程棟

（天津科技大學(xué)天津市制漿造紙重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津，300457）

紙機(jī)干燥部控制系統(tǒng)流程設(shè)計(jì)分析

程棟

（天津科技大學(xué)天津市制漿造紙重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津，300457）

本文介紹了造紙機(jī)干燥部的研究與發(fā)展歷程以及目前正在使用的幾種紙頁(yè)干燥方式，分析了在紙機(jī)干燥過(guò)程中用熱泵取代常規(guī)的節(jié)流減壓元件的優(yōu)點(diǎn)和紙機(jī)烘干部熱泵流程開(kāi)、閉環(huán)的基本原理及基本應(yīng)用實(shí)例。

紙機(jī)干燥部 節(jié)能 控制系統(tǒng) 流程設(shè)計(jì)

1 引言

為了生產(chǎn)高檔紙和提高紙的產(chǎn)量，目前高速紙機(jī)已成為研究的熱點(diǎn)。 造紙機(jī)干燥部是制約車(chē)速上升的瓶頸之一，因此，為適應(yīng)高速紙機(jī)的運(yùn)行有必要對(duì)紙機(jī)干燥部進(jìn)行研究。 干燥部是造紙過(guò)程中主要的耗汽工段之一，目前，我國(guó)造紙工業(yè)的能耗占造紙成本的15%左右，隨著能源價(jià)格的不斷上漲和能源的短缺，該比值進(jìn)一步呈上升趨勢(shì)。因此，對(duì)干燥部控制系統(tǒng)進(jìn)行研究改造，提高蒸汽的利用效率，降低能耗，就可以節(jié)約大量的能源和資金，同時(shí)也可以改善紙張的質(zhì)量，運(yùn)行穩(wěn)定，操作管理方便，并可以適應(yīng)產(chǎn)品品種變化。

2 造紙機(jī)干燥部的基本原理及發(fā)展

紙幅在造紙機(jī)的網(wǎng)部成形并在壓榨部脫水以后，尚有60%～80%的水分需要在造紙機(jī)干燥部通過(guò)加熱、蒸發(fā)、擴(kuò)散的方法進(jìn)一步脫去，使紙幅達(dá)到成品所需的ECD左右的干度。紙頁(yè)干燥分為接觸式干燥和無(wú)接觸式干燥，可以采用幾種不同方法，即烘缸接觸式干燥法、高速熱風(fēng)干燥、穿透干燥的空汽干燥法以及紅外線或高頻電流干燥法等無(wú)接觸干燥法。紙幅的接觸干燥是將紙幅緊貼在被加熱的物體表面上進(jìn)行水分蒸發(fā)達(dá)到干燥目的的，其干燥過(guò)程可分為 三個(gè)階段：升溫、恒速干燥和降速干燥。升溫階段很短，可以忽略，恒速干燥階段大約占總干燥時(shí)間的50%～65%，是干燥的主要階段。在此階段中，紙幅表面的溫度和蒸發(fā)速度保持不變。 圓網(wǎng)造紙機(jī)上使用簡(jiǎn)單的一段通汽的方法供給烘缸蒸汽，烘缸內(nèi)的冷凝水是靠烘缸內(nèi)蒸汽的壓力通過(guò)排水裝置排出的。 一段通汽供熱系統(tǒng)是指紙機(jī)干燥部全部使用新蒸汽進(jìn)行工作的，蒸汽壓力和蒸汽量是由每段或每個(gè)烘缸所采用的閥門(mén)進(jìn)行節(jié)流減壓來(lái)調(diào)整蒸汽的，此時(shí)熱能沒(méi)有得到合理充分的利用，致使噸紙耗汽量增大，生產(chǎn)成本高，且還容易造成烘缸內(nèi)積水。高速單面光薄頁(yè)紙機(jī)上的大烘缸就耗用了大量的蒸汽，同時(shí)，為了改善大烘缸內(nèi)冷凝水的排出和提高其熱效率，尚有一部分蒸汽隨同冷凝水排出缸外。為了充分利用蒸汽，大烘缸一般采用蒸汽再循環(huán)的供汽系統(tǒng)。紙機(jī)干燥系統(tǒng)原理如圖1所示。

圖1 紙機(jī)干燥系統(tǒng)原理圖

3 紙機(jī)干燥部供熱系統(tǒng)

蒸汽噴射式熱泵供熱系統(tǒng)是近幾年來(lái)在國(guó)內(nèi)外成功應(yīng)用的新的供汽方式。它使蒸汽能量得到了合理的利用，應(yīng)用于紙機(jī)的紙頁(yè)干燥，有效地解決了傳統(tǒng)的三段供汽中烘缸積水的痼疾，成功降低噸紙耗汽量，取得了明顯的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

3.1 紙機(jī)干燥系統(tǒng)組成

1760 紙機(jī)干燥部熱泵供熱系統(tǒng)由4臺(tái)熱泵、3個(gè)閃蒸罐和1個(gè)冷凝水罐組成，如圖2所示。要使系統(tǒng)正常工作，達(dá)到理想的烘缸表面溫度曲線，必須對(duì)各熱泵出口壓力、各閃蒸罐及冷凝水罐液位及入口蒸汽壓力進(jìn)行控制，并對(duì)系統(tǒng)的工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視，對(duì)一些參數(shù)如閃蒸罐的壓力等進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

