纸机干燥部热力控制系统发展综述

汤 伟 孙振宇 方 辉 杨润珊 高 祥

(1.陕西科技大学电气与信息工程学院,陕西西安,710021；2.陕西科技大学轻工与能源学院,陕西西安,710021)

·干燥部热力控制·

纸机干燥部热力控制系统发展综述

汤 伟1孙振宇2,*方 辉2杨润珊1高 祥2

(1.陕西科技大学电气与信息工程学院,陕西西安,710021；2.陕西科技大学轻工与能源学院,陕西西安,710021)

本文着眼于纸机干燥部热力控制系统,分别介绍了单缸纸机与多缸纸机干燥部的蒸汽冷凝水系统和气罩通风系统的不同工艺流程、控制方案及控制算法,并通过对比分析阐述了各种方案的优缺点。最后讨论了目前纸机干燥部热力控制系统亟待解决的问题,并提出干燥部协同控制的新思想。

热力控制系统;蒸汽冷凝水系统;气罩通风系统;干燥部协同控制

随着能源的短缺与价格的上涨,造纸工业中的能耗成本在生产总成本中所占比例越来越高[1]。在造纸过程中,干燥部具有蒸发脱除湿纸幅中残留水分、提高纸张强度的作用,其能耗约占整个造纸生产过程的60%,所消耗的蒸汽量占制浆造纸生产过程汽耗总量的65%,所以提高干燥部能源利用成为降低纸机能耗和生产成本的重要环节[2-3]。而干燥部能耗主要来源于两部分,一是烘缸内部(蒸汽冷凝水系统)能耗,另一个是烘缸外部(气罩通风系统)能耗,所以对于烘缸内外部的研究都显得尤为重要,其控制系统更是起着举足轻重的作用。纸机按照烘缸的数量可分为单缸纸机和多缸纸机。干燥部只有一个大直径烘缸的卫生纸机和部分特种纸机为单缸纸机,采用2～4组多烘缸干燥部的为多缸纸机[3]。单缸纸机干燥部热力系统按烘缸内外部主要分为蒸汽冷凝水子系统及热回收子系统；多缸纸机的则分为蒸汽冷凝水子系统及密闭气罩子系统。

本文分别介绍了多缸纸机和单缸纸机的干燥部热力控制系统。在多缸纸机中,由于干燥部的热力控制较为复杂,蒸汽冷凝水系统的发展经历了单段供汽(直接供汽)系统、多段供汽系统、热泵供汽系统、多段供汽与热泵供汽相结合的供汽方式等阶段；密闭气罩控制系统主要着眼于气罩的露点控制、温湿度控制及零位控制等方面。单缸纸机的蒸汽冷凝水子系统目前主要为基于热泵的供汽系统取代老式的单缸调压供气系统,热回收系统则采用类似于密闭气罩控制系统的余热多级回收来充分利用热能。最后,根据干燥部热力控制系统目前存在的问题提出了干燥部整体节能优化、协同控制的发展趋势。

图1 多段供汽系统热力流程示意图

1 多缸纸机干燥部热力控制系统

1.1 蒸汽冷凝水系统

老式低速纸机一般采用单段供汽(直接供汽)系统。这种供汽系统中,新鲜蒸汽由蒸汽总管直接通到每个烘缸内,烘缸内的凝结水靠烘缸内蒸汽压力由排水装置排出。虽然这种系统调节烘缸温度比较方便、系统简单、对纸种适应性强,但由于无蒸汽循环、不凝气体无法排出、烘缸内积水严重等缺点导致其无法满足高速纸机的干燥要求[4-5]。现代的高速纸机一般采用多段供汽系统、热泵供汽系统及多段供汽与热泵混合供汽系统等供汽方案。

1.1.1 多段供汽系统

多段供汽系统属于被动式蒸汽串联供热开式热力系统。将干燥部烘缸进行分组,如图1所示,前一段烘缸排出的吹贯蒸汽和冷凝水进入闪蒸罐,闪蒸出的二次蒸汽作为后一段烘缸的一部分加热汽源,实现了能量的梯级利用。

