从纸浆动量回收能量的涡轮机控制系统技术方案

提供了用于在纸、薄纸、板等的制造过程中回收能量的系统和方法。穿过由成形辊(110)驱动的成形网而注射的水由导板(105)引导至涡轮机(140)中，涡轮机驱动马达(210)产生电。马达可以由功率控制系统(220)控制，功率控制系统可以控制马达的速度，并且通过扩展，控制涡轮机的速度。功率控制系统可以将电力从库/源发送至马达(驱动涡轮机)和/或将电力从马达发送到库/源。各种方法包括操作包括用于从成形部回收能量的装置的造纸机。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术总体上涉及回收制造纸制品过程中使用的能量。
技术介绍
纸、薄纸、板和其它基于纤维素的产品通常由悬浮液(例如，纤维素在水中的悬浮液，下文称为：纸浆(stock))制造而成。流浆箱可以在围绕导辊被驱动的成形网(例如，多孔金属丝网或布)的环与通常围绕成形辊被驱动的织物(例如，毡或另一种成形网)的环之间注射纸浆。施加到纸浆的力(例如，通过流浆箱、成形网、织物或辊)使得水穿过成形网，以在成形网与织物之间形成纤维素网。在纸浆穿过成形网时大量高速的水从纸浆喷出。从这样的纸浆回收能量可以提高造纸效率。美国专利No.6,398,913描述了一种用于在造纸机成形部中回收能量的布置和方法，其中通过驱动发电机的涡轮机回收传递到纸浆的动能。提高能量回收装置的可靠性和/或效率可以减少物主的总体成本并且降低造纸过程中的能量损耗。
技术实现思路
在造纸机的成形部传递给纸浆的动能可以用能量回收装置回收。能量回收装置可以包括涡轮机(例如Banki、Kaplan、Francis或者Pelton涡轮机)。涡轮机可以联接到电马达，电马达可以在第一时间作为马达运行，在第二时间作为发电机运行。当水穿过成形网进行喷射时，可以用导板将水引导到涡轮机。喷射的水可以使涡轮机旋转，从而驱动马达产生电功率。功率控制系统(PCS)可以配置成通过控制电库/源与马达之间的电功率的流动来控制马达的速度(并且通过扩展控制涡轮机的速度)。PCS可以用变频器(例如当使用交流(A/C)马达时)控制电力的流动。PCS可以用功率转换器(例如当使用直流(D/C)马达时)控制电力的流动。一些实施例包括在A/C电力与D/C电力之间转换的逆变器。可以控制马达(例如通过改变由马达驱动的负载)使得涡轮机以有效产生电功率的具体每分钟转数(rpm)旋转马达。通过将涡轮机的切向速度控制为冲击涡轮机的过滤纸浆的速度的期望部分，可以将从过滤纸浆到涡轮机的动量的机械传递最大化。可以控制涡轮机以流出流浆箱的纸浆的“喷射”速度的期望部分来旋转，该速度的期望部分可以是流浆箱的压力和出口尺寸的函数。在一些情况下，可以控制涡轮机以成形辊的速度的期望部分旋转(例如实现与成形辊的切向速度有关的涡轮机的特定切向速度)。功率控制系统可以配置成将涡轮机的切向速度控制成在喷射速度的大约20％-70％之间，包括30％-60％之间，包括35％-50％之间。通过设计系统使得当涡轮机叶片对于进入的喷射以机械高效的速度运动时马达以电高效的rpm旋转，可以最大化能量转换(从注射纸浆的能量到库/源处的电流)的总效率。在一些实施例中，可以设计马达参数(规定速度、极数)、几何因素(成形辊直径、涡轮机直径、涡轮机与马达之间的啮合)和工艺因素(成形辊切向速度、涡轮机切向速度、纸浆注射速率、纸浆体积流率等)的合适组合以配合使效率和可靠性最大化。该组合可以导致马达以电高效的rpm旋转，同时涡轮机以切向速度旋转，该切向速度使从冲击水到涡轮机的动量传递最大化。优选地，选择各种参数(例如，涡轮机与马达之间的啮合、涡轮机直径等，或者甚至设计消除啮合的需要)使得当涡轮机以切向速度旋转时，马达以被设计(以作为马达运行)的rpm旋转，该切向速度是接近水进入涡轮机的速度的50％(例如+/-5％，诸如40％-50％)。