湯 偉 孫振宇 方 輝 楊潤珊 高 祥

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

·干燥部熱力控制·

紙機(jī)干燥部熱力控制系統(tǒng)發(fā)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(xué)電氣與信息工程學(xué)院,陜西西安,710021；2.陜西科技大學(xué)輕工與能源學(xué)院,陜西西安,710021)

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

熱力控制系統(tǒng);蒸汽冷凝水系統(tǒng);氣罩通風(fēng)系統(tǒng);干燥部協(xié)同控制

隨著能源的短缺與價(jià)格的上漲,造紙工業(yè)中的能耗成本在生產(chǎn)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(fā)脫除濕紙幅中殘留水分、提高紙張強(qiáng)度的作用,其能耗約占整個(gè)造紙生產(chǎn)過程的60%,所消耗的蒸汽量占制漿造紙生產(chǎn)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(jī)能耗和生產(chǎn)成本的重要環(huán)節(jié)[2-3]。而干燥部能耗主要來源于兩部分,一是烘缸內(nèi)部(蒸汽冷凝水系統(tǒng))能耗,另一個(gè)是烘缸外部(氣罩通風(fēng)系統(tǒng))能耗,所以對(duì)于烘缸內(nèi)外部的研究都顯得尤為重要,其控制系統(tǒng)更是起著舉足輕重的作用。紙機(jī)按照烘缸的數(shù)量可分為單缸紙機(jī)和多缸紙機(jī)。干燥部只有一個(gè)大直徑烘缸的衛(wèi)生紙機(jī)和部分特種紙機(jī)為單缸紙機(jī),采用2～4組多烘缸干燥部的為多缸紙機(jī)[3]。單缸紙機(jī)干燥部熱力系統(tǒng)按烘缸內(nèi)外部主要分為蒸汽冷凝水子系統(tǒng)及熱回收子系統(tǒng)；多缸紙機(jī)的則分為蒸汽冷凝水子系統(tǒng)及密閉氣罩子系統(tǒng)。

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

圖1 多段供汽系統(tǒng)熱力流程示意圖

1 多缸紙機(jī)干燥部熱力控制系統(tǒng)

1.1 蒸汽冷凝水系統(tǒng)

老式低速紙機(jī)一般采用單段供汽(直接供汽)系統(tǒng)。這種供汽系統(tǒng)中,新鮮蒸汽由蒸汽總管直接通到每個(gè)烘缸內(nèi),烘缸內(nèi)的凝結(jié)水靠烘缸內(nèi)蒸汽壓力由排水裝置排出。雖然這種系統(tǒng)調(diào)節(jié)烘缸溫度比較方便、系統(tǒng)簡(jiǎn)單、對(duì)紙種適應(yīng)性強(qiáng),但由于無蒸汽循環(huán)、不凝氣體無法排出、烘缸內(nèi)積水嚴(yán)重等缺點(diǎn)導(dǎo)致其無法滿足高速紙機(jī)的干燥要求[4-5]。現(xiàn)代的高速紙機(jī)一般采用多段供汽系統(tǒng)、熱泵供汽系統(tǒng)及多段供汽與熱泵混合供汽系統(tǒng)等供汽方案。

1.1.1 多段供汽系統(tǒng)

多段供汽系統(tǒng)屬于被動(dòng)式蒸汽串聯(lián)供熱開式熱力系統(tǒng)。將干燥部烘缸進(jìn)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(jìn)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(shí)現(xiàn)了能量的梯級(jí)利用。

根據(jù)文獻(xiàn)[6-7]，傳統(tǒng)多段供汽系統(tǒng)中的基本控制方案及算法主要有以下5個(gè)方面。

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

(2)各段烘缸的壓差控制回路,采用常規(guī)的PID控制各段烘缸進(jìn)出口壓差,來維持各段烘缸所需的蒸汽推動(dòng)力,緩解積水現(xiàn)象,壓差控制的調(diào)節(jié)流程如圖2所示。

