紙機(jī)蒸汽冷凝水系統(tǒng)測(cè)控方法介紹

鐘益聯(lián)

(中國(guó)中輕國(guó)際工程有限公司，北京，100026)

紙機(jī)蒸汽冷凝水系統(tǒng)及其控制對(duì)蒸汽利用率和紙張質(zhì)量至關(guān)重要。紙機(jī)運(yùn)行要想達(dá)到節(jié)能增效、保質(zhì)保量的生產(chǎn)目標(biāo)，其重要技術(shù)措施之一是必須確保紙機(jī)蒸汽冷凝水系統(tǒng)過(guò)程測(cè)量準(zhǔn)確，暖缸起動(dòng)規(guī)律平穩(wěn)，回路設(shè)計(jì)可控合理，控制方法先進(jìn)可靠。本文對(duì)紙機(jī)蒸汽冷凝水系統(tǒng)的測(cè)量和控制方法及閥門(mén)的選用進(jìn)行介紹，以供參考。

1 壓力、差壓測(cè)量及其變送器的安裝

圖1 為紙機(jī)蒸汽冷凝水系統(tǒng)壓力和差壓變送器取壓方式(用于烘缸組)。圖2 為紙機(jī)蒸汽冷凝水系統(tǒng)的壓力和差壓變送器安裝圖(用于烘缸組)。

從圖1 和圖2 可以看出，與普通的壓力、差壓取壓相比，蒸汽冷凝系統(tǒng)有兩個(gè)不同點(diǎn):一是在冷凝器上加裝一個(gè)壓力表，二是要求壓力和差壓變送器的冷凝器安裝在同一水平線(POTS AT SAME LEVEL)。在冷凝器上加裝一個(gè)壓力表主要是在紙機(jī)啟動(dòng)時(shí)便于技術(shù)人員和操作人員觀察實(shí)測(cè)值。冷凝器要安裝在同一水平線上，即是要求壓力、差壓變送器安裝在同一標(biāo)高上，為達(dá)到此目的，要事先制作好一個(gè)矩形安裝架(見(jiàn)圖3)，把壓力、差壓變送器置于該安裝架上。變送器集中安裝的好處是克服環(huán)境溫度對(duì)導(dǎo)壓管冷凝水的影響從而獲得較為精確的壓力、差壓值測(cè)量，確保蒸汽冷凝水系統(tǒng)控制穩(wěn)定，從而減少各段蒸汽壓力波動(dòng)。

2 暖缸過(guò)程及其控制

當(dāng)紙機(jī)初次啟動(dòng)，或由于斷紙及其他機(jī)械故障致使較長(zhǎng)時(shí)間停機(jī)而紙機(jī)需重新啟動(dòng)時(shí)，均需一個(gè)暖缸過(guò)程。所謂紙機(jī)暖缸過(guò)程就是指各段蒸汽壓力按照一定規(guī)律慢慢從低到高平穩(wěn)達(dá)到正常車速蒸汽壓力的過(guò)渡過(guò)程。各段蒸汽的升壓過(guò)程，其實(shí)也是各段蒸汽的升溫過(guò)程，亦即是造紙技術(shù)人員和操作人員平常所說(shuō)的紙機(jī)干燥部預(yù)熱升溫曲線(preheating ramp dryer section)。

下面介紹兩種干燥部預(yù)熱升溫方法。

2.1 暖缸控制-三段升溫法［1］

將紙機(jī)干燥部烘缸的暖缸過(guò)程分為3 個(gè)階段，即開(kāi)始階段、中期階段和結(jié)束階段。由于冷缸對(duì)溫度較為敏感，因此，在暖缸開(kāi)始階段，溫度上升曲線采用較小的斜率;暖缸中期階段溫度上升曲線采用較大的斜率;暖缸結(jié)束階段，溫度上升曲線采用較小的斜率。三段升溫法的升溫曲線如圖4 所示。

針對(duì)上述升溫曲線，可用下面3 條規(guī)則很方便地通過(guò)控制系統(tǒng)(DCS 或PLC)來(lái)實(shí)現(xiàn)。即:

規(guī)則1:

規(guī)則2:

規(guī)則3:

規(guī)則中，t0為開(kāi)始暖缸時(shí)間點(diǎn)，設(shè)其為0。t1、t2、t3和k1、k2、k3分別為開(kāi)始階段、中期階段、結(jié)束階段的時(shí)間和升溫曲線的斜率。

暖缸控制-三段升溫法的詳細(xì)介紹及其應(yīng)用詳見(jiàn)參考文獻(xiàn)［1］。

2.2 暖缸控制-逐步迭代升溫法

以一工程實(shí)例來(lái)簡(jiǎn)要說(shuō)明逐步迭代升溫法原理。

實(shí)例:車速2000 m/min、網(wǎng)寬10200 mm、卷取紙寬10200 mm、產(chǎn)量40 萬(wàn)t/a 紙機(jī)的暖缸控制，圖5是其經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)略整理的編程功能圖。

