紙機干燥部熱力控制系統發展綜述

湯 偉 孫振宇 方 輝 楊潤珊 高 祥

(1.陜西科技大學電氣與信息工程學院,陜西西安,710021；2.陜西科技大學輕工與能源學院,陜西西安,710021)

·干燥部熱力控制·

紙機干燥部熱力控制系統發展綜述

湯 偉1孫振宇2,*方 輝2楊潤珊1高 祥2

(1.陜西科技大學電氣與信息工程學院,陜西西安,710021；2.陜西科技大學輕工與能源學院,陜西西安,710021)

本文著眼于紙機干燥部熱力控制系統,分別介紹了單缸紙機與多缸紙機干燥部的蒸汽冷凝水系統和氣罩通風系統的不同工藝流程、控制方案及控制算法,并通過對比分析闡述了各種方案的優缺點。最后討論了目前紙機干燥部熱力控制系統亟待解決的問題,并提出干燥部協同控制的新思想。

熱力控制系統;蒸汽冷凝水系統;氣罩通風系統;干燥部協同控制

隨著能源的短缺與價格的上漲,造紙工業中的能耗成本在生產總成本中所占比例越來越高[1]。在造紙過程中,干燥部具有蒸發脫除濕紙幅中殘留水分、提高紙張強度的作用,其能耗約占整個造紙生產過程的60%,所消耗的蒸汽量占制漿造紙生產過程汽耗總量的65%,所以提高干燥部能源利用成為降低紙機能耗和生產成本的重要環節[2-3]。而干燥部能耗主要來源于兩部分,一是烘缸內部(蒸汽冷凝水系統)能耗,另一個是烘缸外部(氣罩通風系統)能耗,所以對于烘缸內外部的研究都顯得尤為重要,其控制系統更是起著舉足輕重的作用。紙機按照烘缸的數量可分為單缸紙機和多缸紙機。干燥部只有一個大直徑烘缸的衛生紙機和部分特種紙機為單缸紙機,采用2～4組多烘缸干燥部的為多缸紙機[3]。單缸紙機干燥部熱力系統按烘缸內外部主要分為蒸汽冷凝水子系統及熱回收子系統；多缸紙機的則分為蒸汽冷凝水子系統及密閉氣罩子系統。

本文分別介紹了多缸紙機和單缸紙機的干燥部熱力控制系統。在多缸紙機中,由于干燥部的熱力控制較為復雜,蒸汽冷凝水系統的發展經歷了單段供汽(直接供汽)系統、多段供汽系統、熱泵供汽系統、多段供汽與熱泵供汽相結合的供汽方式等階段；密閉氣罩控制系統主要著眼于氣罩的露點控制、溫濕度控制及零位控制等方面。單缸紙機的蒸汽冷凝水子系統目前主要為基于熱泵的供汽系統取代老式的單缸調壓供氣系統,熱回收系統則采用類似于密閉氣罩控制系統的余熱多級回收來充分利用熱能。最后,根據干燥部熱力控制系統目前存在的問題提出了干燥部整體節能優化、協同控制的發展趨勢。

圖1 多段供汽系統熱力流程示意圖

1 多缸紙機干燥部熱力控制系統

1.1 蒸汽冷凝水系統

老式低速紙機一般采用單段供汽(直接供汽)系統。這種供汽系統中,新鮮蒸汽由蒸汽總管直接通到每個烘缸內,烘缸內的凝結水靠烘缸內蒸汽壓力由排水裝置排出。雖然這種系統調節烘缸溫度比較方便、系統簡單、對紙種適應性強,但由于無蒸汽循環、不凝氣體無法排出、烘缸內積水嚴重等缺點導致其無法滿足高速紙機的干燥要求[4-5]。現代的高速紙機一般采用多段供汽系統、熱泵供汽系統及多段供汽與熱泵混合供汽系統等供汽方案。

1.1.1 多段供汽系統

多段供汽系統屬于被動式蒸汽串聯供熱開式熱力系統。將干燥部烘缸進行分組,如圖1所示,前一段烘缸排出的吹貫蒸汽和冷凝水進入閃蒸罐,閃蒸出的二次蒸汽作為后一段烘缸的一部分加熱汽源,實現了能量的梯級利用。

