纸板机气罩控制体系的设计

【前言】纸板机气罩控制体系的设计由文秘帮小编整理而成，但愿对你的学习工作带来帮助。采用密闭气罩后，造纸机的排风温度会升高，湿度会增大，热焓值变高，因此，必须采取科学合理的余热回收措施来回收湿热蒸汽带走的热能，实现能量的循环利用，达到节能减排、保护环境的目的。对于一个机械结构设计合理的密闭气罩而言，其控制的要点和难点可总结如下: (1...

纸张抄造过程实质上是一个纤维分散和脱水的过程。虽然干燥部脱除的水量仅为纸张抄造全过程脱水总量的1%～2%，但干燥部脱水费用为湿部脱水费用的9～70倍，干燥部消耗的蒸汽量占制浆造纸生产过程汽耗总量的65%以上，所以提高干燥效率成为降低纸机能耗和生产成本的重要环节［1-2］。然而，长期以来，业界人士将精力主要集中在烘缸干燥的内部，即烘缸供热系统的研究及应用上，发展了诸如多段供汽系统、热泵供汽系统和多段供汽和热泵供汽相结合的供汽系统等多种蒸汽冷凝水热力系统［3］，但却忽视了烘缸外部的纸幅干燥环境，关于这方面的文献报道较少［1-2，4-7］。但就纸机干燥部对水分蒸发的贡献率而言，烘缸内部占65%～70%，烘缸外部(即气罩部分)占30%～35%［8］。因此，改善气罩内部的温湿环境是提高造纸机干燥效率的一个重要手段。随着造纸机幅宽的增加、车速的提高，国家节能减排方针政策执行力度的加大，各浆纸企业在对烘缸蒸汽冷凝水热力系统进行改造的同时，也开始将注意力转移到对气罩通风系统的改造上，从敞开式气罩发展到半封闭式气罩和密闭气罩［4］。欲使密闭气罩保持良好的通风排湿效果，除了科学合理的机械结构设计之外，控制系统的设计也非常重要，直接影响到纸幅蒸发效率和气罩的运行能耗［6-7］。本文在分析密闭气罩控制要点和难点的基础上，针对能耗较高的带表面施胶的涂布白纸板生产线，设计了一套基于西门子S7-300PLC的密闭气罩DCS控制系统，阐述了控制系统的设计方案和所采用的高级控制算法，最后给出了设计建议。

1密闭气罩控制要点及难点分析

1.1密闭气罩结构及通风除湿工艺流程

一个单体密闭气罩主要由气罩板、余热回收装置和通风装置等3部分组成，它将纸机干燥部严密地包围起来，罩内空气与车间空气完全隔离，使纸张生产不受环境影响。高保温高露点的密闭气罩的气罩板为“三明治”结构，内侧为防锈铝平板，外侧为防锈铝波纹板，中间为保温棉，板与板之间为可拆插式迷宫结构，辅以橡胶密封条。气罩操作侧设有电动提升门，传动侧设有手拉滑动门，罩体内设有照明和消防装置。余热回收装置常采用模块化制作工艺，一般包括汇风段、换热段和回风段3个部分。其中，汇风段和回风段主要起引导气流的作用，换热段用于回收热能。换热元件为不锈钢管或防锈铝管，呈列管式结构，气罩排风走管程，新鲜空气走壳程，换热管可通过自动喷淋清洗装置定时清洗。通风装置包括排风装置和送风装置，一般都选用变频轴流风机或离心风机。密闭气罩通风系统的基本工作流程［5］可描述如下:纸幅干燥过程产生的湿热空气，通过设在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。气罩通风系统还配置有功能完备的控制系统，对气罩送风温度、排风湿度和气罩零位等重要参数进行自动控制，确保密闭气罩能够发挥预期的节能降耗、提高纸品抄造质量。具体的带测控点的密闭气罩通风系统流程示意图如图1所示。对于带表面施胶的涂布白纸板生产线而言，一般包括三段如图1中所示的密闭气罩单元。

1.2控制要点和难点

采用密闭气罩后，造纸机的排风温度会升高，湿度会增大，热焓值变高，因此，必须采取科学合理的余热回收措施来回收湿热蒸汽带走的热能，实现能量的循环利用，达到节能减排、保护环境的目的。对于一个机械结构设计合理的密闭气罩而言，其控制的要点和难点可总结如下:

(1)气罩零位控制

气罩零位是气罩内外空气压力相等点(压差为零点)的一个高度值。在气罩传动侧的垂直立柱上安有内流管，每个单体密闭气罩的首、尾端各安装了1个，空气从这里自由流入气罩或由气罩内自由流出。“零位”以下，空气从气罩外向气罩内流动;“零位”以上，空气从气罩内向气罩外流动。密闭气罩是通过控制气罩内温湿度和平衡进出风量来达到节约能源、提高能源利用率的目的，而控制好气罩零位又是达到上述目的的前提和关键。有效的零位控制可有效阻止气罩内湿热空气散失到厂房环境，同时阻止气罩外冷空气进入气罩内，影响干燥部的运行。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

