纸机干燥部控制系统流程设计分析

程栋

（天津科技大学天津市制浆造纸重点实验室，天津，300457）

纸机干燥部控制系统流程设计分析

程栋

（天津科技大学天津市制浆造纸重点实验室，天津，300457）

本文介绍了造纸机干燥部的研究与发展历程以及目前正在使用的几种纸页干燥方式，分析了在纸机干燥过程中用热泵取代常规的节流减压元件的优点和纸机烘干部热泵流程开、闭环的基本原理及基本应用实例。

纸机干燥部 节能 控制系统 流程设计

1 引言

为了生产高档纸和提高纸的产量，目前高速纸机已成为研究的热点。 造纸机干燥部是制约车速上升的瓶颈之一，因此，为适应高速纸机的运行有必要对纸机干燥部进行研究。 干燥部是造纸过程中主要的耗汽工段之一，目前，我国造纸工业的能耗占造纸成本的15%左右，随着能源价格的不断上涨和能源的短缺，该比值进一步呈上升趋势。因此，对干燥部控制系统进行研究改造，提高蒸汽的利用效率，降低能耗，就可以节约大量的能源和资金，同时也可以改善纸张的质量，运行稳定，操作管理方便，并可以适应产品品种变化。

2 造纸机干燥部的基本原理及发展

纸幅在造纸机的网部成形并在压榨部脱水以后，尚有60%～80%的水分需要在造纸机干燥部通过加热、蒸发、扩散的方法进一步脱去，使纸幅达到成品所需的ECD左右的干度。纸页干燥分为接触式干燥和无接触式干燥，可以采用几种不同方法，即烘缸接触式干燥法、高速热风干燥、穿透干燥的空汽干燥法以及红外线或高频电流干燥法等无接触干燥法。纸幅的接触干燥是将纸幅紧贴在被加热的物体表面上进行水分蒸发达到干燥目的的，其干燥过程可分为 三个阶段：升温、恒速干燥和降速干燥。升温阶段很短，可以忽略，恒速干燥阶段大约占总干燥时间的50%～65%，是干燥的主要阶段。在此阶段中，纸幅表面的温度和蒸发速度保持不变。 圆网造纸机上使用简单的一段通汽的方法供给烘缸蒸汽，烘缸内的冷凝水是靠烘缸内蒸汽的压力通过排水装置排出的。 一段通汽供热系统是指纸机干燥部全部使用新蒸汽进行工作的，蒸汽压力和蒸汽量是由每段或每个烘缸所采用的阀门进行节流减压来调整蒸汽的，此时热能没有得到合理充分的利用，致使吨纸耗汽量增大，生产成本高，且还容易造成烘缸内积水。高速单面光薄页纸机上的大烘缸就耗用了大量的蒸汽，同时，为了改善大烘缸内冷凝水的排出和提高其热效率，尚有一部分蒸汽随同冷凝水排出缸外。为了充分利用蒸汽，大烘缸一般采用蒸汽再循环的供汽系统。纸机干燥系统原理如图1所示。

图1 纸机干燥系统原理图

3 纸机干燥部供热系统

蒸汽喷射式热泵供热系统是近几年来在国内外成功应用的新的供汽方式。它使蒸汽能量得到了合理的利用，应用于纸机的纸页干燥，有效地解决了传统的三段供汽中烘缸积水的痼疾，成功降低吨纸耗汽量，取得了明显的经济效益和社会效益。

3.1 纸机干燥系统组成

1760 纸机干燥部热泵供热系统由4台热泵、3个闪蒸罐和1个冷凝水罐组成，如图2所示。要使系统正常工作，达到理想的烘缸表面温度曲线，必须对各热泵出口压力、各闪蒸罐及冷凝水罐液位及入口蒸汽压力进行控制，并对系统的工作状态进行监视，对一些参数如闪蒸罐的压力等进行监测。

3.2 测控系统功能

测控系统组成如图2所示，它所具备的功能如下：(1)监测:对供热系统运行的压力、流量、温度等12个参数进行巡回检测，并在显示屏上实时显示出来，以便操作人员及时了解系统的运行状态。(2)控制:对供汽压力(5路)、闪蒸罐液位(4路)及换热器温度(1路)进行PID控制，并配有手操器，可方便地进行手动、自动切换，提高了系统的灵活性和可靠性。(3)累计:对总供汽管道的蒸汽流量值进行累计及记录，为车间的考核及管理提供可依据。(4)打印:可根据要求进行随时打印、整时打印、整日打印及整月打印，产生各种报表。(5)上位机管理:上位机管理具备两个功能，一是将下位机送来的各运行参数进行显示打印，提高车间级的管水平;二是将存入的各纸种所对应的最佳运行数据在改变纸种时提出，并立即送到下位机，调整好各控制参数的设定值，使整个系统很快地进入到新的最佳作状态，以满足市场生产变化的要求。