根據文獻[6-7]，傳統多段供汽系統中的基本控制方案及算法主要有以下5個方面。

(1)高溫段烘缸進汽壓力控制回路,一般采用常規PID控制,這個壓力控制的成功與否直接影響到整個多段供汽方案的實現。

(2)各段烘缸的壓差控制回路,采用常規的PID控制各段烘缸進出口壓差,來維持各段烘缸所需的蒸汽推動力,緩解積水現象,壓差控制的調節流程如圖2所示。

(3)比值控制回路,烘缸進汽壓力與溫度呈線性關系,采用比值控制來確定各段烘缸間的進汽壓力比,從而使得各段烘缸溫度滿足紙張的干燥曲線,使其較平穩地被干燥。

(4)閃蒸罐的液位連鎖控制回路,利用自控系統使各段烘缸的閃蒸罐保持正常的液位,不使紙機各段烘缸對應的閃蒸罐間產生蒸汽串通,可以使蒸汽按其品位的高低,得到合理的使用,閃蒸罐液位連鎖控制流程如圖3所示。

(5)吹貫控制,通過調節排汽閥的開度穩定吹貫蒸汽的流量。因為在烘缸正常工作狀態下,吹貫蒸汽的流量變化與冷凝速率的變化呈線性關系。所以,穩定了吹貫蒸汽流量,就相當于穩定了烘缸內的壓力和冷凝速率。

圖2 壓差控制調節流程

圖3 液位連鎖控制流程

圖4 閉式熱泵供汽系統熱力流程示意圖

圖5 熱泵開度控制規律圖

根據文獻[4-5]、[8-9]可知，多段供汽系統合理地使用了不同質級的能量,達到了節能和改善工藝的目的。但由于其結構上的不足存在不利于單獨調節各段烘缸的供汽壓力和用汽量、熱力系統運行不正常、普遍存在著紙機烘缸積水現象等缺陷。

1.1.2 熱泵供汽系統

為彌補多段供汽系統的主要不足,熱泵技術得到了廣泛應用。根據文獻[4-5,10]可知，熱泵供汽系統利用蒸汽噴射式熱泵代替節流減壓,向各段烘缸供給所需品位和數量的蒸汽,利用蒸汽減壓前后的能量差來提高冷凝水二次蒸汽的品位供生產循環使用[8]。根據二次蒸汽的流向,熱泵供汽系統可分為開式熱泵供汽系統和閉式熱泵供汽系統,文獻[7]中對兩種供汽系統做了詳細的闡述。閉式熱泵供汽系統的熱力流程如圖4所示,與開式熱泵供汽系統相比,一個顯著區別是其二次蒸汽經由熱泵提升品位后只供本段烘缸使用,不足的部分通過補汽來實現而不是開式熱泵供汽系統的供下一段烘缸使用。因此,閉式熱泵供汽系統各段烘缸之間的聯系幾乎完全被切斷,相互之間的耦合作用小,容易控制。

根據文獻[11-12]熱泵供汽控制系統相較于多段供汽控制系統還需增加熱泵的低選控制，熱泵開度的動作規律如圖5所示,即動作選擇閃蒸罐出口管道孔板差壓控制回路和烘缸進汽壓力控制回路中理論輸出開度較小的數值的二倍作為熱泵調節器的輸出,即進行低端選擇,以盡可能多地利用二次蒸汽,減少新鮮蒸汽的消耗,達到節能的目的。

1.1.3 多段供汽與熱泵供汽相結合的供汽方案

多段供汽系統屬于被動式蒸汽串聯供熱系統,存在烘缸積水及由其導致的烘缸傳熱效率低、能耗增加等問題。在供汽系統中加入熱泵雖然在一定程度上解決了這些問題,但是當工況發生較大變化時,由于熱泵自身的調節范圍較窄,故失去作用。在不同的應用場合,兩種系統各有優缺點。根據文獻[13-14]，多段供汽與熱泵供汽相結合的供汽方案在解決了傳統三段供汽問題的同時加強了熱泵的作用,節能效果明顯,應用場合更加廣泛。