空气的温度越高，它能含有的水蒸气就越多，当空气中的水蒸气含量达到最大值时，此时的空气便被水蒸气饱和。在水蒸气含量不变的情况下，温度的降低能够使空气中原来未达饱和的水蒸气变成饱和蒸汽，多余的水分就会析出。空气在水蒸气含量和气压都不变的条件下冷却到饱和时的温度数值叫做露点。由于当空气中的水蒸气达到饱和时的气温与露点温度相同，而水蒸气未达到饱和时气温一定高于露点温度，所以露点与气温的差值可以表示空气中的水蒸气距离饱和的程度，测定露点实际上就是测定了空气中的绝对湿度。在一定温度和压力下，空气中所含未饱和水蒸气量与在同温同压下空气中所含饱和水蒸气量之比称为相对湿度。露点温度对应的相对湿度为100%，再增加湿度时，便有水滴凝结，纸机干燥部通风换气就是基于此原理，利用一定温度一定量的空气带走纸幅蒸发出来的水分，从而达到烘干纸幅的目的。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

纸幅干燥速度是由水蒸气从空气与纸幅表面间的饱和区域向周围的未饱和区域扩散的速度决定的。因此，向气罩内供送干燥热风，用来置换蒸发扩散区域的高湿空气，是高速纸机提高干燥能力的有效手段。干燥热风除了需要用一级、二级气-气热回收装置进行预热之外，更多的是需要通过新鲜蒸汽或蒸汽冷凝水系统产生的二次蒸汽加热来获得。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成正比，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。另外，充分利用二次蒸汽、尽量少用新鲜蒸汽来加热气罩热风是干燥部节能的又一关键。

(4)气罩运行能耗优化控制

对于涂布白纸板机而言，不但纸机传动的电耗很大，由于纸幅中的含水量比较大，所以排风量、送风量、排送风动力也很大。如果设备选型和运行参数不合理，密闭气罩的效能就难以充分发挥。同时，因纸机种类、产能、布置方式等不同，密闭气罩的运行参数差别也较大;同一台纸机在不同的季节运行参数也存在差别。因此，需要建立密闭气罩的能耗模型，以最小化能耗为目标函数，通过最优化求解得到满足纸张质量指标约束条件下的关于送风量、排风量、送风温度等运行参数的最优值。这工作尚未见到应用方面的报道，是密闭气罩优化控制方面的一个热点研究课题。

(5)消防安全控制

在正常生产过程中，造纸机很少会出现火灾等问题，因此，对于采用敞开式气罩的抄纸生产线，几乎不考虑消防问题。对于密闭气罩，尤其是高湿度密闭气罩，由于封闭很严密，一旦纸机内部出现火灾，如果不采取必要的消防在线检测措施很难及时发现。因此，必须配套火灾自动检测和灭火装置，随时将潜在的火灾事故消灭于萌芽状态。这也是密闭气罩自动控制系统的一项重要功能。

2密闭气罩控制方案及控制算法

2.1总体控制方案

根据上述密闭气罩的控制要点和难点，针对带施胶的涂布白纸板机，提出了如图2所示的基于S7-300PLC的密闭气罩DCS控制系统。从图2可看出，系统由4台工控机、1台CPU315-2DP和2个ET200M站构成三级DCS。其中，CPU315-2DPPLC为本DCS的核心，完成现场各参数的采集、处理和控制运算;两台工控机分别为密闭气罩子系统操作员站和蒸汽冷凝水热力子系统操作员站，执行人机接口功能，操作员对现场的监视和操作主要通过这两台工控机来完成;1台工控机为过程优化控制站，用于密闭气罩子系统运行参数优化和蒸汽冷凝水子系统中的部分高级控制和优化功能;1台工控机为工程师站，用于工程师对生产现场的监视、打印报表、对工艺参数和控制器参数的修改以及对DCS局部功能的完善和增补等。这里将蒸汽冷凝水热力控制子系统与本密闭气罩控制子系统共用一个CPU315-2DP，目的是为了节约控制系统硬件投资成本，并且在控制系统结构上也更加紧密，符合DCS设计的根本思想。系统设置了三级网络:工业以太网、MPI/DP网和Profibus-DP网。其中工业以太网用于工程师站与操作员站及优化控制站之间的信息交换，MPI/DP网用于CPU315-2DP与操作员站和优化控制站之间的相互通讯，Profibus-DP网用于CPU315-2DP与各ET200M站之间的高速通讯。另外，系统还提供了丰富的接口功能，能够与造纸厂的其他工段或车间，如备浆流送(湿部)工段、QCS工段和制浆车间等方便地进行联网和通讯。

