纸机蒸汽冷凝水系统测控方法介绍

钟益联

(中国中轻国际工程有限公司，北京，100026)

纸机蒸汽冷凝水系统及其控制对蒸汽利用率和纸张质量至关重要。纸机运行要想达到节能增效、保质保量的生产目标，其重要技术措施之一是必须确保纸机蒸汽冷凝水系统过程测量准确，暖缸起动规律平稳，回路设计可控合理，控制方法先进可靠。本文对纸机蒸汽冷凝水系统的测量和控制方法及阀门的选用进行介绍，以供参考。

1 压力、差压测量及其变送器的安装

图1 为纸机蒸汽冷凝水系统压力和差压变送器取压方式(用于烘缸组)。图2 为纸机蒸汽冷凝水系统的压力和差压变送器安装图(用于烘缸组)。

从图1 和图2 可以看出，与普通的压力、差压取压相比，蒸汽冷凝系统有两个不同点:一是在冷凝器上加装一个压力表，二是要求压力和差压变送器的冷凝器安装在同一水平线(POTS AT SAME LEVEL)。在冷凝器上加装一个压力表主要是在纸机启动时便于技术人员和操作人员观察实测值。冷凝器要安装在同一水平线上，即是要求压力、差压变送器安装在同一标高上，为达到此目的，要事先制作好一个矩形安装架(见图3)，把压力、差压变送器置于该安装架上。变送器集中安装的好处是克服环境温度对导压管冷凝水的影响从而获得较为精确的压力、差压值测量，确保蒸汽冷凝水系统控制稳定，从而减少各段蒸汽压力波动。

2 暖缸过程及其控制

当纸机初次启动，或由于断纸及其他机械故障致使较长时间停机而纸机需重新启动时，均需一个暖缸过程。所谓纸机暖缸过程就是指各段蒸汽压力按照一定规律慢慢从低到高平稳达到正常车速蒸汽压力的过渡过程。各段蒸汽的升压过程，其实也是各段蒸汽的升温过程，亦即是造纸技术人员和操作人员平常所说的纸机干燥部预热升温曲线(preheating ramp dryer section)。

下面介绍两种干燥部预热升温方法。

2.1 暖缸控制-三段升温法［1］

将纸机干燥部烘缸的暖缸过程分为3 个阶段，即开始阶段、中期阶段和结束阶段。由于冷缸对温度较为敏感，因此，在暖缸开始阶段，温度上升曲线采用较小的斜率;暖缸中期阶段温度上升曲线采用较大的斜率;暖缸结束阶段，温度上升曲线采用较小的斜率。三段升温法的升温曲线如图4 所示。

针对上述升温曲线，可用下面3 条规则很方便地通过控制系统(DCS 或PLC)来实现。即:

规则1:

规则2:

规则3:

规则中，t0为开始暖缸时间点，设其为0。t1、t2、t3和k1、k2、k3分别为开始阶段、中期阶段、结束阶段的时间和升温曲线的斜率。

暖缸控制-三段升温法的详细介绍及其应用详见参考文献［1］。

2.2 暖缸控制-逐步迭代升温法

以一工程实例来简要说明逐步迭代升温法原理。

实例:车速2000 m/min、网宽10200 mm、卷取纸宽10200 mm、产量40 万t/a 纸机的暖缸控制，图5是其经过简略整理的编程功能图。

在实际工程应用上，往往是最后一组烘缸母管(卷取前烘缸组)蒸汽压力起“引领”作用，即其他各烘缸组蒸汽母管蒸汽压力根据“温度曲线”设定，并且其压力随最后一组烘缸母管蒸汽压力的变化而变化，故而图5 的输入是最后一组烘缸供汽压力变送器的实测值(Actual value)。该值经过多种运算 (平方、乘、除、加、除)到最后被1 除，其结果是以% /s-变化率作为Analog Ramp 模块的输入。Analog Ramp 模块的输出作为各段烘缸组蒸汽暖缸调节信号。实际上，该信号不是直接接至各压力回路调节阀，而是通过一低值选择器与各回路的压力调节器输出进行比较，从低值选择器输出引至各回路的调节阀。另外，可以看到，图5 中的运算其实是一个在实际测量值基础之上按给定规则进行迭代运算过程，其每步运算周期时间和调节阀作用时长可以设定(如某工程分别是400 ms 和30 s)。如前所述，程序执行过程是逐步进行的，其每步运算是以前次输出并被执行后得到最新的输入从而又进行一次周期性计算，这样一直迭代运算至S3 动作(controlling taken over)。输出效果如图7 中的烘缸预热升温曲线图。笔者初步定义此种暖缸控制方法为逐步迭代升温法。另外，图5 中共设有3 个功能开关，S1 是工艺条件的连锁开关，只有满足初始条件才能允许暖缸;S2 是Ramp start 开关，合上开关表明暖缸主设定(Master Setpoint Warm-up)开始;S3 是判断暖缸升温是否结束亦即是暖缸终点判断开关，其动作表明纸机蒸汽冷凝水系统可以转入正常车速的操作与控制。