根据文献[6-7]，传统多段供汽系统中的基本控制方案及算法主要有以下5个方面。

(1)高温段烘缸进汽压力控制回路,一般采用常规PID控制,这个压力控制的成功与否直接影响到整个多段供汽方案的实现。

(2)各段烘缸的压差控制回路,采用常规的PID控制各段烘缸进出口压差,来维持各段烘缸所需的蒸汽推动力,缓解积水现象,压差控制的调节流程如图2所示。

(3)比值控制回路,烘缸进汽压力与温度呈线性关系,采用比值控制来确定各段烘缸间的进汽压力比,从而使得各段烘缸温度满足纸张的干燥曲线,使其较平稳地被干燥。

(4)闪蒸罐的液位连锁控制回路,利用自控系统使各段烘缸的闪蒸罐保持正常的液位,不使纸机各段烘缸对应的闪蒸罐间产生蒸汽串通,可以使蒸汽按其品位的高低,得到合理的使用,闪蒸罐液位连锁控制流程如图3所示。

(5)吹贯控制,通过调节排汽阀的开度稳定吹贯蒸汽的流量。因为在烘缸正常工作状态下,吹贯蒸汽的流量变化与冷凝速率的变化呈线性关系。所以,稳定了吹贯蒸汽流量,就相当于稳定了烘缸内的压力和冷凝速率。

图2 压差控制调节流程

图3 液位连锁控制流程

图4 闭式热泵供汽系统热力流程示意图

图5 热泵开度控制规律图

根据文献[4-5]、[8-9]可知，多段供汽系统合理地使用了不同质级的能量,达到了节能和改善工艺的目的。但由于其结构上的不足存在不利于单独调节各段烘缸的供汽压力和用汽量、热力系统运行不正常、普遍存在着纸机烘缸积水现象等缺陷。

1.1.2 热泵供汽系统

为弥补多段供汽系统的主要不足,热泵技术得到了广泛应用。根据文献[4-5,10]可知，热泵供汽系统利用蒸汽喷射式热泵代替节流减压,向各段烘缸供给所需品位和数量的蒸汽,利用蒸汽减压前后的能量差来提高冷凝水二次蒸汽的品位供生产循环使用[8]。根据二次蒸汽的流向,热泵供汽系统可分为开式热泵供汽系统和闭式热泵供汽系统,文献[7]中对两种供汽系统做了详细的阐述。闭式热泵供汽系统的热力流程如图4所示,与开式热泵供汽系统相比,一个显著区别是其二次蒸汽经由热泵提升品位后只供本段烘缸使用,不足的部分通过补汽来实现而不是开式热泵供汽系统的供下一段烘缸使用。因此,闭式热泵供汽系统各段烘缸之间的联系几乎完全被切断,相互之间的耦合作用小,容易控制。

根据文献[11-12]热泵供汽控制系统相较于多段供汽控制系统还需增加热泵的低选控制，热泵开度的动作规律如图5所示,即动作选择闪蒸罐出口管道孔板差压控制回路和烘缸进汽压力控制回路中理论输出开度较小的数值的二倍作为热泵调节器的输出,即进行低端选择,以尽可能多地利用二次蒸汽,减少新鲜蒸汽的消耗,达到节能的目的。

1.1.3 多段供汽与热泵供汽相结合的供汽方案

多段供汽系统属于被动式蒸汽串联供热系统,存在烘缸积水及由其导致的烘缸传热效率低、能耗增加等问题。在供汽系统中加入热泵虽然在一定程度上解决了这些问题,但是当工况发生较大变化时,由于热泵自身的调节范围较窄,故失去作用。在不同的应用场合,两种系统各有优缺点。根据文献[13-14]，多段供汽与热泵供汽相结合的供汽方案在解决了传统三段供汽问题的同时加强了热泵的作用,节能效果明显,应用场合更加广泛。

多段供汽与热泵相结合的热力流程为在高温段、中温段采用多段供汽方案,最大限度地回收利用二次闪蒸蒸汽；在低温段采用热泵供汽方案,以提高烘缸排水压差并解决低品位二次蒸汽的回用问题,热泵供汽方案同样有开式和闭式系统可供选择。多段供汽与两种热泵供汽系统的结合方案如图6和图7所示。

该系统所采用的控制方案与热泵供汽系统基本相同。但是,欲使这一方案成功应用,必须对蒸汽冷凝水系统进行比较精确的热力计算,以合理分配烘缸分组,规划蒸汽流向,计算热力管道直径,设计控制方案等。关于热力计算这一关键技术问题,文献[13-14]给出详细的计算过程,进行了详细的蒸汽冷凝水系统热力平衡计算。