2.2主要控制算法

在密闭气罩DCS控制系统的基本控制级中，采取的控制算法主要有:排风温湿度选择控制算法、气罩零位前馈反馈控制算法、气罩热风风温分程控制算法和气罩消防智能控制算法。

(1)排风温湿度选择控制算法

对于这个复合控制回路，理论上希望排风温度越高越好，因为在风压相同的情况下，排风温度越高，单位质量的干空气带走的水蒸气就越多，湿热空气的相对湿度就越大，纸幅蒸发效率就越高。但当湿热空气的相对湿度超过一定数值时，密闭气罩内的纸毛就会同湿热空气的水蒸气结合形成纸疤，跌落在纸面上而导致纸病。因此，湿度设定有一个上限值。对于涂布白纸板而言，相对湿度的设定值一般为35%～45%，排风温度的设定值一般为75～85℃。这里，采用如图3所示的高端选择控制算法(HPS，High Point Selector)来保证实际排风温湿度落在上述设定值区间范围内，并使系统平衡点向纸幅蒸发效率提高的方向靠近。在图3中，T表示排风温度，H表示排风湿度，TSP表示排风温度设定值，HSP表示排风湿度设定值，U(t)、U1(t)、U2(t)表示控制输入，PID表示比例、积分、微分控制算法。

(2)气罩零位前馈反馈控制算法

这一控制回路决定着密闭气罩内部压力场的分布。实际应用中，通过控制密闭气罩的压力零点位置来控制其压力场，从而达到平衡气罩进、出风量的目的。图4描述了密闭气罩内外压差随气罩高度的变化关系，图4中上层气罩压差ΔPU和下层气罩压差ΔPL的计算公式见式(1)和式(2)［1］。其中，ρ0为车间空气密度，其数值冬天为1.20kg/m3，夏季为1.12kg/m3，ρU=1.08～1.09kg/m3，为上层气罩内的湿空气密度，可视为常数。由式(1)和式(2)可以看出，在气罩零位处，压差为零;在上层气罩内部，压差随高度的升高呈线性规律增加;在下层气罩，由于气罩内空气温湿度与车间内相近，可认为气罩内空气密度ρL约等于ρ0，气罩内外压差不变。因此，欲控制密闭气罩零位高度，只需要控制上层气罩内部压力场的分布即可［9］。密闭气罩零位过低，大量水蒸气会流入车间，影响工作环境，同时浪费大量的能源;但若零位过高，会使气罩内渗入大量的冷风，引起纸幅抖动。文献［1］给出如式(3)的计算气罩零位的经验公式:式中，ΔPU0为上层气罩门顶部位置内外压差，一般设置为2.5Pa，由此可以计算出h0=2.4m。实际生产中零位一般控制在高于上层气罩底边1.5～2.5m处，并通过改变风机通风量来控制零位。由于气罩零位随气罩内温度和进排风量差之间的变化规律可以由式(4)和式(5)来定量描述:式中，TU和HU分别为上层气罩的送风温度和排气湿度，P为空气压力，ΔQ为气罩进风量、排风量之差，W为单位时间纸幅的蒸发水量，FU和FL分别为上、下层气罩门缝的总面积，μ为气罩门缝的流量系数。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，因此，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，控制原理如图5所示。其中，TUSP表示上层气罩送风温度设定值，ΔP0SP表示气罩零位内外压差设定值，U(t)表示控制输入，G0c(s)和Gfc(s)分别表示反馈控制器和前馈控制器，G0c(s)通常采用PID控制器，而Gfc(s)可以由式(4)计算得出。

(3)气罩热风风温分程控制算法

这一控制回路决定着密闭气罩的节能状况。当前，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。对于涂布白纸板机，通常采用3套通风系统，每套配备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。干热空气加热通道的热力流程及温度分程控制原理分别如图6和图7所示。在图6和图7中，三片加热器的进热介质分别用一只阀门控制，控制算法为PID/PI，但控制回路设定值为同一数值;阀门V1和V2的全开状态信号要分别送给TIC-102和TIC-103;V3和V2的全关状态信号要分别送给TIC-102和TIC-101;只有当V3全开时，V2才开始打开，只有当V2全开时，V1才开始打开;但是V3要保持一个最小开度，以维持蒸汽冷凝水热力系统的状态稳定。

(4)气罩消防智能控制算法

这是一项安全保护控制措施，在实际生产过程中也是不可缺少的部件。在气罩顶部的不同部位，安装有数十只温度传感器，用于在线检测着火点，并采取蒸汽喷雾的方式进行自动灭火。这里将人的经验总结为知识条，采用仿人智能的方法在线检测着火部位，并自动启动消防预案，进行灭火。仿人智能程序段的主体部分见图8。