功率控制系统可以确保在操作期间各种速度保持在其最佳的值。通过使用马达作为发电机，控制马达以效率高时的期望rpm旋转，并且设计系统使得当马达以电高效的rpm运行时涡轮机也以机械高效的rpm旋转，可以最大化总的能量转换效率。控制马达的rpm(在将其作为发电机运行时)可以使得能够使用设计成电马达的装置(而不是设计成发电机本身的装置)。这样的系统可以提供高效率，并且可以以比之前的系统更低的总成本实施。可以用马达而不是发电机来提高客户采用率。电马达可以具有期望的马达rpm，尤其是其发电效率优选接近最大时的rpm。涡轮机和马达可以配置(例如用涡轮机直径、喷射速度、成形辊速度，涡轮机与马达之间的联接等)成使得当涡轮机的切向速度在喷射速度的大约20％-70％之间，包括在30％-60％之间，包括在35％-50％之间时，电马达以期望马达rpm的30％之内，包括在20％之内，尤其在10％之内，包括在5％之内的rpm旋转。期望马达rpm可以是马达的标准运行速度。功率控制系统可以配置成控制马达的速度使得实际马达rpm与期望马达rpm(例如标准运行速度)之间的偏离不超过期望马达rpm的20％，包括10％，包括5％。在一些实施例中，喷射速度是大约13-40m/s，尤其是17-37m/s，尤其是23-36m/s。方法可以包括根据冲击涡轮机的白水流的进入速度来控制涡轮机的切向速度以最大化能量回收的效率，尤其是将涡轮机的切向速度保持在白水流的进入速度的大约30％与60％之间。进入速度可以在流浆箱喷射的水的喷射速度和/或成形辊的切向速度的大约70％至90％之间，包括75％至85％之间，包括大约77％至83％之间。通常，计算机辅助设计(CAD)和建模(例如有限元建模(FEM))工具可以用于模拟运行，使得可以预测进入白水的速度(从成形网进入到涡轮机的速度)。白水速度可以通常在喷射速度的70％与90％之间，包括75％与85％之间，包括78％与82％之间。基于预测的进入白水速度、预测的涡轮机速度(根据该白水速度)和得到的能量回收效率，装置可以被设计(例如选择涡轮机半径)为具有最佳能量回收。在一些情况下，可以进行涡轮机速度(例如通过马达速度的控制)的精细调节(与来自涡轮机的电力的测量配合)以“精细调整”能量回收(例如最大化获取能量的效率)。在实施例中，流浆箱以喷射速度喷射纸浆，喷射速度在大约25m/s与34m/s之间，包括大约27m/s与32m/s之间。在实施例中，流浆箱以喷射速度喷射纸浆，喷射速度在大约13m/s与40m/s之间，包括大约17m/s与37m/s之间，包括大约23m/s与36m/s之间。功率控制系统可以配置成将涡轮机的切向速度控制在喷射速度的大约20％-70％之间，包括30％-60％之间，包括35％-50％之间。功率控制系统可以配置成将涡轮机的切向速度控制在大约9m/s与15m/s之间，包括大约10m/s与14m/s之间，包括大约11m/s与13m/s之间。在一些情况下，可以驱动马达以在使用之前(例如在从流浆箱注射纸浆之前)“加速”涡轮机，这会减小对涡轮机的损害和/或磨损。可以控制马达响应于振动(例如来自振动传感器)而调整涡轮机速度，如果组件正在振动、共振或者另外地处于在特定速度下受损的危险，则加速或减慢涡轮机。某些实施例包括联接到马达的涡轮机，马达配置成驱动涡轮机(例如启动涡轮机)。联接到电库/源的功率控制系统控制电功率到马达的流动，电功率驱动涡轮机。一些实施例包括传感器，一些实施例不包括传感器。各方面提供用于从造纸机的成形部回收能量的装置。造纸机可以包括围绕导辊而被驱动的成形网环，围绕成形辊而被驱动的织物环，和配置为将纸浆注射到由成形网和织物环形成的移动夹层中的流浆箱。装置可以包括联接到马达的涡轮机(例如通过轴、链、带、齿轮等)。在运行期间，导板可以将穿过成形网喷射的水引导至涡轮机，使得马达发电。