多段供汽與熱泵相結合的熱力流程為在高溫段、中溫段采用多段供汽方案,最大限度地回收利用二次閃蒸蒸汽；在低溫段采用熱泵供汽方案,以提高烘缸排水壓差并解決低品位二次蒸汽的回用問題,熱泵供汽方案同樣有開式和閉式系統可供選擇。多段供汽與兩種熱泵供汽系統的結合方案如圖6和圖7所示。

該系統所采用的控制方案與熱泵供汽系統基本相同。但是,欲使這一方案成功應用,必須對蒸汽冷凝水系統進行比較精確的熱力計算,以合理分配烘缸分組,規劃蒸汽流向,計算熱力管道直徑,設計控制方案等。關于熱力計算這一關鍵技術問題,文獻[13-14]給出詳細的計算過程,進行了詳細的蒸汽冷凝水系統熱力平衡計算。

1.2 密閉氣罩控制系統

在紙機干燥部中,烘缸外部(氣罩部分)占有30%～35%的貢獻率。其運行性能嚴重影響紙機運行效率、生產能耗和產品質量。隨著紙機車速的提高,氣罩形式逐漸從敞開式氣罩發展為半密閉氣罩再到密閉式氣罩。在高速紙機中,由于密閉氣罩具有熱回收效率高、進排風量較小、操作時溫濕度較高等優勢,在紙機中得到了廣泛的應用。

1.2.1 工藝流程

根據文獻[15-20],密閉氣罩通風系統的基本工作流程可描述如下：紙幅干燥過程產生的濕熱空氣通過密閉氣罩上部的匯風道進入第一級氣-氣熱回收裝置,進行余熱回收后送到第二級氣-氣熱回收裝置,繼續回收余熱；氣罩袋區送風系統將新風經第一級氣-氣熱回收裝置預熱后,再經冷凝水加熱器、蒸汽加熱器加熱至100℃左右,通過管道送入袋區吹風箱和紙幅進出口吹風箱；第二級氣-氣熱回收裝置用來預熱室外新風,再經蒸汽加熱器加熱后送至車間吊頂,加熱車間頂棚,防止頂棚在春冬季凝露滴水,或者送往紙幅進出口吹風箱,防止氣罩內外氣體之間發生對流；經余熱回收后的濕熱蒸汽經氣罩排風系統抽吸到車間之外。具體的密閉氣罩通風系統流程示意圖如圖8所示。

圖6 多段供汽與開式熱泵供汽系統結合熱力流程示意圖

圖7 多段供汽與閉式熱泵供汽系統結合熱力流程示意圖

圖8 密閉氣罩系統熱力流程示意圖

1.2.2 控制要點

根據文獻[15-20],密閉氣罩系統采用的控制要點主要有以下3點。

(1)氣罩零位控制。控制好氣罩零位是控制氣罩內溫濕度和平衡進出風量、節約能源、提高能源利用率的前提和關鍵,因此零位高度的控制非常重要,“零位”的高低取決于氣罩送風量和排風量的大小。

(2)排風露點控制。露點溫度越低,單位質量的空氣中含有的水蒸氣就越少,紙幅干燥的速度就越慢；露點溫度越高,單位質量的空氣中含有的水蒸氣就越多,紙幅干燥的速度就越快,加熱空氣需要的新鮮蒸汽就越多,余熱回收的負擔就越大。因此,排風系統的露點控制是保證密閉氣罩能否正常運轉、杜絕氣罩頂板凝露滴水的關鍵。

(3)送風溫度控制。干燥熱風的溫度越高,消耗的熱能就越多。同時,干燥熱風的能耗與送風量呈正比,而送風量與氣罩零位有關。因此,干燥熱風的溫度設定受制于氣罩的送風量和排風量,即與氣罩零位控制回路和排風露點控制回路存在耦合關系,不是一個簡單的單回路控制問題。

1.2.3 控制策略

(1)排風溫濕度選擇控制算法。對于這個復合控制回路,需要盡量提高排風溫度但又不超過上限值,采用高端選擇控制算法來保證實際排風溫濕度落在設定值區間范圍內,并使系統平衡點向紙幅蒸發效率提高的方向靠近。