(3)比值控制回路,烘缸進(jìn)汽壓力與溫度呈線性關(guān)系,采用比值控制來確定各段烘缸間的進(jìn)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(wěn)地被干燥。

(4)閃蒸罐的液位連鎖控制回路,利用自控系統(tǒng)使各段烘缸的閃蒸罐保持正常的液位,不使紙機(jī)各段烘缸對(duì)應(yīng)的閃蒸罐間產(chǎn)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(diào)節(jié)排汽閥的開度穩(wěn)定吹貫蒸汽的流量。因?yàn)樵诤娓渍９ぷ鳡顟B(tài)下,吹貫蒸汽的流量變化與冷凝速率的變化呈線性關(guān)系。所以,穩(wěn)定了吹貫蒸汽流量,就相當(dāng)于穩(wěn)定了烘缸內(nèi)的壓力和冷凝速率。

圖2 壓差控制調(diào)節(jié)流程

圖3 液位連鎖控制流程

圖4 閉式熱泵供汽系統(tǒng)熱力流程示意圖

圖5 熱泵開度控制規(guī)律圖

根據(jù)文獻(xiàn)[4-5]、[8-9]可知，多段供汽系統(tǒng)合理地使用了不同質(zhì)級(jí)的能量,達(dá)到了節(jié)能和改善工藝的目的。但由于其結(jié)構(gòu)上的不足存在不利于單獨(dú)調(diào)節(jié)各段烘缸的供汽壓力和用汽量、熱力系統(tǒng)運(yùn)行不正常、普遍存在著紙機(jī)烘缸積水現(xiàn)象等缺陷。

1.1.2 熱泵供汽系統(tǒng)

為彌補(bǔ)多段供汽系統(tǒng)的主要不足,熱泵技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用。根據(jù)文獻(xiàn)[4-5,10]可知，熱泵供汽系統(tǒng)利用蒸汽噴射式熱泵代替節(jié)流減壓,向各段烘缸供給所需品位和數(shù)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(chǎn)循環(huán)使用[8]。根據(jù)二次蒸汽的流向,熱泵供汽系統(tǒng)可分為開式熱泵供汽系統(tǒng)和閉式熱泵供汽系統(tǒng),文獻(xiàn)[7]中對(duì)兩種供汽系統(tǒng)做了詳細(xì)的闡述。閉式熱泵供汽系統(tǒng)的熱力流程如圖4所示,與開式熱泵供汽系統(tǒng)相比,一個(gè)顯著區(qū)別是其二次蒸汽經(jīng)由熱泵提升品位后只供本段烘缸使用,不足的部分通過補(bǔ)汽來實(shí)現(xiàn)而不是開式熱泵供汽系統(tǒng)的供下一段烘缸使用。因此,閉式熱泵供汽系統(tǒng)各段烘缸之間的聯(lián)系幾乎完全被切斷,相互之間的耦合作用小,容易控制。

根據(jù)文獻(xiàn)[11-12]熱泵供汽控制系統(tǒng)相較于多段供汽控制系統(tǒng)還需增加熱泵的低選控制，熱泵開度的動(dòng)作規(guī)律如圖5所示,即動(dòng)作選擇閃蒸罐出口管道孔板差壓控制回路和烘缸進(jìn)汽壓力控制回路中理論輸出開度較小的數(shù)值的二倍作為熱泵調(diào)節(jié)器的輸出,即進(jìn)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(dá)到節(jié)能的目的。

1.1.3 多段供汽與熱泵供汽相結(jié)合的供汽方案

多段供汽系統(tǒng)屬于被動(dòng)式蒸汽串聯(lián)供熱系統(tǒng),存在烘缸積水及由其導(dǎo)致的烘缸傳熱效率低、能耗增加等問題。在供汽系統(tǒng)中加入熱泵雖然在一定程度上解決了這些問題,但是當(dāng)工況發(fā)生較大變化時(shí),由于熱泵自身的調(diào)節(jié)范圍較窄,故失去作用。在不同的應(yīng)用場(chǎng)合,兩種系統(tǒng)各有優(yōu)缺點(diǎn)。根據(jù)文獻(xiàn)[13-14]，多段供汽與熱泵供汽相結(jié)合的供汽方案在解決了傳統(tǒng)三段供汽問題的同時(shí)加強(qiáng)了熱泵的作用,節(jié)能效果明顯,應(yīng)用場(chǎng)合更加廣泛。