联接到本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于从造纸机(100)回收能量的装置(200、200'、200”)，所述造纸机包括成形网环(130)、织物环(132)和流浆箱(101)，其中所述成形网环(130)围绕导辊(120)而被驱动，所述织物环(132)围绕成形辊(110)而被驱动，所述流浆箱(101)被配置为将纸浆(108)注射到由所述成形网和所述织物环形成的移动夹层中，所述装置包括：涡轮机(140)，联接到电马达(210、210')，所述马达配置成：在第一时间，使用电功率驱动所述涡轮机；以及在第二时间，所述马达被涡轮机驱动以产生电功率；传感器(221)，配置成确定所述涡轮机的速度，尤其确定涡轮机的每分钟转数和涡轮机的切向速度(140')中的至少一个；电库/源(250、350、450)；以及功率控制系统(PCS)(220)，联接到所述库/源、所述传感器和所述马达，所述PCS配置成通过调节所述库/源与所述马达之间的电功率的流动来控制所述涡轮机的速度。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.07.09 SE 1450882-41.一种用于从造纸机(100)回收能量的装置(200、200'、200”)，所述造纸机包括成形网环(130)、织物环(132)和流浆箱(101)，其中所述成形网环(130)围绕导辊(120)而被驱动，所述织物环(132)围绕成形辊(110)而被驱动，所述流浆箱(101)被配置为将纸浆(108)注射到由所述成形网和所述织物环形成的移动夹层中，所述装置包括：涡轮机(140)，联接到电马达(210、210')，所述马达配置成：在第一时间，使用电功率驱动所述涡轮机；以及在第二时间，所述马达被涡轮机驱动以产生电功率；传感器(221)，配置成确定所述涡轮机的速度，尤其确定涡轮机的每分钟转数和涡轮机的切向速度(140')中的至少一个；电库/源(250、350、450)；以及功率控制系统(PCS)(220)，联接到所述库/源、所述传感器和所述马达，所述PCS配置成通过调节所述库/源与所述马达之间的电功率的流动来控制所述涡轮机的速度。2.如权利要求1所述的装置，其中：在所述第一时间，所述PCS将电力从所述库/源发送到所述马达；以及在所述第二时间，所述PCS将所述马达产生的电力发送到所述库/源。3.如权利要求1和2中的任一项所述的装置，其中：所述流浆箱以喷射速度(109)注射所述纸浆；以及所述PCS配置成将所述涡轮机的切向速度(140')控制在所述喷射速度的大约20-70％之间，包括30-60％之间，包括35-50％之间。4.如权利要求3所述的装置，其中：所述电马达具有期望的马达rpm，尤其是所述电马达的发电效率接近最大、优选是最大时的rpm；以及所述涡轮机和马达配置成使得，当所述涡轮机的切向速度在所述喷射速度的大约20-70％之间，包括30-60％之间，包括35-50％之间时，所述电马达以在所述期望的马达rpm的30％之内，包括20％之内，尤其10％之内旋转。5.如权利要求4所述的装置，所述期望的马达rpm包括所述马达的标准化运行速度。6.如权利要求3-5中的任一项所述的装置，其中，所述喷射速度是大约13-40m/s，尤其是17-37m/s，尤其是23-36m/s。7.如权利要求1-6中的任一项所述的装置，其中，所述PCS包括控制器(230)，所述控制器配置成控制所述马达的速度，使得所述期望的马达rpm与实际的马达rpm之间的偏差不超过所述期望的马达rpm的20％，包括10％，包括5％。8.如权利要求1-7中的任一项所述的装置，其中，所述传感器包括以下之中的至少一个：编码器；并入到所述马达中的传感器；以及并入到所述PCS中的传感器。9.如权利要求1-8中的任一项所述的装置，其中，所述马达包括永磁马达。