满足不同热用户的要求。
通过蒸汽喷射式热泵吸入的低压蒸汽既可以是放散的废蒸汽，也可以是凝结水产生的闪蒸汽，使低焓热能得到充分利用，达到节约能源的目的。
蒸汽喷射式热泵的节能率可以达到35%左右，具有很好的实用性。
工作蒸汽以很高的速度通过喷嘴进入接受室，将汽水分离罐中产生的二次蒸汽吸入，同工作蒸汽一并进入混合室，工作流体和引射流体进行速度均衡和压力提高之后进入扩压室，在扩压室中流体的动能转变为势能，将流体的压力提高到烘缸所需要的蒸汽压力，供给各个烘缸用汽。
热泵主要由1喷嘴、2集汽室、3混合室、4扩压室组成。
如图2-2所示。
图2-2热泵示意图
本项目采用可调式喷射热泵控制系统，见图2-3，
图2-3可调节热泵
喷射式热泵没有运转部件，主要部分以不锈钢材质制成，其运行非常可靠。
热泵以少量新鲜高压蒸汽作为动力，高速通过热泵喷嘴时产生的抽吸力将汽水分离器中的二次低压蒸汽吸入热泵内，通过混合后功能转换获得高压力蒸汽重新回用于烘缸中。
热泵系统的控制采用流速控制方法，并应用计算机根据纸机的生产状况，对每组烘缸的热平衡参数进行模拟计算，得到最佳的二次蒸汽流速控制参数，从而实现二次蒸汽流量恒定，保证烘缸水位最佳，是烘缸传热效率最高，纸页水分蒸发量最大。
热泵进口蒸汽干管上设有流量和压力调节阀，当用汽工况和新鲜蒸汽参数发生变化时，通过热泵自身调节机构调整通过蒸汽喷嘴的有效面积，改变新鲜蒸汽流量来满足用汽工况参数要求，在新鲜蒸汽流量变化过程中，热泵入口新鲜蒸汽压力不变，即新鲜蒸汽单位流量做功能力不变，只改变了通过热泵喷嘴的蒸汽流量。
喷射式热泵控制系统技术非常适用造纸过程中纸页的干燥，适应纸机各种生产负荷变化，满足纸机生产车速、产量、产品定量变化和停机、开机过程要求，具有投资小、占地少、运行可靠、易维护、改造难度小、运行费用低等特点、采用喷射式热泵控制系统技术改造原有的烘缸三段通汽工艺，节约蒸汽量10-25%。
是纸机节约蒸汽、降低单位产品汽耗最有效的技术方法之一，本方案选取15%节汽率。
2.3纸机喷射热泵控制节汽技术改造方案
该厂现有全部4台纸机均进行喷射式热泵控制系统技术改造，所有纸机改造内容和采用的技术原理相同。
本项目采用喷射式热泵控制系统，热泵以少量新鲜蒸汽作为动力，新鲜蒸汽高速通过热泵喷嘴时产生的抽吸力（文丘利原理）将汽水分离器的二次蒸汽吸入热泵内，通过混合后获得高品位的蒸汽重新回用于烘缸中。
热泵系统的控制采用流速控制方法，计算机根据纸机的运行状况，对每组烘缸的热平衡参数进行模拟计算，得到最佳的二次蒸汽流速控制参数。
系统应用计算机通过调节热泵喷嘴蒸汽的有效面积，控制二次蒸汽管道上的孔板前后压差不变，实现二次汽流量恒定，保证烘缸水位最佳，使烘缸传热效率最高，达到节约蒸汽、提高产品质量和产量的目的。
纸机使用0.49Mpa的饱和蒸汽供纸机压力控制回路使用。
供热设计采用三级扩容闪蒸，三段热泵，三段通汽（1450型纸机为两段），末端设有热回收的（用于热风系统预热）闭式冷凝水的热泵供热系统。
喷射式热泵控制系统工艺见图2-3
图2-3喷射式热泵控制系统工艺流程
进入高温段烘缸新蒸汽直接进入本段烘缸，进入高温段烘缸蒸汽压力控制器检测本段蒸汽压力，按照要求调节、控制蒸汽流量，稳定本段烘缸的用汽压力；本段排水由该段与中温段之间压差保证，其差值不得低于60kPa,压差控制器检测本段蒸汽集管及回水集管间压力差，按要求调节阀门开度，控制二次蒸汽排出量，稳定本段烘缸排水所需压差。