多段供汽與熱泵相結(jié)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(tǒng)可供選擇。多段供汽與兩種熱泵供汽系統(tǒng)的結(jié)合方案如圖6和圖7所示。

該系統(tǒng)所采用的控制方案與熱泵供汽系統(tǒng)基本相同。但是,欲使這一方案成功應(yīng)用,必須對(duì)蒸汽冷凝水系統(tǒng)進(jìn)行比較精確的熱力計(jì)算,以合理分配烘缸分組,規(guī)劃蒸汽流向,計(jì)算熱力管道直徑,設(shè)計(jì)控制方案等。關(guān)于熱力計(jì)算這一關(guān)鍵技術(shù)問題,文獻(xiàn)[13-14]給出詳細(xì)的計(jì)算過程,進(jìn)行了詳細(xì)的蒸汽冷凝水系統(tǒng)熱力平衡計(jì)算。

1.2 密閉氣罩控制系統(tǒng)

在紙機(jī)干燥部中,烘缸外部(氣罩部分)占有30%～35%的貢獻(xiàn)率。其運(yùn)行性能嚴(yán)重影響紙機(jī)運(yùn)行效率、生產(chǎn)能耗和產(chǎn)品質(zhì)量。隨著紙機(jī)車速的提高,氣罩形式逐漸從敞開式氣罩發(fā)展為半密閉氣罩再到密閉式氣罩。在高速紙機(jī)中,由于密閉氣罩具有熱回收效率高、進(jìn)排風(fēng)量較小、操作時(shí)溫濕度較高等優(yōu)勢(shì),在紙機(jī)中得到了廣泛的應(yīng)用。

1.2.1 工藝流程

根據(jù)文獻(xiàn)[15-20],密閉氣罩通風(fēng)系統(tǒng)的基本工作流程可描述如下：紙幅干燥過程產(chǎn)生的濕熱空氣通過密閉氣罩上部的匯風(fēng)道進(jìn)入第一級(jí)氣-氣熱回收裝置,進(jìn)行余熱回收后送到第二級(jí)氣-氣熱回收裝置,繼續(xù)回收余熱；氣罩袋區(qū)送風(fēng)系統(tǒng)將新風(fēng)經(jīng)第一級(jí)氣-氣熱回收裝置預(yù)熱后,再經(jīng)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(qū)吹風(fēng)箱和紙幅進(jìn)出口吹風(fēng)箱；第二級(jí)氣-氣熱回收裝置用來預(yù)熱室外新風(fēng),再經(jīng)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(jìn)出口吹風(fēng)箱,防止氣罩內(nèi)外氣體之間發(fā)生對(duì)流；經(jīng)余熱回收后的濕熱蒸汽經(jīng)氣罩排風(fēng)系統(tǒng)抽吸到車間之外。具體的密閉氣罩通風(fēng)系統(tǒng)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(tǒng)結(jié)合熱力流程示意圖

圖7 多段供汽與閉式熱泵供汽系統(tǒng)結(jié)合熱力流程示意圖

圖8 密閉氣罩系統(tǒng)熱力流程示意圖

1.2.2 控制要點(diǎn)

根據(jù)文獻(xiàn)[15-20],密閉氣罩系統(tǒng)采用的控制要點(diǎn)主要有以下3點(diǎn)。

(1)氣罩零位控制?？刂坪脷庹至阄皇强刂茪庹謨?nèi)溫濕度和平衡進(jìn)出風(fēng)量、節(jié)約能源、提高能源利用率的前提和關(guān)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(fēng)量和排風(fēng)量的大小。