3.2 測(cè)控系統(tǒng)功能

測(cè)控系統(tǒng)組成如圖2所示，它所具備的功能如下：(1)監(jiān)測(cè):對(duì)供熱系統(tǒng)運(yùn)行的壓力、流量、溫度等12個(gè)參數(shù)進(jìn)行巡回檢測(cè)，并在顯示屏上實(shí)時(shí)顯示出來(lái)，以便操作人員及時(shí)了解系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。(2)控制:對(duì)供汽壓力(5路)、閃蒸罐液位(4路)及換熱器溫度(1路)進(jìn)行PID控制，并配有手操器，可方便地進(jìn)行手動(dòng)、自動(dòng)切換，提高了系統(tǒng)的靈活性和可靠性。(3)累計(jì):對(duì)總供汽管道的蒸汽流量值進(jìn)行累計(jì)及記錄，為車(chē)間的考核及管理提供可依據(jù)。(4)打印:可根據(jù)要求進(jìn)行隨時(shí)打印、整時(shí)打印、整日打印及整月打印，產(chǎn)生各種報(bào)表。(5)上位機(jī)管理:上位機(jī)管理具備兩個(gè)功能，一是將下位機(jī)送來(lái)的各運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行顯示打印，提高車(chē)間級(jí)的管水平;二是將存入的各紙種所對(duì)應(yīng)的最佳運(yùn)行數(shù)據(jù)在改變紙種時(shí)提出，并立即送到下位機(jī)，調(diào)整好各控制參數(shù)的設(shè)定值，使整個(gè)系統(tǒng)很快地進(jìn)入到新的最佳作狀態(tài)，以滿足市場(chǎng)生產(chǎn)變化的要求。

圖2 控制系統(tǒng)組成示意圖

4 熱泵供汽

熱泵通汽法是用熱泵代替閥門(mén)節(jié)流減壓執(zhí)行器。熱泵是從較低溫度的熱源吸熱，通過(guò)輸入能量以較高溫度排出熱量的一種裝置，它由噴嘴、接收室、混合室和擴(kuò)散室組成，是一種沒(méi)有運(yùn)動(dòng)部件的熱力壓縮器。高壓蒸汽P1通過(guò)噴嘴減壓增速形成一股高速低壓氣流，帶動(dòng)低壓蒸汽P2運(yùn)動(dòng)，使其進(jìn)人接收室、混合室和擴(kuò)散室，兩股共軸蒸汽的速度都得到均衡，同時(shí)混合蒸汽的速度降低，壓力提高，得到中壓蒸汽P3。熱泵利用蒸汽減壓前后的能量差使工作蒸汽在減壓過(guò)程中將閃蒸罐的壓力提高并提供給紙機(jī)使用。同時(shí)，閃蒸罐內(nèi)的壓力因?yàn)闊岜玫某槲靡越档?，增大了紙機(jī)的排水壓差。熱泵供熱系統(tǒng)是一種主動(dòng)式多級(jí)并聯(lián)供熱系統(tǒng)，熱泵在每一組烘缸中自成體系，二次蒸汽在熱泵的抽吸過(guò)程中循環(huán)使用，熱能得到了充分利用，解決了傳統(tǒng)串聯(lián)式三段供熱上下段之間相互影響的問(wèn)題，同時(shí)使各組烘缸的溫度曲線調(diào)節(jié)十分方便。

4.1 流程的開(kāi)環(huán)與閉環(huán)分析

采用上述的蒸汽供熱法的紙機(jī)在干燥過(guò)程中烘缸內(nèi)的蒸汽凝結(jié)后冷凝水會(huì)通過(guò)閃蒸罐的閃蒸產(chǎn)生二次蒸汽，并全部或部分送回原系統(tǒng)，從而使熱力系統(tǒng)形成了一個(gè)自然的蒸汽環(huán)路，以熱泵供汽為例，如果在熱泵的引射流體管線或出口流體管線上開(kāi)有支路，則會(huì)因支路的位置不一、多少不同而導(dǎo)致蒸汽在循環(huán)路線上變化，形成各種不同結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的循環(huán)流程。根據(jù)循環(huán)流程的特點(diǎn)(從系統(tǒng)的角度)，我們可以將其歸納為開(kāi)環(huán)與閉環(huán)流程兩大類型。

4.2 閉環(huán)流程

這是一種較為理想的流程，其特點(diǎn)是離開(kāi)系統(tǒng)的低品位蒸汽被熱泵全部回收，且提高品位之后又被全部送回原系統(tǒng)，被原系統(tǒng)所完全利用，通過(guò)熱泵使引射流體和壓縮流體一起形成一個(gè)完全封閉的、除工作流體外與環(huán)境再無(wú)其它質(zhì)量交換的蒸汽環(huán)路。如果該類流程在工程上得以完全實(shí)施，那末該類熱泵流程的熱力學(xué)參數(shù)將是最理想的。