(2)氣罩零位前饋反饋控制算法。考慮到氣罩進風量和排風量難以在線準確測量,而氣罩溫度容易在線獲得,所以這里以代表零位的壓差信號為反饋控制量,上層氣罩溫度平均值為前饋信號構成前饋-反饋控制回路,實現對氣罩零位的快速準確控制。

(3)氣罩熱風風溫分程控制算法。蒸汽冷凝水熱力系統的設計往往同密閉氣罩供熱系統的設計結合起來,以最大限度地利用余熱,達到節能減排的環保目的。新風進入通風管道后經過3片加熱器,加熱介質分別為蒸汽冷凝水、二次蒸汽和新鮮蒸汽。通過調節二次蒸汽與新鮮蒸汽閥門開度控制送風溫度。

圖9 單缸紙機干燥部能耗協同熱力流程示意圖

2 單缸紙機干燥部熱力控制系統

單缸紙機干燥部分為蒸汽冷凝水子系統和熱回收子系統。在單缸紙機中,只有1個大直徑烘缸,所以干燥部的結構相對簡單,主要設備包括揚克烘缸、流量調節熱泵、閃蒸罐、熱交換器和加熱器等,其干燥部熱力流程如圖9所示。

2.1 蒸汽冷凝水子系統

采用帶有熱泵的蒸汽冷凝水系統取代傳統的由疏水閥被動排水的系統可以有效地解決烘缸積水問題、改善系統傳熱效率、節約蒸汽用量,從而達到節能減排的目的[21-22]。新鮮蒸汽進入烘缸進行加熱,產生的冷凝水進入閃蒸罐,閃蒸出的二次蒸汽在可調熱泵內與新鮮蒸汽混合,提升品位后進入烘缸,不足部分由新鮮蒸汽補足。閃蒸罐產生的冷凝水進入下一級閃蒸罐,后者產生的冷凝水與二次蒸汽進入熱回收子系統進行回收利用。

單缸紙機蒸汽冷凝水子系統采用的控制方案與多缸紙機蒸汽冷凝水大體相同,根據系統流程示意圖(圖9)，主要控制要點如下。

(1)烘缸進、出口差壓控制。進、出口差壓是避免烘缸積水,保證烘缸正常運行的重要指標。

(2)可調熱泵低選控制回路。可調熱泵通過對來自閃蒸罐的二次蒸汽提升品位回收利用的方法方式節約熱能。本回路采取分程控制的方式,與烘缸補氣閥進行連鎖,保證二次蒸汽最大利用率,節能降耗。

(3)閃蒸罐蒸汽出口差壓控制回路(吹貫控制)。閃蒸罐出口蒸汽差壓直接反映了烘缸內吹慣蒸汽量,是解決烘缸積水問題的一項重要措施。

(4)閃蒸罐液位連鎖控制回路。閃蒸罐容積較小,當紙機啟動或者運行狀態發生變化時,容易產生大量冷凝水,而閃蒸罐排水閥排水能力有限,會發生閃蒸罐滿水狀況。

2.2 熱回收子系統

新風由抽風機吸入到氣罩系統風道內,進入第一個加熱器中預熱,經過預熱的溫空氣經過系統中后面3個換熱器將溫度提升到所需要的工作溫度后進入氣罩內對紙幅進行加熱。其中第一個換熱器使用氣罩排出的濕熱空氣進行加熱,第二、第三個換熱器使用閃蒸罐冷凝水、二次蒸汽加熱,最后由新鮮蒸汽將熱風加熱到工藝所需溫度,整個過程高效地利用了二次蒸汽與冷凝水,節約了汽耗。

外部冷風經循環風機進入氣罩通風系統內,經過濕熱蒸汽預熱、冷凝水加熱器加熱后,由后2個加熱器協同加熱到所需溫度。2個加熱器控制回路采用分程控制算法協同控制送風溫度達到所要求的穩定值：2個加熱器的進熱介質分別用1只閥門控制,控制算法為PID/PI,但控制回路設定值為同一數值；只有當二次蒸汽加熱器的調節閥全開時,新鮮蒸汽加熱器的閥門才開始打開。