(2)排風(fēng)露點(diǎn)控制。露點(diǎn)溫度越低,單位質(zhì)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(diǎn)溫度越高,單位質(zhì)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(fù)擔(dān)就越大。因此,排風(fēng)系統(tǒng)的露點(diǎn)控制是保證密閉氣罩能否正常運(yùn)轉(zhuǎn)、杜絕氣罩頂板凝露滴水的關(guān)鍵。

(3)送風(fēng)溫度控制。干燥熱風(fēng)的溫度越高,消耗的熱能就越多。同時(shí),干燥熱風(fēng)的能耗與送風(fēng)量呈正比,而送風(fēng)量與氣罩零位有關(guān)。因此,干燥熱風(fēng)的溫度設(shè)定受制于氣罩的送風(fēng)量和排風(fēng)量,即與氣罩零位控制回路和排風(fēng)露點(diǎn)控制回路存在耦合關(guān)系,不是一個(gè)簡(jiǎn)單的單回路控制問題。

1.2.3 控制策略

(1)排風(fēng)溫濕度選擇控制算法。對(duì)于這個(gè)復(fù)合控制回路,需要盡量提高排風(fēng)溫度但又不超過上限值,采用高端選擇控制算法來保證實(shí)際排風(fēng)溫濕度落在設(shè)定值區(qū)間范圍內(nèi),并使系統(tǒng)平衡點(diǎn)向紙幅蒸發(fā)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(jìn)風(fēng)量和排風(fēng)量難以在線準(zhǔn)確測(cè)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(hào)為反饋控制量,上層氣罩溫度平均值為前饋信號(hào)構(gòu)成前饋-反饋控制回路,實(shí)現(xiàn)對(duì)氣罩零位的快速準(zhǔn)確控制。

(3)氣罩熱風(fēng)風(fēng)溫分程控制算法。蒸汽冷凝水熱力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)往往同密閉氣罩供熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)結(jié)合起來,以最大限度地利用余熱,達(dá)到節(jié)能減排的環(huán)保目的。新風(fēng)進(jìn)入通風(fēng)管道后經(jīng)過3片加熱器,加熱介質(zhì)分別為蒸汽冷凝水、二次蒸汽和新鮮蒸汽。通過調(diào)節(jié)二次蒸汽與新鮮蒸汽閥門開度控制送風(fēng)溫度。

圖9 單缸紙機(jī)干燥部能耗協(xié)同熱力流程示意圖

2 單缸紙機(jī)干燥部熱力控制系統(tǒng)

單缸紙機(jī)干燥部分為蒸汽冷凝水子系統(tǒng)和熱回收子系統(tǒng)。在單缸紙機(jī)中,只有1個(gè)大直徑烘缸,所以干燥部的結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單,主要設(shè)備包括揚(yáng)克烘缸、流量調(diào)節(jié)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(tǒng)

采用帶有熱泵的蒸汽冷凝水系統(tǒng)取代傳統(tǒng)的由疏水閥被動(dòng)排水的系統(tǒng)可以有效地解決烘缸積水問題、改善系統(tǒng)傳熱效率、節(jié)約蒸汽用量,從而達(dá)到節(jié)能減排的目的[21-22]。新鮮蒸汽進(jìn)入烘缸進(jìn)行加熱,產(chǎn)生的冷凝水進(jìn)入閃蒸罐,閃蒸出的二次蒸汽在可調(diào)熱泵內(nèi)與新鮮蒸汽混合,提升品位后進(jìn)入烘缸,不足部分由新鮮蒸汽補(bǔ)足。閃蒸罐產(chǎn)生的冷凝水進(jìn)入下一級(jí)閃蒸罐,后者產(chǎn)生的冷凝水與二次蒸汽進(jìn)入熱回收子系統(tǒng)進(jìn)行回收利用。

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

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

(2)可調(diào)熱泵低選控制回路?？烧{(diào)熱泵通過對(duì)來自閃蒸罐的二次蒸汽提升品位回收利用的方法方式節(jié)約熱能。本回路采取分程控制的方式,與烘缸補(bǔ)氣閥進(jìn)行連鎖,保證二次蒸汽最大利用率,節(jié)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(nèi)吹慣蒸汽量,是解決烘缸積水問題的一項(xiàng)重要措施。