1.2 密闭气罩控制系统

在纸机干燥部中,烘缸外部(气罩部分)占有30%～35%的贡献率。其运行性能严重影响纸机运行效率、生产能耗和产品质量。随着纸机车速的提高,气罩形式逐渐从敞开式气罩发展为半密闭气罩再到密闭式气罩。在高速纸机中,由于密闭气罩具有热回收效率高、进排风量较小、操作时温湿度较高等优势,在纸机中得到了广泛的应用。

1.2.1 工艺流程

根据文献[15-20],密闭气罩通风系统的基本工作流程可描述如下：纸幅干燥过程产生的湿热空气通过密闭气罩上部的汇风道进入第一级气-气热回收装置,进行余热回收后送到第二级气-气热回收装置,继续回收余热；气罩袋区送风系统将新风经第一级气-气热回收装置预热后,再经冷凝水加热器、蒸汽加热器加热至100℃左右,通过管道送入袋区吹风箱和纸幅进出口吹风箱；第二级气-气热回收装置用来预热室外新风,再经蒸汽加热器加热后送至车间吊顶,加热车间顶棚,防止顶棚在春冬季凝露滴水,或者送往纸幅进出口吹风箱,防止气罩内外气体之间发生对流；经余热回收后的湿热蒸汽经气罩排风系统抽吸到车间之外。具体的密闭气罩通风系统流程示意图如图8所示。

图6 多段供汽与开式热泵供汽系统结合热力流程示意图

图7 多段供汽与闭式热泵供汽系统结合热力流程示意图

图8 密闭气罩系统热力流程示意图

1.2.2 控制要点

根据文献[15-20],密闭气罩系统采用的控制要点主要有以下3点。

(1)气罩零位控制。控制好气罩零位是控制气罩内温湿度和平衡进出风量、节约能源、提高能源利用率的前提和关键,因此零位高度的控制非常重要,“零位”的高低取决于气罩送风量和排风量的大小。

(2)排风露点控制。露点温度越低,单位质量的空气中含有的水蒸气就越少,纸幅干燥的速度就越慢；露点温度越高,单位质量的空气中含有的水蒸气就越多,纸幅干燥的速度就越快,加热空气需要的新鲜蒸汽就越多,余热回收的负担就越大。因此,排风系统的露点控制是保证密闭气罩能否正常运转、杜绝气罩顶板凝露滴水的关键。

(3)送风温度控制。干燥热风的温度越高,消耗的热能就越多。同时,干燥热风的能耗与送风量呈正比,而送风量与气罩零位有关。因此,干燥热风的温度设定受制于气罩的送风量和排风量,即与气罩零位控制回路和排风露点控制回路存在耦合关系,不是一个简单的单回路控制问题。

1.2.3 控制策略

(1)排风温湿度选择控制算法。对于这个复合控制回路,需要尽量提高排风温度但又不超过上限值,采用高端选择控制算法来保证实际排风温湿度落在设定值区间范围内,并使系统平衡点向纸幅蒸发效率提高的方向靠近。

(2)气罩零位前馈反馈控制算法。考虑到气罩进风量和排风量难以在线准确测量,而气罩温度容易在线获得,所以这里以代表零位的压差信号为反馈控制量,上层气罩温度平均值为前馈信号构成前馈-反馈控制回路,实现对气罩零位的快速准确控制。

(3)气罩热风风温分程控制算法。蒸汽冷凝水热力系统的设计往往同密闭气罩供热系统的设计结合起来,以最大限度地利用余热,达到节能减排的环保目的。新风进入通风管道后经过3片加热器,加热介质分别为蒸汽冷凝水、二次蒸汽和新鲜蒸汽。通过调节二次蒸汽与新鲜蒸汽阀门开度控制送风温度。

图9 单缸纸机干燥部能耗协同热力流程示意图

2 单缸纸机干燥部热力控制系统

单缸纸机干燥部分为蒸汽冷凝水子系统和热回收子系统。在单缸纸机中,只有1个大直径烘缸,所以干燥部的结构相对简单,主要设备包括扬克烘缸、流量调节热泵、闪蒸罐、热交换器和加热器等,其干燥部热力流程如图9所示。

2.1 蒸汽冷凝水子系统

采用带有热泵的蒸汽冷凝水系统取代传统的由疏水阀被动排水的系统可以有效地解决烘缸积水问题、改善系统传热效率、节约蒸汽用量,从而达到节能减排的目的[21-22]。新鲜蒸汽进入烘缸进行加热,产生的冷凝水进入闪蒸罐,闪蒸出的二次蒸汽在可调热泵内与新鲜蒸汽混合,提升品位后进入烘缸,不足部分由新鲜蒸汽补足。闪蒸罐产生的冷凝水进入下一级闪蒸罐,后者产生的冷凝水与二次蒸汽进入热回收子系统进行回收利用。