冷凝水直接排到汽水分离罐，产生的二次蒸汽供中温段再利用，高温段汽水分离罐的冷凝水排到中温段汽水分离罐，液位由液位控制器稳定在要求范围内。
特殊情况下，当液位超出上限位时，系统启动冷凝水泵，保证液位稳定，不凝气体随二次蒸汽排到中温段。
进入中温段烘缸蒸汽分别来自闪蒸罐的二次蒸汽和由主蒸汽管路直接进入本段烘缸的新鲜蒸汽。
由压力控制器检测本段蒸汽压力，按照要求调节、控制蒸汽流量，稳定本段烘缸的用汽压力；本段排水由该段与低温段之间压差保证，其差不得低于60kPa，压差控制器检测本段蒸汽集管及回水集管间压力差，按要求调节阀门开度，控制二次蒸汽排出量，稳定本段烘缸排水所需压差。
冷凝水直接排到汽水分离罐，产生的二次蒸汽供低温段再利用，中温段汽水分离罐的冷凝水排到低温段汽水分离罐，液位由液位控制器稳定在要求范围内。
特殊情况下，当液位超出上限位时，系统启动冷凝水泵，保证液位稳定；不凝气体随二次蒸汽排到低温段。
进入低温段烘缸蒸汽分别来自闪蒸罐的二次蒸汽和由主蒸汽管路直接进入本段烘缸的新鲜蒸汽。
压力由控制器稳定在0.5
左右，冷凝水排到冷凝水箱，冷凝水由泵打回到锅炉房。
另外，系统设置有暖缸程序和断纸程序。
另外，热泵供热技术可以实现如下调节自动控制：
（1）成纸水分控制
干燥段热泵供热系统用于成品纸水分控制，由成品纸的含水量测值替代热泵2出口蒸汽压力给定值，通过调节热泵3的供出蒸汽压力及供汽量实现成品纸的水分控制。
（2）各段烘缸供汽压力及供汽量控制
由热泵出口的蒸汽压力指示控制装置控制相应各台热泵工作蒸汽调节阀的开度，调节热泵的供汽压力及供汽量，满足纸机各段烘缸用汽压力和用汽量的要求。
（3）压差控制
由蒸汽压力差值指示控制装置以调节阀的型式控制
段、
段烘缸的排水压差。
（4）液位控制
由液位指示控制装置采用调节阀控制和保持一级、二级及三级闪蒸分离罐一定的液位。
（5）蒸汽入口控制
在蒸汽入口的主干管上采用压力指示控制装置使热力系统供汽压力稳定，并可以编制程序，进行纸机开车、停车及断纸计算机或自动化仪表控制。
纸机热泵节汽技术改造主要工艺参数见表2-1
表2-1热泵技术改造工艺参数
序号
名称
单位
数据
备注
1
年纸机工作天数
d
340
2
日纸机工作小时
h
24
3
纸机使用蒸汽压力
Mpa
0.49
新鲜蒸汽
4
全部纸机生产能力
t纸/a
11万
5
改造前平均吨纸汽耗
t/t纸
2.8
6
项目实施后节汽率
%
15
7
改造后平均吨纸汽耗
t/t纸
2.38
2.4纸机热泵节汽技术改造效果
依据同类企业改造后实际数据，热泵技术改造节汽率为10-25%，本论文节汽率按15%计，改造前纸机年总汽耗30.08万吨，现有锅炉平均热效率为60%。
年节汽量：
308000吨
15%=46200吨
年节能折标煤：
46200吨
0.1523=7036吨
热泵节汽改造后吨纸蒸汽消耗由原来的2.8吨降低到2.38吨，达到国内较为先进水平。
改造后纸机年用汽量减少46200吨，按现有锅炉热效率60%计，年节约标煤7036吨。
改造后纸机年总汽耗为261800吨。
若管网年蒸汽损失扔按15400吨计，锅炉供气量33.97吨/h即可满足实际生产需要。
3电机系统节能改造
3.1生产过程电耗高的主要原因
该厂电动机负荷率低，经常处于轻载或空载状态，功率因数普遍不高，负荷率低，则功率因数愈低，无功功率相对于有功功率的百分比更大，显著的浪费电能，变压器利用率低，用电电压跌落严重。