10.如权利要求1-9中的任一项所述的装置，其中，所述PCS包括以下之中的至少一个：变频器(240)，通过改变在所述库/源与所述马达之间流动的电功率的频率来控制所述涡轮机的速度；以及功率转换器(240')，通过控制在所述库/源与所述马达之间流动的电功率来控制所述涡轮机的速度。11.如权利要求1-9中的任一项所述的装置，其中，所述PCS包括至少一个变频器(240)，所述变频器(240)通过改变在所述库/源与所述马达之间流动的电功率的频率来控制所述涡轮机的速度，所述变频器包括：第一变频器(242)，配置成将电力从所述库/源发送至所述马达；以及第二变频器(244)，配置成将电力从所述马达发送至所述库/源。12.如权利要求11所述的装置，其中，所述第一变频器的最大功率容量小于所述第二变频器的最大功率容量，优选小于所述第二变频器的最大功率容量的50％，优选小于其的20％，优选小于其的10％，优选小于其的5％。13.如权利要求11和12中的任一项所述的装置，其中，所述第一变频器具有小于100kW的最大功率容量，优选小于50kW，优选小于20kW，优选不大于10kW，所述第二变频器的最大功率容量是至少100kW，优选至少300kW，优选至少600kW，优选至少800kW。14.如权利要求1-9中的任一项所述的装置，其中，所述PCS包括至少一个功率转换器(240')，所述功率转换器通过改变在所述库/源与所述马达之间流动的电功率的频率来控制所述涡轮机的速度，所述功率转换器包括：第一功率转换器(242')，配置成将电力从所述库/源发送至所述马达；以及第二功率转换器(244')，配置成将电力从所述马达发送至所述库/源。15.如权利要求10-14中的任一项所述的装置，其中，所述变频器和所述功率转换器中的至少一个包括传感器。16.如权利要求1-15中的任一项所述的装置，其中，所述马达具有导致标准化运行速度的极数，以每分钟转数(rpm)为单位，标准化运行速度是3000rpm、1500rpm、1000rpm、750rpm、600rpm、500rpm、430rpm和375rpm中的一个。17.如权利要求1-16中的任一项所述的装置，其中，所述PCS包括控制器(230)，所述控制器(230)配置成优选使用包括传感器的闭环控制来控制所述涡轮机的速度，使得所述涡轮机以期望的每分钟转数(rpm)运行，优选其中，控制的rpm的公差在期望的rpm的10％以下，优选在5％以下，优选在3％以下，优选在1％以下，优选在0.5％以下，优选在0.1％以下。18.如权利要求1-17中的任一项所述的装置，还包括配置成感测所述成形辊的速度的成形辊传感器(221')，并且其中，所述PCS进一步配置成与所述成形辊的速度有关来控制所涡轮机的速度。19.如权利要求1-18中的任一项所述的装置，其中，所述马达和所述涡轮机通过联接器(142)联接，所述联接器(142)使得所述马达和所述涡轮机以相同的rpm旋转，尤其其中所述联接器不包括齿轮箱。20.如权利要求1-19中的任一项所述的装置，其中：所述流浆箱以喷射速度(109)注射所述纸浆，所述喷射速度在大约25m/s与38m/s之间，尤其在大约26m/s与36m/s之间，尤其在大约27m/s与34m/s之间；以及所述PCS配置成控制所述涡轮机的切向速度(140')在大约9m/s与15m/s之间，包括在大约10m/s与14m/s之间，包括在大约11m/s与13m/s之间。21.如权利要求1-20中的任一项所述的装置，还包括配置成感测所述涡轮机的振动的振动传感器(222)，优选地加速计，其中，所述PCS还配置成响应于从所述振动传感器接收的数据调整所述涡轮机的速度。22.一...

【专利技术属性】
技术研发人员：A·约翰松，S·埃尔格，PI·本特松，
申请(专利权)人：维美德股份公司，
类型：发明
国别省市：瑞典;SE