3 干燥部能耗協同控制系統

能耗協同控制,即綜合考慮蒸汽冷凝水系統與氣罩通風系統的能量消耗,實現二次熱能的循環綜合利用控制,以達到進一步降低干燥部能耗的目的。由以上紙機干燥部的發展歷程可以看出,無論是單缸紙機還是多缸紙機,其蒸氣冷凝水系統及氣罩通風系統皆發展到了比較成熟的階段,單個系統的能耗也趨于穩定。但是立足于降低紙機干燥部整體的能耗,不但要提高蒸汽冷凝水系統(烘缸內部)的干燥效率,而且還要考慮氣罩通風系統(烘缸外部)內的濕熱蒸汽的排放和熱能的回收利用問題。然而,蒸汽冷凝水系統供應商和密閉氣罩設備供應商各自只考慮自己的供汽方案,不考慮二者之間的能量綜合利用問題,導致了蒸汽能量的大量浪費。所以,研究紙機干燥部蒸汽冷凝水系統與氣罩通風系統的協同控制策略將成為紙機節能的新發展趨勢,并且意義重大。

3.1 工藝流程

無論單缸紙機還是多缸紙機,其干燥部的蒸汽冷凝水系統(烘缸內部)均會產生大量的二次蒸汽以及蒸汽冷凝水,而烘缸外部的氣罩通風系統又需要大量熱源將冷風加熱到一定溫度通入氣罩內部以改善紙張的干燥環境。將蒸汽冷凝水系統產生的這部分二次蒸汽及冷凝水用于氣罩通風系統,作為冷空氣加熱器的熱源,即干燥部能耗協同,圖10所示為干燥部能耗協同熱力流程。目前我國新上紙機生產線大部分采用這種方式進行余熱余能的回收利用。干燥部能耗協同可以回收利用二次能源,干燥部能耗協同控制策略的研究不僅可以保證能耗協同方案的實現,而且有利于實現紙機干燥部整體節能降耗的全局優化,最大化地節約能源[23-26]。

圖10 紙機干燥部能耗協同熱力流程示意圖

3.2 優化方案

紙機干燥部屬于復雜工業過程,為了解決干燥部的節能控制、全局優化等問題,國內外學者進行了大量的研究工作：在蒸汽冷凝水系統中有熱泵的應用、烘缸內部的熱力平衡計算等研究方向；在氣罩通風系統中應用各種優化算法對控制策略進行優化以達到節能的目的；此外還有相當一部分學者針對烘缸內部及外部進行了熱力學模型的建立。這些工作在機理分析的基礎上,開展干燥過程的建模和優化控制研究,成果的工業應用對穩定生產、提高產品產量與質量發揮了重要作用。然而,在紙張干燥過程中,蒸汽冷凝水系統與氣罩通風系統存在能量的交互,并且干燥部結構、熱力流程較為復雜,導致干燥過程的建模和操作參數的優化調整極其困難。隨著網絡技術的快速發展以及基礎自動化水平的大幅提升,紙張干燥過程中積累了大量工業運行在線數據及離線數據,其中包含了豐富的反映生產運行規律和工藝參數之間關系的潛在信息,為生產過程的優化控制提供了有利條件。因此,針對紙張干燥過程的特點,充分利用生產過程長期運行積累的工業數據,研究基于數據驅動的操作模式優化方法,具有很強的研究意義和應用前景[27-28]。

紙張干燥過程經過長期的工業運行已經積累了大量的數據,這些數據包括輸入輸出數據及其他的相關工藝參數數據,針對這部分數據,應用神經網絡及模糊理論等方法可以建立干燥部熱力學模型,以彌補傳統機理建模準確性不足、適應性不強等缺點；為了實現干燥部的全局節能降耗,根據建立的熱力學模型,應用數學規劃法建立能耗優化模型并應用遺傳算法等優化算法對優化模型進行求解以得到最優的控制策略；能耗優化模型不易建立時,可以采用基于數據的操作模式優化方法,即：從實際生產中積累的大量紙張干燥過程運行數據中挖掘出優化操作模式,建立優化操作模式庫,并根據當前的工業運行狀態,庫中尋找與之最匹配的操作模式。