单缸纸机蒸汽冷凝水子系统采用的控制方案与多缸纸机蒸汽冷凝水大体相同,根据系统流程示意图(图9)，主要控制要点如下。

(1)烘缸进、出口差压控制。进、出口差压是避免烘缸积水,保证烘缸正常运行的重要指标。

(2)可调热泵低选控制回路。可调热泵通过对来自闪蒸罐的二次蒸汽提升品位回收利用的方法方式节约热能。本回路采取分程控制的方式,与烘缸补气阀进行连锁,保证二次蒸汽最大利用率,节能降耗。

(3)闪蒸罐蒸汽出口差压控制回路(吹贯控制)。闪蒸罐出口蒸汽差压直接反映了烘缸内吹惯蒸汽量,是解决烘缸积水问题的一项重要措施。

(4)闪蒸罐液位连锁控制回路。闪蒸罐容积较小,当纸机启动或者运行状态发生变化时,容易产生大量冷凝水,而闪蒸罐排水阀排水能力有限,会发生闪蒸罐满水状况。

2.2 热回收子系统

新风由抽风机吸入到气罩系统风道内,进入第一个加热器中预热,经过预热的温空气经过系统中后面3个换热器将温度提升到所需要的工作温度后进入气罩内对纸幅进行加热。其中第一个换热器使用气罩排出的湿热空气进行加热,第二、第三个换热器使用闪蒸罐冷凝水、二次蒸汽加热,最后由新鲜蒸汽将热风加热到工艺所需温度,整个过程高效地利用了二次蒸汽与冷凝水,节约了汽耗。

外部冷风经循环风机进入气罩通风系统内,经过湿热蒸汽预热、冷凝水加热器加热后,由后2个加热器协同加热到所需温度。2个加热器控制回路采用分程控制算法协同控制送风温度达到所要求的稳定值：2个加热器的进热介质分别用1只阀门控制,控制算法为PID/PI,但控制回路设定值为同一数值；只有当二次蒸汽加热器的调节阀全开时,新鲜蒸汽加热器的阀门才开始打开。

3 干燥部能耗协同控制系统

能耗协同控制,即综合考虑蒸汽冷凝水系统与气罩通风系统的能量消耗,实现二次热能的循环综合利用控制,以达到进一步降低干燥部能耗的目的。由以上纸机干燥部的发展历程可以看出,无论是单缸纸机还是多缸纸机,其蒸气冷凝水系统及气罩通风系统皆发展到了比较成熟的阶段,单个系统的能耗也趋于稳定。但是立足于降低纸机干燥部整体的能耗,不但要提高蒸汽冷凝水系统(烘缸内部)的干燥效率,而且还要考虑气罩通风系统(烘缸外部)内的湿热蒸汽的排放和热能的回收利用问题。然而,蒸汽冷凝水系统供应商和密闭气罩设备供应商各自只考虑自己的供汽方案,不考虑二者之间的能量综合利用问题,导致了蒸汽能量的大量浪费。所以,研究纸机干燥部蒸汽冷凝水系统与气罩通风系统的协同控制策略将成为纸机节能的新发展趋势,并且意义重大。

3.1 工艺流程

无论单缸纸机还是多缸纸机,其干燥部的蒸汽冷凝水系统(烘缸内部)均会产生大量的二次蒸汽以及蒸汽冷凝水,而烘缸外部的气罩通风系统又需要大量热源将冷风加热到一定温度通入气罩内部以改善纸张的干燥环境。将蒸汽冷凝水系统产生的这部分二次蒸汽及冷凝水用于气罩通风系统,作为冷空气加热器的热源,即干燥部能耗协同,图10所示为干燥部能耗协同热力流程。目前我国新上纸机生产线大部分采用这种方式进行余热余能的回收利用。干燥部能耗协同可以回收利用二次能源,干燥部能耗协同控制策略的研究不仅可以保证能耗协同方案的实现,而且有利于实现纸机干燥部整体节能降耗的全局优化,最大化地节约能源[23-26]。