在實(shí)際工程應(yīng)用上，往往是最后一組烘缸母管(卷取前烘缸組)蒸汽壓力起“引領(lǐng)”作用，即其他各烘缸組蒸汽母管蒸汽壓力根據(jù)“溫度曲線”設(shè)定，并且其壓力隨最后一組烘缸母管蒸汽壓力的變化而變化，故而圖5 的輸入是最后一組烘缸供汽壓力變送器的實(shí)測(cè)值(Actual value)。該值經(jīng)過(guò)多種運(yùn)算 (平方、乘、除、加、除)到最后被1 除，其結(jié)果是以% /s-變化率作為Analog Ramp 模塊的輸入。Analog Ramp 模塊的輸出作為各段烘缸組蒸汽暖缸調(diào)節(jié)信號(hào)。實(shí)際上，該信號(hào)不是直接接至各壓力回路調(diào)節(jié)閥，而是通過(guò)一低值選擇器與各回路的壓力調(diào)節(jié)器輸出進(jìn)行比較，從低值選擇器輸出引至各回路的調(diào)節(jié)閥。另外，可以看到，圖5 中的運(yùn)算其實(shí)是一個(gè)在實(shí)際測(cè)量值基礎(chǔ)之上按給定規(guī)則進(jìn)行迭代運(yùn)算過(guò)程，其每步運(yùn)算周期時(shí)間和調(diào)節(jié)閥作用時(shí)長(zhǎng)可以設(shè)定(如某工程分別是400 ms 和30 s)。如前所述，程序執(zhí)行過(guò)程是逐步進(jìn)行的，其每步運(yùn)算是以前次輸出并被執(zhí)行后得到最新的輸入從而又進(jìn)行一次周期性計(jì)算，這樣一直迭代運(yùn)算至S3 動(dòng)作(controlling taken over)。輸出效果如圖7 中的烘缸預(yù)熱升溫曲線圖。筆者初步定義此種暖缸控制方法為逐步迭代升溫法。另外，圖5 中共設(shè)有3 個(gè)功能開(kāi)關(guān)，S1 是工藝條件的連鎖開(kāi)關(guān)，只有滿足初始條件才能允許暖缸;S2 是Ramp start 開(kāi)關(guān)，合上開(kāi)關(guān)表明暖缸主設(shè)定(Master Setpoint Warm-up)開(kāi)始;S3 是判斷暖缸升溫是否結(jié)束亦即是暖缸終點(diǎn)判斷開(kāi)關(guān)，其動(dòng)作表明紙機(jī)蒸汽冷凝水系統(tǒng)可以轉(zhuǎn)入正常車速的操作與控制。

圖3 壓力和差壓變送器安裝架參考圖

圖4 紙機(jī)烘缸預(yù)熱三段升溫法的升溫曲線

圖5 逐步迭代升溫法原理功能圖

3 供汽系統(tǒng)常規(guī)控制

供汽系統(tǒng)按通汽方式不同?？煞譃閮煞N，第一種是串聯(lián)系統(tǒng)，蒸汽從凝結(jié)水分離出來(lái)，然后重新用于低壓烘缸區(qū)。第二種系統(tǒng)，被稱為“熱壓縮機(jī)(Thermo Compressor)”(又常稱熱泵)系統(tǒng)。熱泵系統(tǒng)是將低壓蒸汽借與高壓蒸汽混合而“增壓”，然后通常回用到同一烘缸區(qū)或下一用汽壓力較低烘缸區(qū)。熱泵結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖6［2］。

第一種串聯(lián)系統(tǒng)原來(lái)的主要缺點(diǎn)是各烘缸組存在“依賴性”，即某烘缸組蒸汽壓力波動(dòng)牽涉到其他烘缸組蒸汽壓力隨著波動(dòng)。但是，由于現(xiàn)在工藝設(shè)備和控制回路設(shè)計(jì)漸趨合理，控制方法先進(jìn)、成熟，因而該系統(tǒng)不僅應(yīng)用在一般紙機(jī)上，也廣泛應(yīng)用在現(xiàn)代高速紙機(jī)上，當(dāng)然這些紙機(jī)應(yīng)用串聯(lián)系統(tǒng)與其采用低壓蒸汽有關(guān)。第二種熱泵系統(tǒng)主要用在可以使用高壓蒸汽紙機(jī)的場(chǎng)合。熱泵系統(tǒng)的缺點(diǎn)是高壓蒸汽損失了若干發(fā)電價(jià)值［2］。下面對(duì)供汽系統(tǒng)常規(guī)控制作簡(jiǎn)單的分析說(shuō)明。