4 結 語

本文對我國普遍應用的兩種紙機,即單缸紙機和多缸紙機的干燥部熱力系統典型工藝流程及控制方案及控制算法進行了歸納總結。因為多缸紙機干燥部結構較為復雜,隨著紙機車速及對能耗控制要求的提高,其蒸氣冷凝水系統的發展趨勢為單段供汽-多段供汽-熱泵供汽-多段供汽與熱泵相結合等熱力控制系統,功能日趨完善,能耗控制水平不斷提高。由于氣罩部分對于紙張干燥的貢獻率高達30%左右,所以對于氣罩部分的研究同等重要,研究蒸氣冷凝水系統及氣罩通風系統相結合的能耗協同系統已成為必然趨勢,而對于能耗協同系統的控制策略研究顯得尤為重要。目前紙機能耗問題已然成為造紙行業的熱點問題之一,無論對于蒸汽冷凝水系統還是氣罩通風系統都有大量的文獻進行了相關研究,并且取得了一定的成果,但仍有些不足之處需要完善。結合目前紙機干燥部存在的問題,歸納出紙機干燥部熱力控制系統未來的發展趨勢主要有以下4個方面。

(1)控制策略方面。截至目前都是對兩部分熱力控制系統進行分開研究,顧此失彼,無法做到綜合考慮整個干燥部熱力系統、對紙機耗能最大的部分進行整體能耗優化。所以需要整體優化代替局部優化,即干燥部能耗協同控制。

(2)硬件設備方面。熱泵供汽系統的節能效果與熱泵尺寸設計密切相關,提高并保持較大的熱泵噴射系數是熱泵設計的關鍵。熱泵結構設計過程復雜,很多結構參數是依據經驗來判定,熱泵性能得不到有效保證。可以建立熱泵性能指標與結構尺寸模型,進行優化并得出最優結構尺寸。

(3)熱量回收方面。氣罩通風系統排出的濕熱空氣在預熱新風后仍具有一定的熱量殘余,但是目前并沒有對其進行熱回收的方案,而是直接將其排入大氣,不僅浪費了能源,還對環境造成了一定的污染。可以找到對這部分能源進行回收利用的辦法,減少浪費。

(4)優化策略方面。由于紙張干燥過程復雜,生產過程長期運行積累了大量的在線及離線數據,因此研究基于數據驅動的操作模式優化方法,具有很強的研究意義和應用前景。

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(責任編輯：馬 忻)

A Survey on the Progress of Thermodynamic Control System of Paper Machine Dryer Section

TANG Wei1SUN Zhen-yu2,*FANG Hui2YANG Run-shan1GAO Xiang2

(1.CollegeofElectricalandInformationEngineering,ShaanxiUniversityofScienceandTechnology,Xi’an,ShaanxiProvince, 710021;2.CollegeofLightIndustryandEnergy,ShaanxiUniversityofScienceandTechnology,Xi’an,ShaanxiProvince, 710021)(*E-mail: 18710832955@163.com)

Thermodynamic control system of paper machine dryer section was reviewed in this paper, various technologies control schemes and control algorithms of the steam condensate system and the ventilation system of dryer section in paper machine or multi-cylinder were introduced, and their advantages and disadvantages were compared. Then the challenge forced by the further development of thermodynamic control system was pointed out. The new idea of collaborated control to solve the problem was put out in the end of the paper.

thermodynamic control system; steam condensate system; hood ventilation system; cooperation control of dryer section

2016- 05- 06(修改稿)

陜西省重點科技創新團隊計劃項目(2014KCT-15)；咸陽市科技計劃項目(2012K03- 01)；陜西省教育廳重點實驗室科研計劃項目(15JS013)。

湯 偉先生，博士，教授；研究方向：工業智能控制及工業高級過程控制。

TS755

A

10.11980/j.issn.0254- 508X.2017.02.012

*通信作者：孫振宇,在讀碩士研究生。