图3 压力和差压变送器安装架参考图

图4 纸机烘缸预热三段升温法的升温曲线

图5 逐步迭代升温法原理功能图

3 供汽系统常规控制

供汽系统按通汽方式不同常可分为两种，第一种是串联系统，蒸汽从凝结水分离出来，然后重新用于低压烘缸区。第二种系统，被称为“热压缩机(Thermo Compressor)”(又常称热泵)系统。热泵系统是将低压蒸汽借与高压蒸汽混合而“增压”，然后通常回用到同一烘缸区或下一用汽压力较低烘缸区。热泵结构示意图见图6［2］。

第一种串联系统原来的主要缺点是各烘缸组存在“依赖性”，即某烘缸组蒸汽压力波动牵涉到其他烘缸组蒸汽压力随着波动。但是，由于现在工艺设备和控制回路设计渐趋合理，控制方法先进、成熟，因而该系统不仅应用在一般纸机上，也广泛应用在现代高速纸机上，当然这些纸机应用串联系统与其采用低压蒸汽有关。第二种热泵系统主要用在可以使用高压蒸汽纸机的场合。热泵系统的缺点是高压蒸汽损失了若干发电价值［2］。下面对供汽系统常规控制作简单的分析说明。

3.1 压力、压差、液位控制

图7 为纸机蒸汽冷凝系统典型压力、差压、液位控制流程图。

图7 中，压力控制回路关键技术点是解决 PY1、PY2 和PY3、PY4 的功能设定。PY1、PY2 表示暖缸控制输出与压力调节器的输出进行比较，低值选择器的输出作用于调节阀PV21。PY3、PY4 输出则是压力调节器的外给定，此给定值可以是QCS 输出信号，可以是手动操作信号，也可以是断纸时输出信号。当纸机突然断纸时，各段压力调节阀不是(或不能)立刻关闭，而是朝关向动作且保持在一定开度，待引纸成功后压力调节阀恢复到正常的调节状态。压力调节阀应选择带弹簧的单作用(Single Acting)调节阀，且在能源中断或回路存在故障时该阀门处于强制关闭状态(S=C)。

图6 热泵结构示意图

差压回路是一个典型分程(Split Range)控制回路。该回路设置两个调节阀。PDV21 置于烘缸组冷凝水排水管道(此阀也有置于二次蒸汽管A 点处，控制原理大体相同)，其作用是根据烘缸组的差压来调节冷凝水的排出。PV22 置于二次蒸汽分支管上，当烘缸组2 不能全部利用汽水分离器分离出的二次蒸汽时，该阀打开，此时二次蒸汽将会通过表面冷凝器，其冷凝水最终排向总冷凝水槽。PDV21 应选用双作用调节阀，且在能源中断或回路存在故障时该阀不再动作S = U，即保持或恢复原有设定状态。PDV22 宜选用单作用调节阀，正常生产情况该阀应关闭，但在回路存在故障时该阀处于强制打开状态，S=O。事实上，PDV21、PDV22 分别受PDC 调节器输出4 ～12 mA，12 ～20 mA 作用，实现烘缸组差压PDC 分程控制(split range control)，只不过为方便电气阀门定位器调校在控制系统内分程而不在电气阀门定位器分程，因而PDV21、PDV22 的输入仍然是4 ～20 mA 信号。

图7 纸机蒸汽冷凝系统典型压力、差压、液位控制流程图

液位回路也是一个分程控制回路。针对汽水分离器容量很小的特点，保持一定回流量对液位的平稳调节至关重要。差压回路分程控制的基本分析方法也适用于液位回路分程控制，在此不再赘述。在此需要说明的是，回流应选用双作用调节阀，且S =U，出水阀选用单作用调节阀，S =O，其目的是要保证冷凝水及时排出。