3.1 壓力、壓差、液位控制

圖7 為紙機(jī)蒸汽冷凝系統(tǒng)典型壓力、差壓、液位控制流程圖。

圖7 中，壓力控制回路關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)是解決 PY1、PY2 和PY3、PY4 的功能設(shè)定。PY1、PY2 表示暖缸控制輸出與壓力調(diào)節(jié)器的輸出進(jìn)行比較，低值選擇器的輸出作用于調(diào)節(jié)閥PV21。PY3、PY4 輸出則是壓力調(diào)節(jié)器的外給定，此給定值可以是QCS 輸出信號(hào)，可以是手動(dòng)操作信號(hào)，也可以是斷紙時(shí)輸出信號(hào)。當(dāng)紙機(jī)突然斷紙時(shí)，各段壓力調(diào)節(jié)閥不是(或不能)立刻關(guān)閉，而是朝關(guān)向動(dòng)作且保持在一定開(kāi)度，待引紙成功后壓力調(diào)節(jié)閥恢復(fù)到正常的調(diào)節(jié)狀態(tài)。壓力調(diào)節(jié)閥應(yīng)選擇帶彈簧的單作用(Single Acting)調(diào)節(jié)閥，且在能源中斷或回路存在故障時(shí)該閥門(mén)處于強(qiáng)制關(guān)閉狀態(tài)(S=C)。

圖6 熱泵結(jié)構(gòu)示意圖

差壓回路是一個(gè)典型分程(Split Range)控制回路。該回路設(shè)置兩個(gè)調(diào)節(jié)閥。PDV21 置于烘缸組冷凝水排水管道(此閥也有置于二次蒸汽管A 點(diǎn)處，控制原理大體相同)，其作用是根據(jù)烘缸組的差壓來(lái)調(diào)節(jié)冷凝水的排出。PV22 置于二次蒸汽分支管上，當(dāng)烘缸組2 不能全部利用汽水分離器分離出的二次蒸汽時(shí)，該閥打開(kāi)，此時(shí)二次蒸汽將會(huì)通過(guò)表面冷凝器，其冷凝水最終排向總冷凝水槽。PDV21 應(yīng)選用雙作用調(diào)節(jié)閥，且在能源中斷或回路存在故障時(shí)該閥不再動(dòng)作S = U，即保持或恢復(fù)原有設(shè)定狀態(tài)。PDV22 宜選用單作用調(diào)節(jié)閥，正常生產(chǎn)情況該閥應(yīng)關(guān)閉，但在回路存在故障時(shí)該閥處于強(qiáng)制打開(kāi)狀態(tài)，S=O。事實(shí)上，PDV21、PDV22 分別受PDC 調(diào)節(jié)器輸出4 ～12 mA，12 ～20 mA 作用，實(shí)現(xiàn)烘缸組差壓PDC 分程控制(split range control)，只不過(guò)為方便電氣閥門(mén)定位器調(diào)校在控制系統(tǒng)內(nèi)分程而不在電氣閥門(mén)定位器分程，因而PDV21、PDV22 的輸入仍然是4 ～20 mA 信號(hào)。

圖7 紙機(jī)蒸汽冷凝系統(tǒng)典型壓力、差壓、液位控制流程圖

液位回路也是一個(gè)分程控制回路。針對(duì)汽水分離器容量很小的特點(diǎn)，保持一定回流量對(duì)液位的平穩(wěn)調(diào)節(jié)至關(guān)重要。差壓回路分程控制的基本分析方法也適用于液位回路分程控制，在此不再贅述。在此需要說(shuō)明的是，回流應(yīng)選用雙作用調(diào)節(jié)閥，且S =U，出水閥選用單作用調(diào)節(jié)閥，S =O，其目的是要保證冷凝水及時(shí)排出。

3.2 關(guān)于熱泵供汽系統(tǒng)及其控制［3］

20 世紀(jì)50 年代，熱泵技術(shù)便被用于紙機(jī)蒸汽冷凝水系統(tǒng)，90 年代初我國(guó)開(kāi)始從國(guó)外引進(jìn)該技術(shù)，并開(kāi)始研發(fā)自己的熱泵系統(tǒng)。

熱泵是利用噴射器原理，最大限度地將引射蒸汽的“品位”提升到生產(chǎn)工藝要求的程度之后，循環(huán)利用，從而達(dá)到節(jié)約新鮮蒸汽的目的。紙機(jī)蒸汽冷凝水系統(tǒng)通常以高壓工作蒸汽作為引射動(dòng)力源，采用熱泵來(lái)提升通過(guò)各級(jí)汽水分離器閃蒸出的二次蒸汽壓力。