该厂22千瓦及以上大功率电机装机容量为4832KW，占总装机容量的35%，其运行和电力消耗不能随设备负荷变化进行调整，只能以定速模式运行，存在启动电流大、受机械冲击能力小，电气保护性能差等缺点，造成电耗高、电机和设备易损坏。
因此选择对配电和电机控制系统进行节电改造，解决生产过程电耗高的问题。
3.2电机系统变频节电技术原理
变频调速节能技术是一项集现代先进电力电子技术和计算机技术于一体的高效节能技术，在工业应用中显示出强劲的竞争力，其应用领域也在迅速扩展。
变频调速技术用于可变转速的电机上，具有调速性能好、节能效果显著、运行工艺安全可靠等优点，对于提高劳动生产率、降低能耗具有重大的现实意义。
变频节电技术是国际国内使用较为广泛和成熟的通用节电技术，它是针对具有富余变量系统中的负载电动机，由变频器内设的计算机对被控对象运行状态反馈的信号进行运算比较，在被控对象具有富余量的情况下，降低电动机的运行变频而达到节电的目的。
变频节电产品的核心部件是变频器，在当前市场上无论是国产或进口变频器中，其本身就具备了可编程控制器，检测反馈信号通道，对负载电机的内阻自测补偿，远程控制通信RS485通道等重要功能，同时又具备过载、过流、短路、过压、欠压、软启动等保护功能。
节电基本原理是，当电动设备处于不同的工作状态（如：
空载、轻载、半载、满载、超载）时，通过以微电脑CPU为核心的中央控制系统，根据负载的工作状况，动态调整供给电动设备的用电参数（如：
电压、电流、有功量、无功量、频率、功率因数等）达到转矩与负载精确匹配，使电动设备保持在最经济的运行状态，降低能耗，节省电费，另外当用电设备发生过流、过压、欠压、节电装置过热等故障时，通过保护电路发出信号及时对用电设备、节电装置进行保护，并通过显示屏显示出故障代码。
3.3变频控制节电改造
用调整电机转速的方法同样可以调整供水压力、风机风量等。
由于水泵、风压等基本上属于恒转矩负载，用变频调速的方法调整外部负荷能使电机的输出功率基本上与转速成正比关系，达到很好的节电效果。
我们采用具有矢量控制功能的LG变频器，可使电机在低速时也能提供满足负载需要的转矩。
同时，LG变频器的自动节能模式可使电机在满足负载转矩要求下以最小电流运行，达到更好的节电效果。
采用变频控制系统所带来的效果如下：
（1）以变频器调整电机的转速来调整负荷，使电机输出的功率与负荷需求基本上成正比关系，始终使电机高效率工作，以达到理想的节电效果。
（2）利用变频器的节能模式，可使电机在轻载时以最高的效率运行，减少不必要的电能损耗。
（3）根据严格的EMS标准，高效的PWM变频器使用高速低耗的IGBT降低谐波失真和电机的电能损失。
（4）可使电机启动、加载时的电流平缓上升，没有任何冲击；可使电机实现软停，避免发生电流造成的危害，有利于延长设备的使用寿命；避免因电流峰值带来的电力公司的罚款；
（5）采用变频控制系统后，可以实时监测供水、风、汽等管路压力，使管路中的压力保持恒定，提高生产效率和产品质量。
（6）由于电机在高效率状态下运行，功率因数较高，降低了无功损耗，节约了大量电能；
（7）保存原释放阀系统，在必要时可参加调节，增强系统的可靠性。
总之，采用变频智能控制系统后，不但可节约30-40%的电力费用，延长设备的使用寿命，并可实现“恒压供水”的目的，提高生产效率和产品质量。