(4)閃蒸罐液位連鎖控制回路。閃蒸罐容積較小,當(dāng)紙機(jī)啟動(dòng)或者運(yùn)行狀態(tài)發(fā)生變化時(shí),容易產(chǎn)生大量冷凝水,而閃蒸罐排水閥排水能力有限,會(huì)發(fā)生閃蒸罐滿水狀況。

2.2 熱回收子系統(tǒng)

新風(fēng)由抽風(fēng)機(jī)吸入到氣罩系統(tǒng)風(fēng)道內(nèi),進(jìn)入第一個(gè)加熱器中預(yù)熱,經(jīng)過預(yù)熱的溫空氣經(jīng)過系統(tǒng)中后面3個(gè)換熱器將溫度提升到所需要的工作溫度后進(jìn)入氣罩內(nèi)對(duì)紙幅進(jìn)行加熱。其中第一個(gè)換熱器使用氣罩排出的濕熱空氣進(jìn)行加熱,第二、第三個(gè)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(fēng)加熱到工藝所需溫度,整個(gè)過程高效地利用了二次蒸汽與冷凝水,節(jié)約了汽耗。

外部冷風(fēng)經(jīng)循環(huán)風(fēng)機(jī)進(jìn)入氣罩通風(fēng)系統(tǒng)內(nèi),經(jīng)過濕熱蒸汽預(yù)熱、冷凝水加熱器加熱后,由后2個(gè)加熱器協(xié)同加熱到所需溫度。2個(gè)加熱器控制回路采用分程控制算法協(xié)同控制送風(fēng)溫度達(dá)到所要求的穩(wěn)定值：2個(gè)加熱器的進(jìn)熱介質(zhì)分別用1只閥門控制,控制算法為PID/PI,但控制回路設(shè)定值為同一數(shù)值；只有當(dāng)二次蒸汽加熱器的調(diào)節(jié)閥全開時(shí),新鮮蒸汽加熱器的閥門才開始打開。

3 干燥部能耗協(xié)同控制系統(tǒng)

能耗協(xié)同控制,即綜合考慮蒸汽冷凝水系統(tǒng)與氣罩通風(fēng)系統(tǒng)的能量消耗,實(shí)現(xiàn)二次熱能的循環(huán)綜合利用控制,以達(dá)到進(jìn)一步降低干燥部能耗的目的。由以上紙機(jī)干燥部的發(fā)展歷程可以看出,無論是單缸紙機(jī)還是多缸紙機(jī),其蒸氣冷凝水系統(tǒng)及氣罩通風(fēng)系統(tǒng)皆發(fā)展到了比較成熟的階段,單個(gè)系統(tǒng)的能耗也趨于穩(wěn)定。但是立足于降低紙機(jī)干燥部整體的能耗,不但要提高蒸汽冷凝水系統(tǒng)(烘缸內(nèi)部)的干燥效率,而且還要考慮氣罩通風(fēng)系統(tǒng)(烘缸外部)內(nèi)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(tǒng)供應(yīng)商和密閉氣罩設(shè)備供應(yīng)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(dǎo)致了蒸汽能量的大量浪費(fèi)。所以,研究紙機(jī)干燥部蒸汽冷凝水系統(tǒng)與氣罩通風(fēng)系統(tǒng)的協(xié)同控制策略將成為紙機(jī)節(jié)能的新發(fā)展趨勢(shì),并且意義重大。

3.1 工藝流程

無論單缸紙機(jī)還是多缸紙機(jī),其干燥部的蒸汽冷凝水系統(tǒng)(烘缸內(nèi)部)均會(huì)產(chǎn)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(fēng)系統(tǒng)又需要大量熱源將冷風(fēng)加熱到一定溫度通入氣罩內(nèi)部以改善紙張的干燥環(huán)境。將蒸汽冷凝水系統(tǒng)產(chǎn)生的這部分二次蒸汽及冷凝水用于氣罩通風(fēng)系統(tǒng),作為冷空氣加熱器的熱源,即干燥部能耗協(xié)同,圖10所示為干燥部能耗協(xié)同熱力流程。目前我國新上紙機(jī)生產(chǎn)線大部分采用這種方式進(jìn)行余熱余能的回收利用。干燥部能耗協(xié)同可以回收利用二次能源,干燥部能耗協(xié)同控制策略的研究不僅可以保證能耗協(xié)同方案的實(shí)現(xiàn),而且有利于實(shí)現(xiàn)紙機(jī)干燥部整體節(jié)能降耗的全局優(yōu)化,最大化地節(jié)約能源[23-26]。