根據(jù)熱泵工作蒸汽加入量調(diào)節(jié)方式的不同，可將熱泵分為兩種:質(zhì)量調(diào)節(jié)熱泵和流量調(diào)節(jié)熱泵，見(jiàn)圖8。

圖8 熱泵工作蒸汽加入量調(diào)節(jié)原理

目前，造紙發(fā)達(dá)國(guó)家和我國(guó)造紙廠大多采用流量調(diào)節(jié)熱泵。關(guān)于熱泵供汽系統(tǒng)及其控制，其內(nèi)容廣泛，限于篇幅，在此不再贅述，讀者可參閱參考文獻(xiàn)［4］或其他國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)。熱泵應(yīng)用工程實(shí)例可參考圖9。

圖9 熱泵供汽系統(tǒng)及其控制流程圖示例

表1 圖9 中各測(cè)量點(diǎn)的初步設(shè)計(jì)參數(shù)值

圖9 所示為車速2000 m/min、幅寬5600 mm、年產(chǎn)6 萬(wàn)t 衛(wèi)生紙的紙機(jī)實(shí)例。從圖9 中可以看到，該工藝流程采用流量調(diào)節(jié)熱泵。熱泵流量調(diào)節(jié)回路(FIC)是根據(jù)汽水分離器閃蒸出的二次蒸汽——引射蒸汽量來(lái)調(diào)節(jié)新鮮蒸汽量。表1 是圖9流程圖中A、B、C、D、E、F 各測(cè)量點(diǎn)的初步設(shè)計(jì)參數(shù)值。從汽水分離器閃蒸出來(lái)的二次蒸汽 (D點(diǎn))經(jīng)新鮮蒸汽或稱為工作蒸汽 (B 點(diǎn))引射產(chǎn)生的混合蒸汽，回用到揚(yáng)克缸 (Yankee)供汽管(E 點(diǎn))。E 點(diǎn)蒸汽量是B、C、D 三點(diǎn)蒸汽量之和。從表1 中“正常欄”數(shù)據(jù)可以計(jì)算出，D 點(diǎn)引射蒸汽量約占到E 點(diǎn)蒸汽總量39%。該數(shù)據(jù)充分說(shuō)明，熱泵不僅發(fā)揮著重要作用，而且具有一定節(jié)能效果。

4 結(jié) 語(yǔ)

建議用于烘缸的蒸汽冷凝水系統(tǒng)壓力和差壓變送器要集中安裝，以期獲得較為精確的測(cè)量和理想的控制效果。否則，變送器調(diào)試將會(huì)遇到困難，由于測(cè)量不準(zhǔn)確也會(huì)使控制運(yùn)行不穩(wěn)定導(dǎo)致各段蒸汽壓力波動(dòng)。

本文介紹的兩種暖缸控制方法，三段升溫法只能算是國(guó)內(nèi)計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用的前期實(shí)驗(yàn)，不能肯定其工程實(shí)用性和應(yīng)用前景，只是作為暖缸控制的一種方法介紹給讀者參考和比較。逐步迭代升溫法已在多臺(tái)現(xiàn)代高速紙機(jī)上得到工程應(yīng)用，筆者從國(guó)外資料的研讀中體會(huì)到該方法有其先進(jìn)性、巧妙性和實(shí)用性。希望國(guó)內(nèi)有關(guān)技術(shù)人員能參考“逐步迭代升溫法”，創(chuàng)新開(kāi)發(fā)暖缸控制方法并在國(guó)產(chǎn)紙機(jī)上推廣應(yīng)用。

蒸汽冷凝水系統(tǒng)的典型控制方法中，其技術(shù)要點(diǎn)為:一是分程控制和調(diào)節(jié)閥的正確選擇，二是暖缸升溫的設(shè)定和QCS、斷紙、自動(dòng)/手動(dòng)操作的設(shè)定。熱泵供汽系統(tǒng)多用在使用高壓蒸汽紙機(jī)的場(chǎng)合，就其控制方法而言并不復(fù)雜。本文介紹的衛(wèi)生紙機(jī)工藝設(shè)計(jì)工程實(shí)例中，熱泵起著重要作用。在某些特定應(yīng)用場(chǎng)合，熱泵有一定的節(jié)能效果。

在此應(yīng)該特別指出，由于熱泵其工作原理要求被控對(duì)象工況較為穩(wěn)定，而紙機(jī)蒸汽冷凝水系統(tǒng)工況往往較為復(fù)雜，故有些紙機(jī)應(yīng)用熱泵不能取得理想的控制效果。目前，熱泵在紙機(jī)的工程應(yīng)用漸趨減少，市場(chǎng)對(duì)每臺(tái)紙機(jī)生產(chǎn)多品種紙張的需求也限制了熱泵的應(yīng)用前景。

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