设备在启动时，启动和加减速运行时要求变频器反应快速，因此，我们选用LG变频器。
调节方式采用闭环自动调节，控制系统根据压力传感器检测到设备出口的压力信号值，经过A/D模拟数字转换单元的信号转换后，通过可编程控制器（PLC）和变频器调整单台电机的转速，保证电机以最小的功率输出，在精确控制压力的同时，实现电机的软启动以延长设备的使用寿命。
当变频器及PLC发生故障时，自动切换到原软启动柜工频电源运行，以保证设备的正常工作。
变频改造主要配置如下：
（1）变频器
（2）控制系统可编程控制器、A/D、D/A扩展功能模块（3）温控器（4）压力传感器（5）主断路器（6）交流接触器（7）热过载继电器（8）电器柜（9）指示灯、转换开关、按钮（10）交流电压表、交流电流表、互感器（11）数码LED显示器（12）高稳定度开关电源（13）控制电源滤波器
3.4拟改造电机系统
需要进行变频改造电机如表3-1
表3-1需改造电机设备表
单位
序号
传统点
电机型号
功率（kw）
数量
合计功率
（kw）
3400
1
碎浆机浆泵
Y180L-4
22
4
88
纸机
2
碎浆机
Y355M-6
120
2
240
生产线
3
面碎浆机
Y315L-6
100
2
200
4
衬浆除渣器
Y225M-4
45
2
90
5
芯浆除渣器
45
2
90
6
复卷机
Y250M-4
50
1
50
7
压光机4个组缸
Y200L-4
30
4
120
8
真空泵纸机
Y225M-4
45
4
180
9
脉冲泵
Y180M-2
22
2
44
10
纤维分离机
Y225M-4
45
4
180
11
表磨（面浆）
75
2
150
12
芯磨（芯浆）
YSZM
110
3
330
13
压力筛
Y315M-6
90
2
180
14
大磨
Y355M1-6
165
2
330
15
引风机
Y200L-4
25
6
150
16
水厂空压机
Y250M-4
20
2
40
17
多机泵（车间）水泵
Y180L-4
20
4
80
18
浆泵（制浆楼二段）
Y180L-4
22
1
22
1880
1
主压
Y180M-4
22
1
22
2
大缸
Y180M-4
22
1
22
3
1组缸
Y180M-4
22
1
22
4
压榨
Y180M-4
22
1
22
5
2组缸
Y180M-4
22
1
22
6
330浆磨
Y180M-4
22
8
176
7
里提浆泵
Y200L2-6
30
4
120
8
里碎浆机
Y280M-6
50
1
50
9
面碎浆机
Y280M-6
50
1
50
10
纤维分离机
Y225M-6
45
1
45
11
浆渣分离机
Y250M-6
37
1
37
12
380浆磨
Y250M-6
37
4
148
1600
1
里浆碎浆机
Y250M-6
45
1
45
2
面浆碎浆机
Y250M-6
45
1
45
3
里浆磨380
Y250M-6
37
4
148
4
面浆磨
Y250M-6
37
4
148
5
里浆提浆泵
Y180M-4
22
3
66
6
面浆提浆泵
Y200M-4
30
1
30
7
一压
Y180M-4
22
1
22
8
二压
Y180M-4
22
1
22
9
压榨
Y200M-4
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