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）

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干燥方式，分析了在紙機(jī)干燥過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、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)行有必要對紙機(jī)干燥部進(jìn)行研究。 干燥部是造紙過程中主要的耗汽工段之一，目前，我國造紙工業(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。因此，對干燥部控制系統(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。紙頁干燥分為接觸式干燥和無接觸式干燥，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，其干燥過程可分為 三個階段：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烘缸所采用的閥門進(jìn)行節(jié)流減壓來調(diào)整蒸汽的，此時熱能沒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。高速單面光薄頁紙機(jī)上的大烘缸就耗用了大量的蒸汽，同時，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)是近幾年來在國內(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臺熱泵、3個閃蒸罐和1個冷凝水罐組成，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，并對系統(tǒng)的工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視，對一些參數(shù)如閃蒸罐的壓力等進(jìn)行監(jiān)測。

3.2 測控系統(tǒng)功能

測控系統(tǒng)組成如圖2所示，它所具備的功能如下：(1)監(jiān)測:對供熱系統(tǒng)運(yùn)行的壓力、流量、溫度等12個參數(shù)進(jìn)行巡回檢測，并在顯示屏上實(shí)時顯示出來，以便操作人員及時了解系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。(2)控制:對供汽壓力(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、自動切換，提高了系統(tǒng)的靈活性和可靠性。(3)累計(jì):對總供汽管道的蒸汽流量值進(jìn)行累計(jì)及記錄，為車間的考核及管理提供可依據(jù)。(4)打印:可根據(jù)要求進(jìn)行隨時打印、整時打印、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)管理具備兩個功能，一是將下位機(jī)送來的各運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行顯示打印，提高車間級的管水平;二是將存入的各紙種所對應(yīng)的最佳運(yùn)行數(shù)據(jù)在改變紙種時提出，并立即送到下位機(jī)，調(diào)整好各控制參數(shù)的設(shè)定值，使整個系統(tǒng)很快地進(jìn)入到新的最佳作狀態(tài)，以滿足市場生產(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節(jié)流減壓執(zhí)行器。熱泵是從較低溫度的熱源吸熱，通過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，是一種沒有運(yùn)動部件的熱力壓縮器。高壓蒸汽P1通過噴嘴減壓增速形成一股高速低壓氣流，帶動低壓蒸汽P2運(yùn)動，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程中將閃蒸罐的壓力提高并提供給紙機(jī)使用。同時，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)是一種主動式多級并聯(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題，同時使各組烘缸的溫度曲線調(diào)節(jié)十分方便。

4.1 流程的開環(huán)與閉環(huán)分析

采用上述的蒸汽供熱法的紙機(jī)在干燥過程中烘缸內(nèi)的蒸汽凝結(jié)后冷凝水會通過閃蒸罐的閃蒸產(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有支路，則會因支路的位置不一、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，通過熱泵使引射流體和壓縮流體一起形成一個完全封閉的、除工作流體外與環(huán)境再無其它質(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)。這對于熱泵所處的環(huán)路系統(tǒng)來說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，形成不同形式的開環(huán)結(jié)構(gòu)。在開環(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。換句話來說，對于確定的熱力學(xué)系統(tǒng)，開環(huán)流程僅能回收被系統(tǒng)利用的那一部分能量，或者說被熱泵回收，開環(huán)流程的能量僅能將被原系統(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)際需要和過程的工藝條件來選擇合適的循環(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)行了專門研究，下面就其在紙張干燥過程的應(yīng)用進(jìn)行分析。熱泵在紙張干燥過程中典型的閉環(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其它的能量交換。熱泵在紙張干燥過程中典型的開環(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有選擇的余地。而對開環(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。對于不同結(jié)構(gòu)的開環(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

紙機(jī)干燥部的發(fā)展有兩個方向。 一是對于烘缸接觸干燥應(yīng)繼續(xù)對熱泵供熱系統(tǒng)和虹吸管進(jìn)行研究和改造，通過實(shí)踐研究出最佳性能的蒸汽冷凝水系統(tǒng)，二是對于無接觸干燥，以發(fā)展汽浮干燥和紅外干燥技術(shù)為主，同時吸收其它先進(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)品競爭力的有效途徑。對于紙機(jī)紙頁干燥部選用熱泵提供干燥能量時，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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