4.3 開(kāi)環(huán)流程

這類流程從理論上講不如閉環(huán)流程優(yōu)越，因?yàn)殡x開(kāi)系統(tǒng)的二次蒸汽不能被熱泵完全回收，或被熱泵完全回收升壓后不能被全部返回原系統(tǒng)。這對(duì)于熱泵所處的環(huán)路系統(tǒng)來(lái)說(shuō)熱能的有效利用率和閉環(huán)流程相比肯定有所下降。但從工程角度講，它比閉環(huán)流程更有使用價(jià)值，流程也將有更大的靈活性。此類流程的特點(diǎn)是離開(kāi)系統(tǒng)的低品位蒸汽在引人熱泵之前或經(jīng)熱泵壓縮之后即產(chǎn)生分支，形成不同形式的開(kāi)環(huán)結(jié)構(gòu)。在開(kāi)環(huán)流程中因這種分支的存在，一方面增加了流程的復(fù)雜性，另一方面則起到了平衡熱能回收與利用之間矛盾的作用。換句話來(lái)說(shuō)，對(duì)于確定的熱力學(xué)系統(tǒng)，開(kāi)環(huán)流程僅能回收被系統(tǒng)利用的那一部分能量，或者說(shuō)被熱泵回收，開(kāi)環(huán)流程的能量?jī)H能將被原系統(tǒng)所利用的那一部分能量送回系統(tǒng)。在實(shí)際應(yīng)用中，我們應(yīng)根據(jù)生產(chǎn)的實(shí)際需要和過(guò)程的工藝條件來(lái)選擇合適的循環(huán)流程以取得較好的設(shè)計(jì)效果。

4.4 實(shí)例分析

如何對(duì)各種熱泵流程進(jìn)行有效地工況分析，以取得可供選擇與比較的熱力學(xué)數(shù)據(jù)及其它工程參數(shù)，在1997第3期的《節(jié)能技術(shù)》中周大軍進(jìn)行了專門(mén)研究，下面就其在紙張干燥過(guò)程的應(yīng)用進(jìn)行分析。熱泵在紙張干燥過(guò)程中典型的閉環(huán)流程，該系統(tǒng)由熱泵、閃蒸罐及冷凝水回收等相應(yīng)配套的自控裝置組成，各段獨(dú)立供汽，本段閃蒸罐產(chǎn)生的二次蒸汽為本段循環(huán)使用，各段間參數(shù)相互無(wú)藕合，參數(shù)調(diào)整比較容易。該系統(tǒng)除由閃蒸罐排出的水帶走熱量外再無(wú)其它的能量交換。熱泵在紙張干燥過(guò)程中典型的開(kāi)環(huán)流程，該流程與閉式的相比，在低溫段熱泵抽吸混合后的中壓蒸汽有部分被送到流漿箱系統(tǒng)。從流程效率角度講，閉環(huán)熱泵流程是最理想的流程，開(kāi)環(huán)熱泵流程則不及閉環(huán)熱泵流程。從工程實(shí)施角度講，開(kāi)環(huán)熱泵流程比閉環(huán)熱泵流程有更大的自由度。從而也更有實(shí)用價(jià)值。對(duì)于閉環(huán)熱泵流程，由于蒸汽環(huán)路的閉合特性，使得進(jìn)出熱泵的物流參數(shù)在確定的工藝條件下幾乎沒(méi)有選擇的余地。而對(duì)開(kāi)環(huán)熱泵流程而言，由于蒸汽環(huán)路的非閉合性使得進(jìn)出熱泵的物流參數(shù)獲得了一定的調(diào)節(jié)余地，從而使熱泵的流程設(shè)計(jì)也獲得了一定的自由度，為熱泵流程的工程實(shí)施提供了可能性。對(duì)于不同結(jié)構(gòu)的開(kāi)環(huán)流程，其可調(diào)參數(shù)的數(shù)目、可調(diào)幅度及其變化規(guī)律都有所不同。

5 結(jié)束語(yǔ)

紙機(jī)干燥部的發(fā)展有兩個(gè)方向。 一是對(duì)于烘缸接觸干燥應(yīng)繼續(xù)對(duì)熱泵供熱系統(tǒng)和虹吸管進(jìn)行研究和改造，通過(guò)實(shí)踐研究出最佳性能的蒸汽冷凝水系統(tǒng)，二是對(duì)于無(wú)接觸干燥，以發(fā)展汽浮干燥和紅外干燥技術(shù)為主，同時(shí)吸收其它先進(jìn)技術(shù)，不斷研發(fā)出新的干燥技術(shù)，其目的都是采用節(jié)能、降耗新技術(shù)不斷減少單產(chǎn)能耗，這也是目前增強(qiáng)企業(yè)產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力的有效途徑。對(duì)于紙機(jī)紙頁(yè)干燥部選用熱泵提供干燥能量時(shí)，其流程設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)實(shí)際工藝情況，經(jīng)流程工程分析，從安全、節(jié)能、成本的角度進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

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2012－9－9

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