圖10 紙機(jī)干燥部能耗協(xié)同熱力流程示意圖

3.2 優(yōu)化方案

紙機(jī)干燥部屬于復(fù)雜工業(yè)過程,為了解決干燥部的節(jié)能控制、全局優(yōu)化等問題,國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的研究工作：在蒸汽冷凝水系統(tǒng)中有熱泵的應(yīng)用、烘缸內(nèi)部的熱力平衡計(jì)算等研究方向；在氣罩通風(fēng)系統(tǒng)中應(yīng)用各種優(yōu)化算法對(duì)控制策略進(jìn)行優(yōu)化以達(dá)到節(jié)能的目的；此外還有相當(dāng)一部分學(xué)者針對(duì)烘缸內(nèi)部及外部進(jìn)行了熱力學(xué)模型的建立。這些工作在機(jī)理分析的基礎(chǔ)上,開展干燥過程的建模和優(yōu)化控制研究,成果的工業(yè)應(yīng)用對(duì)穩(wěn)定生產(chǎn)、提高產(chǎn)品產(chǎn)量與質(zhì)量發(fā)揮了重要作用。然而,在紙張干燥過程中,蒸汽冷凝水系統(tǒng)與氣罩通風(fēng)系統(tǒng)存在能量的交互,并且干燥部結(jié)構(gòu)、熱力流程較為復(fù)雜,導(dǎo)致干燥過程的建模和操作參數(shù)的優(yōu)化調(diào)整極其困難。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展以及基礎(chǔ)自動(dòng)化水平的大幅提升,紙張干燥過程中積累了大量工業(yè)運(yùn)行在線數(shù)據(jù)及離線數(shù)據(jù),其中包含了豐富的反映生產(chǎn)運(yùn)行規(guī)律和工藝參數(shù)之間關(guān)系的潛在信息,為生產(chǎn)過程的優(yōu)化控制提供了有利條件。因此,針對(duì)紙張干燥過程的特點(diǎn),充分利用生產(chǎn)過程長期運(yùn)行積累的工業(yè)數(shù)據(jù),研究基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的操作模式優(yōu)化方法,具有很強(qiáng)的研究意義和應(yīng)用前景[27-28]。

紙張干燥過程經(jīng)過長期的工業(yè)運(yùn)行已經(jīng)積累了大量的數(shù)據(jù),這些數(shù)據(jù)包括輸入輸出數(shù)據(jù)及其他的相關(guān)工藝參數(shù)數(shù)據(jù),針對(duì)這部分?jǐn)?shù)據(jù),應(yīng)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)及模糊理論等方法可以建立干燥部熱力學(xué)模型,以彌補(bǔ)傳統(tǒng)機(jī)理建模準(zhǔn)確性不足、適應(yīng)性不強(qiáng)等缺點(diǎn)；為了實(shí)現(xiàn)干燥部的全局節(jié)能降耗,根據(jù)建立的熱力學(xué)模型,應(yīng)用數(shù)學(xué)規(guī)劃法建立能耗優(yōu)化模型并應(yīng)用遺傳算法等優(yōu)化算法對(duì)優(yōu)化模型進(jìn)行求解以得到最優(yōu)的控制策略；能耗優(yōu)化模型不易建立時(shí),可以采用基于數(shù)據(jù)的操作模式優(yōu)化方法,即：從實(shí)際生產(chǎn)中積累的大量紙張干燥過程運(yùn)行數(shù)據(jù)中挖掘出優(yōu)化操作模式,建立優(yōu)化操作模式庫,并根據(jù)當(dāng)前的工業(yè)運(yùn)行狀態(tài),庫中尋找與之最匹配的操作模式。