2.3几点建议

尽管密闭气罩对改善生产环境，降低生产能耗，提高纸机效率和产品质量意义重大，但欲使其发挥良好的节能降耗功能，需要从热力系统设计和控制系统设计两大方面下功夫，这里特提出如下建议:

(1)重视密闭气罩的作用，设计者不能只将注意力放在烘缸的内部，也要考虑烘缸外部的热力环境。文献［10］表明，烘缸蒸汽冷凝水热力系统对纸幅干燥的贡献率为65%～75%，剩余部分取决于烘缸外部的气罩。良好的密闭气罩设计可以大大降低造纸机的运行成本，并有效改善造纸生产环境，降低不同季节的吨纸汽耗波动。

(2)密闭气罩供热系统设计要与蒸汽冷凝水热力系统设计结合起来，统一进行能量衡算。鉴于目前蒸汽冷凝水系统常采用的热泵尚未形成象自控仪表、阀门那样的标准件，设计院通常将需要采用热泵的烘缸蒸汽冷凝水热力系统设计交给热泵供应商来完成，而热泵供应商往往又不设计密闭气罩系统，所以，因缺少统一设计而导致DCS供应商不得不根据纸机的实际运行情况进行热力系统改造。为此，建议烘缸蒸汽冷凝水热力系统供应商在进行热力平衡计算时，能够充分考虑密闭气罩的热风能耗，使烘缸部不便循环使用的余热能够进入密闭气罩，用来预热新风，实现能量的综合利用。

(3)转变蒸汽冷凝水热力系统设计思路，重视多段供汽和热泵供汽相结合的烘缸供热系统方案。自20世纪90年代中期以来，国内浆纸企业纷纷将传统的多段供汽方案改造为密闭式热泵供热方案，使二次蒸汽的回收利用变得容易，烘缸积水问题得到有效解决。但热泵供汽也有其自身缺点，“火用”损失是一个不得不考虑的问题。因此，国内一些30万t/a的涂布白纸板机又开始采用约翰逊的多段供汽方案。随着密闭气罩的推广应用，蒸汽冷凝水热力系统产生的二次蒸汽有了新的应用场合，有机会重新认识多段供汽和热泵供汽的优缺点。将二者结合起来，高温和中温段采用多段供汽，低温段采用热泵供气，中温段的二次蒸汽进入密闭气罩，这样既能解决能量平衡问题，又能充分利用蒸汽冷凝水热力系统余热。

(4)设计合理的干燥曲线，稳定气罩零位，严格控制露点。在纸机干燥部的不同位置，纸幅干燥速率不同，设计合理的干燥曲线是提高纸机运行效率和产品质量的基础。气罩通风系统设计时应能根据需要调节不同位置的送风量和排风量，排风总量可调余量设计时控制在排风总量的10%～25%;进热风温度、排风温度、湿度、露点温度参考值分别为:100℃、82℃、0.14kg水/kg干空气、58.5℃。

(5)重视密闭气罩控制系统的设计，建立密闭气罩的能耗模型，优化排风量、进风量等参数，提高纸幅水分蒸发效率。这是一项非常重要的工作，但也是一项难度非常大的工作。笔者关于这方面的研究当前还未能投入使用，只是在控制系统硬件配置方面已经考虑了这方面的需求。

3结语

纸板机密闭气罩控制系统在浙江富阳涂布白纸板基地的近10条纸板生产线上得到应用，这些纸机的密闭气罩机械设备一般选用湖南长沙的正大、神州和鼎联等三家专业公司生产的产品。在本控制系统投入使用之前，用户一般采用如图1所示的控制方案，所有控制回路都采用单回路PID控制算法，气罩送风采用新鲜蒸汽加热。这样，一旦控制回路设定值选择不当，就会造成能量浪费。本控制系统投入使用之后，由于将烘缸蒸汽冷凝水部分的冷凝水和二次蒸汽引入到密闭气罩，并且采用了以PID为基础的高级过程控制算法，使二次余热得到了充分利用，即使是在冬季，对于定量350g/m2以下的涂布白纸板，也几乎不需要补充新鲜蒸汽，造纸机干燥部总汽耗降低，年吨纸平均汽耗由原来的1.48t下降到1.36t，年节约蒸汽费用近200万元(10万t/a的涂布白纸板机);进热风温度提高到100～105℃，排湿热风温度上升到80～85℃，吨纸通风电力消耗下降了3%。另外，由于大量的二次蒸汽进入了密闭气罩加热器，使得干燥部热力系统设计难度明显降低，烘缸和桥箱排水背压降低，排水更加通畅，多段供汽和热泵供汽相结合的蒸汽冷凝水热力系统方案变得更加有效，用户的一次性投资成本也明显降低。