图10 纸机干燥部能耗协同热力流程示意图

3.2 优化方案

纸机干燥部属于复杂工业过程,为了解决干燥部的节能控制、全局优化等问题,国内外学者进行了大量的研究工作：在蒸汽冷凝水系统中有热泵的应用、烘缸内部的热力平衡计算等研究方向；在气罩通风系统中应用各种优化算法对控制策略进行优化以达到节能的目的；此外还有相当一部分学者针对烘缸内部及外部进行了热力学模型的建立。这些工作在机理分析的基础上,开展干燥过程的建模和优化控制研究,成果的工业应用对稳定生产、提高产品产量与质量发挥了重要作用。然而,在纸张干燥过程中,蒸汽冷凝水系统与气罩通风系统存在能量的交互,并且干燥部结构、热力流程较为复杂,导致干燥过程的建模和操作参数的优化调整极其困难。随着网络技术的快速发展以及基础自动化水平的大幅提升,纸张干燥过程中积累了大量工业运行在线数据及离线数据,其中包含了丰富的反映生产运行规律和工艺参数之间关系的潜在信息,为生产过程的优化控制提供了有利条件。因此,针对纸张干燥过程的特点,充分利用生产过程长期运行积累的工业数据,研究基于数据驱动的操作模式优化方法,具有很强的研究意义和应用前景[27-28]。

纸张干燥过程经过长期的工业运行已经积累了大量的数据,这些数据包括输入输出数据及其他的相关工艺参数数据,针对这部分数据,应用神经网络及模糊理论等方法可以建立干燥部热力学模型,以弥补传统机理建模准确性不足、适应性不强等缺点；为了实现干燥部的全局节能降耗,根据建立的热力学模型,应用数学规划法建立能耗优化模型并应用遗传算法等优化算法对优化模型进行求解以得到最优的控制策略；能耗优化模型不易建立时,可以采用基于数据的操作模式优化方法,即：从实际生产中积累的大量纸张干燥过程运行数据中挖掘出优化操作模式,建立优化操作模式库,并根据当前的工业运行状态,库中寻找与之最匹配的操作模式。

4 结 语

本文对我国普遍应用的两种纸机,即单缸纸机和多缸纸机的干燥部热力系统典型工艺流程及控制方案及控制算法进行了归纳总结。因为多缸纸机干燥部结构较为复杂,随着纸机车速及对能耗控制要求的提高,其蒸气冷凝水系统的发展趋势为单段供汽-多段供汽-热泵供汽-多段供汽与热泵相结合等热力控制系统,功能日趋完善,能耗控制水平不断提高。由于气罩部分对于纸张干燥的贡献率高达30%左右,所以对于气罩部分的研究同等重要,研究蒸气冷凝水系统及气罩通风系统相结合的能耗协同系统已成为必然趋势,而对于能耗协同系统的控制策略研究显得尤为重要。目前纸机能耗问题已然成为造纸行业的热点问题之一,无论对于蒸汽冷凝水系统还是气罩通风系统都有大量的文献进行了相关研究,并且取得了一定的成果,但仍有些不足之处需要完善。结合目前纸机干燥部存在的问题,归纳出纸机干燥部热力控制系统未来的发展趋势主要有以下4个方面。

(1)控制策略方面。截至目前都是对两部分热力控制系统进行分开研究,顾此失彼,无法做到综合考虑整个干燥部热力系统、对纸机耗能最大的部分进行整体能耗优化。所以需要整体优化代替局部优化,即干燥部能耗协同控制。

(2)硬件设备方面。热泵供汽系统的节能效果与热泵尺寸设计密切相关,提高并保持较大的热泵喷射系数是热泵设计的关键。热泵结构设计过程复杂,很多结构参数是依据经验来判定,热泵性能得不到有效保证。可以建立热泵性能指标与结构尺寸模型,进行优化并得出最优结构尺寸。

(3)热量回收方面。气罩通风系统排出的湿热空气在预热新风后仍具有一定的热量残余,但是目前并没有对其进行热回收的方案,而是直接将其排入大气,不仅浪费了能源,还对环境造成了一定的污染。可以找到对这部分能源进行回收利用的办法,减少浪费。

(4)优化策略方面。由于纸张干燥过程复杂,生产过程长期运行积累了大量的在线及离线数据,因此研究基于数据驱动的操作模式优化方法,具有很强的研究意义和应用前景。

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(责任编辑：马 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)

陕西省重点科技创新团队计划项目(2014KCT-15)；咸阳市科技计划项目(2012K03- 01)；陕西省教育厅重点实验室科研计划项目(15JS013)。

汤 伟先生，博士，教授；研究方向：工业智能控制及工业高级过程控制。

TS755

A

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

*通信作者：孙振宇,在读硕士研究生。