4 結(jié) 語

本文對(duì)我國普遍應(yīng)用的兩種紙機(jī),即單缸紙機(jī)和多缸紙機(jī)的干燥部熱力系統(tǒng)典型工藝流程及控制方案及控制算法進(jìn)行了歸納總結(jié)。因?yàn)槎喔准垯C(jī)干燥部結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,隨著紙機(jī)車速及對(duì)能耗控制要求的提高,其蒸氣冷凝水系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)為單段供汽-多段供汽-熱泵供汽-多段供汽與熱泵相結(jié)合等熱力控制系統(tǒng),功能日趨完善,能耗控制水平不斷提高。由于氣罩部分對(duì)于紙張干燥的貢獻(xiàn)率高達(dá)30%左右,所以對(duì)于氣罩部分的研究同等重要,研究蒸氣冷凝水系統(tǒng)及氣罩通風(fēng)系統(tǒng)相結(jié)合的能耗協(xié)同系統(tǒng)已成為必然趨勢(shì),而對(duì)于能耗協(xié)同系統(tǒng)的控制策略研究顯得尤為重要。目前紙機(jī)能耗問題已然成為造紙行業(yè)的熱點(diǎn)問題之一,無論對(duì)于蒸汽冷凝水系統(tǒng)還是氣罩通風(fēng)系統(tǒng)都有大量的文獻(xiàn)進(jìn)行了相關(guān)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(jié)合目前紙機(jī)干燥部存在的問題,歸納出紙機(jī)干燥部熱力控制系統(tǒng)未來的發(fā)展趨勢(shì)主要有以下4個(gè)方面。

(1)控制策略方面。截至目前都是對(duì)兩部分熱力控制系統(tǒng)進(jìn)行分開研究,顧此失彼,無法做到綜合考慮整個(gè)干燥部熱力系統(tǒng)、對(duì)紙機(jī)耗能最大的部分進(jìn)行整體能耗優(yōu)化。所以需要整體優(yōu)化代替局部?jī)?yōu)化,即干燥部能耗協(xié)同控制。

(2)硬件設(shè)備方面。熱泵供汽系統(tǒng)的節(jié)能效果與熱泵尺寸設(shè)計(jì)密切相關(guān),提高并保持較大的熱泵噴射系數(shù)是熱泵設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。熱泵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程復(fù)雜,很多結(jié)構(gòu)參數(shù)是依據(jù)經(jīng)驗(yàn)來判定,熱泵性能得不到有效保證?？梢越岜眯阅苤笜?biāo)與結(jié)構(gòu)尺寸模型,進(jìn)行優(yōu)化并得出最優(yōu)結(jié)構(gòu)尺寸。

(3)熱量回收方面。氣罩通風(fēng)系統(tǒng)排出的濕熱空氣在預(yù)熱新風(fēng)后仍具有一定的熱量殘余,但是目前并沒有對(duì)其進(jìn)行熱回收的方案,而是直接將其排入大氣,不僅浪費(fèi)了能源,還對(duì)環(huán)境造成了一定的污染?？梢哉业綄?duì)這部分能源進(jìn)行回收利用的辦法,減少浪費(fèi)。

(4)優(yōu)化策略方面。由于紙張干燥過程復(fù)雜,生產(chǎn)過程長期運(yùn)行積累了大量的在線及離線數(shù)據(jù),因此研究基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的操作模式優(yōu)化方法,具有很強(qiáng)的研究意義和應(yīng)用前景。

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(責(zé)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(diǎn)科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)計(jì)劃項(xiàng)目(2014KCT-15)；咸陽市科技計(jì)劃項(xiàng)目(2012K03- 01)；陜西省教育廳重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室科研計(jì)劃項(xiàng)目(15JS013)。

湯 偉先生，博士，教授；研究方向：工業(yè)智能控制及工業(yè)高級(jí)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。