图2 控制系统组成示意图

4 热泵供汽

热泵通汽法是用热泵代替阀门节流减压执行器。热泵是从较低温度的热源吸热，通过输入能量以较高温度排出热量的一种装置，它由喷嘴、接收室、混合室和扩散室组成，是一种没有运动部件的热力压缩器。高压蒸汽P1通过喷嘴减压增速形成一股高速低压气流，带动低压蒸汽P2运动，使其进人接收室、混合室和扩散室，两股共轴蒸汽的速度都得到均衡，同时混合蒸汽的速度降低，压力提高，得到中压蒸汽P3。热泵利用蒸汽减压前后的能量差使工作蒸汽在减压过程中将闪蒸罐的压力提高并提供给纸机使用。同时，闪蒸罐内的压力因为热泵的抽吸得以降低，增大了纸机的排水压差。热泵供热系统是一种主动式多级并联供热系统，热泵在每一组烘缸中自成体系，二次蒸汽在热泵的抽吸过程中循环使用，热能得到了充分利用，解决了传统串联式三段供热上下段之间相互影响的问题，同时使各组烘缸的温度曲线调节十分方便。

4.1 流程的开环与闭环分析

采用上述的蒸汽供热法的纸机在干燥过程中烘缸内的蒸汽凝结后冷凝水会通过闪蒸罐的闪蒸产生二次蒸汽，并全部或部分送回原系统，从而使热力系统形成了一个自然的蒸汽环路，以热泵供汽为例，如果在热泵的引射流体管线或出口流体管线上开有支路，则会因支路的位置不一、多少不同而导致蒸汽在循环路线上变化，形成各种不同结构特点的循环流程。根据循环流程的特点(从系统的角度)，我们可以将其归纳为开环与闭环流程两大类型。

4.2 闭环流程

这是一种较为理想的流程，其特点是离开系统的低品位蒸汽被热泵全部回收，且提高品位之后又被全部送回原系统，被原系统所完全利用，通过热泵使引射流体和压缩流体一起形成一个完全封闭的、除工作流体外与环境再无其它质量交换的蒸汽环路。如果该类流程在工程上得以完全实施，那末该类热泵流程的热力学参数将是最理想的。

4.3 开环流程

这类流程从理论上讲不如闭环流程优越，因为离开系统的二次蒸汽不能被热泵完全回收，或被热泵完全回收升压后不能被全部返回原系统。这对于热泵所处的环路系统来说热能的有效利用率和闭环流程相比肯定有所下降。但从工程角度讲，它比闭环流程更有使用价值，流程也将有更大的灵活性。此类流程的特点是离开系统的低品位蒸汽在引人热泵之前或经热泵压缩之后即产生分支，形成不同形式的开环结构。在开环流程中因这种分支的存在，一方面增加了流程的复杂性，另一方面则起到了平衡热能回收与利用之间矛盾的作用。换句话来说，对于确定的热力学系统，开环流程仅能回收被系统利用的那一部分能量，或者说被热泵回收，开环流程的能量仅能将被原系统所利用的那一部分能量送回系统。在实际应用中，我们应根据生产的实际需要和过程的工艺条件来选择合适的循环流程以取得较好的设计效果。

4.4 实例分析

如何对各种热泵流程进行有效地工况分析，以取得可供选择与比较的热力学数据及其它工程参数，在1997第3期的《节能技术》中周大军进行了专门研究，下面就其在纸张干燥过程的应用进行分析。热泵在纸张干燥过程中典型的闭环流程，该系统由热泵、闪蒸罐及冷凝水回收等相应配套的自控装置组成，各段独立供汽，本段闪蒸罐产生的二次蒸汽为本段循环使用，各段间参数相互无藕合，参数调整比较容易。该系统除由闪蒸罐排出的水带走热量外再无其它的能量交换。热泵在纸张干燥过程中典型的开环流程，该流程与闭式的相比，在低温段热泵抽吸混合后的中压蒸汽有部分被送到流浆箱系统。从流程效率角度讲，闭环热泵流程是最理想的流程，开环热泵流程则不及闭环热泵流程。从工程实施角度讲，开环热泵流程比闭环热泵流程有更大的自由度。从而也更有实用价值。对于闭环热泵流程，由于蒸汽环路的闭合特性，使得进出热泵的物流参数在确定的工艺条件下几乎没有选择的余地。而对开环热泵流程而言，由于蒸汽环路的非闭合性使得进出热泵的物流参数获得了一定的调节余地，从而使热泵的流程设计也获得了一定的自由度，为热泵流程的工程实施提供了可能性。对于不同结构的开环流程，其可调参数的数目、可调幅度及其变化规律都有所不同。

5 结束语

纸机干燥部的发展有两个方向。 一是对于烘缸接触干燥应继续对热泵供热系统和虹吸管进行研究和改造，通过实践研究出最佳性能的蒸汽冷凝水系统，二是对于无接触干燥，以发展汽浮干燥和红外干燥技术为主，同时吸收其它先进技术，不断研发出新的干燥技术，其目的都是采用节能、降耗新技术不断减少单产能耗，这也是目前增强企业产品竞争力的有效途径。对于纸机纸页干燥部选用热泵提供干燥能量时，其流程设计应根据实际工艺情况，经流程工程分析，从安全、节能、成本的角度进行优化设计。

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2012－9－9

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