3.2 关于热泵供汽系统及其控制［3］

20 世纪50 年代，热泵技术便被用于纸机蒸汽冷凝水系统，90 年代初我国开始从国外引进该技术，并开始研发自己的热泵系统。

热泵是利用喷射器原理，最大限度地将引射蒸汽的“品位”提升到生产工艺要求的程度之后，循环利用，从而达到节约新鲜蒸汽的目的。纸机蒸汽冷凝水系统通常以高压工作蒸汽作为引射动力源，采用热泵来提升通过各级汽水分离器闪蒸出的二次蒸汽压力。

根据热泵工作蒸汽加入量调节方式的不同，可将热泵分为两种:质量调节热泵和流量调节热泵，见图8。

图8 热泵工作蒸汽加入量调节原理

目前，造纸发达国家和我国造纸厂大多采用流量调节热泵。关于热泵供汽系统及其控制，其内容广泛，限于篇幅，在此不再赘述，读者可参阅参考文献［4］或其他国内外文献。热泵应用工程实例可参考图9。

图9 热泵供汽系统及其控制流程图示例

表1 图9 中各测量点的初步设计参数值

图9 所示为车速2000 m/min、幅宽5600 mm、年产6 万t 卫生纸的纸机实例。从图9 中可以看到，该工艺流程采用流量调节热泵。热泵流量调节回路(FIC)是根据汽水分离器闪蒸出的二次蒸汽——引射蒸汽量来调节新鲜蒸汽量。表1 是图9流程图中A、B、C、D、E、F 各测量点的初步设计参数值。从汽水分离器闪蒸出来的二次蒸汽 (D点)经新鲜蒸汽或称为工作蒸汽 (B 点)引射产生的混合蒸汽，回用到扬克缸 (Yankee)供汽管(E 点)。E 点蒸汽量是B、C、D 三点蒸汽量之和。从表1 中“正常栏”数据可以计算出，D 点引射蒸汽量约占到E 点蒸汽总量39%。该数据充分说明，热泵不仅发挥着重要作用，而且具有一定节能效果。

4 结 语

建议用于烘缸的蒸汽冷凝水系统压力和差压变送器要集中安装，以期获得较为精确的测量和理想的控制效果。否则，变送器调试将会遇到困难，由于测量不准确也会使控制运行不稳定导致各段蒸汽压力波动。

本文介绍的两种暖缸控制方法，三段升温法只能算是国内计算机技术应用的前期实验，不能肯定其工程实用性和应用前景，只是作为暖缸控制的一种方法介绍给读者参考和比较。逐步迭代升温法已在多台现代高速纸机上得到工程应用，笔者从国外资料的研读中体会到该方法有其先进性、巧妙性和实用性。希望国内有关技术人员能参考“逐步迭代升温法”，创新开发暖缸控制方法并在国产纸机上推广应用。

蒸汽冷凝水系统的典型控制方法中，其技术要点为:一是分程控制和调节阀的正确选择，二是暖缸升温的设定和QCS、断纸、自动/手动操作的设定。热泵供汽系统多用在使用高压蒸汽纸机的场合，就其控制方法而言并不复杂。本文介绍的卫生纸机工艺设计工程实例中，热泵起着重要作用。在某些特定应用场合，热泵有一定的节能效果。

在此应该特别指出，由于热泵其工作原理要求被控对象工况较为稳定，而纸机蒸汽冷凝水系统工况往往较为复杂，故有些纸机应用热泵不能取得理想的控制效果。目前，热泵在纸机的工程应用渐趋减少，市场对每台纸机生产多品种纸张的需求也限制了热泵的应用前景。

［1］ LIU Qing，WANG Mengxiao，ZHANG Shunli. Zhi Ji Gan Zao Bu Nuan Gang De Zhi Neng Kong Zhi［J］. China Pulp ＆ Paper，2004，23(7):44.刘 清，王孟效，张顺利. 纸机干燥部暖缸的智能控制［J］. 中国造纸［J］，2004，23(7):44.

［2］ 加拿大G. A 斯穆克. 制浆造纸工程大全［M］. 2 版. 曹邦威，译. 北京:中国轻工业出版社，2001.

［3］ TANG Wei，LV Ding-yun，WANG Meng-xiao. Review of Heat Energy Supply System of Steam-driven Jet Heat Pump Applied in Paper Machine［J］. China Pulp ＆ Paper，2007，26(10):49.汤 伟，吕定云，王孟效. 造纸机热泵供热系统的应用. 中国造纸［J］，2007，26(10):49.

［4］ YAN Yong-zhi，REN Xue-hong. Investigation on the Heat Pump Control System of Paper Machine Dryers［J］. China Pulp ＆Paper，2007，26(10):49.闫永志，任雪鸿. 纸机干燥部热泵供热系统的控制方式. 中国造纸［J］，2007，26(6):42.