置換蒸煮過程H-因子在線計算方法研究與實現(xiàn)

于東偉 湯 偉 游彥卿 王孟效 張 秦

(1.陜西科技大學(xué)輕工與能源學(xué)院，陜西西安，710021;2.陜西科技大學(xué)自動化研究所，陜西咸陽，712000;3.四川銀鴿竹漿紙業(yè)有限公司，四川瀘州，646300)

置換蒸煮系統(tǒng) (Displacement Digester Systems，簡稱DDS)是由快速置換加熱蒸煮技術(shù) (RDH)制漿技術(shù)發(fā)展而來的，可通過多個置換階段實現(xiàn)化學(xué)品與熱能的置換回用，是一項高效節(jié)能、綠色環(huán)保的間歇式制漿技術(shù)［1］。由于置換蒸煮過程取樣困難，缺乏穩(wěn)定、可靠、價廉、精度高的卡伯值在線傳感器和測量儀表。長期以來，蒸煮終點的判定是置換蒸煮系統(tǒng)一直未能很好解決的難題。與其他傳統(tǒng)的間歇式蒸煮過程不同，置換蒸煮是一個連續(xù)的生產(chǎn)過程，因而，傳統(tǒng)的離線式實驗判定方法因存在較大滯后性而不再適用。工藝技術(shù)人員雖然制定了標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線，但由于實際升溫曲線很難與標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線擬合，所以由升溫曲線指導(dǎo)的人工經(jīng)驗判別法存在很大誤差。針對這一難題，本研究在與傳統(tǒng)判別方法分析比較的基礎(chǔ)上，采用分階段計算H-因子的方法，減少了H-因子的計算誤差。提出了蒸煮有效溫度的處理機制，避免了因儀表故障引起的錯誤動作。對于置換蒸煮終點的判定，本研究結(jié)合蒸煮有效溫度處理機制，提出了分階段計算H-因子的在線計算方法。以STEP7和WinCC為軟件開發(fā)平臺，開發(fā)了在線計算的西門子PLC軟件，并完成了硬件配置和程序編寫，實現(xiàn)了置換蒸煮終點的有效預(yù)測。

1 H-因子的定義及在DDS中的復(fù)雜性分析

蒸煮是一個十分復(fù)雜的物理化學(xué)過程，是置換蒸煮的重要環(huán)節(jié)。卡伯值是紙漿重要的質(zhì)量指標(biāo)，是評價過程控制的一個重要參數(shù)。如果蒸煮不夠，紙漿卡伯值過大，會產(chǎn)生質(zhì)量不合格的生漿;如果蒸煮過頭，紙漿卡伯值過小、得率減少，且纖維遭到破壞、強度降低，會產(chǎn)生質(zhì)量不合格的爛漿［2］。研究表明，蒸煮過程中紙漿卡伯值與H-因子的對數(shù)有良好的線性關(guān)系。通過H-因子可以反應(yīng)蒸煮的程度，因此，H-因子的計算非常重要。

1.1 H-因子的定義

在堿法蒸煮過程中的影響因素很多，而且這些影響因素彼此之間又是相互作用的，如溫度和時間是兩個彼此關(guān)聯(lián)的影響因素，蒸煮溫度高了則蒸煮時間相應(yīng)需要縮短，蒸煮溫度低了則蒸煮時間相應(yīng)需要延長。因此，1957年加拿大造紙研究所K.E.Vroom提出將蒸煮溫度與蒸煮時間兩個因素結(jié)合成一個變量即H-因子，用以控制蒸煮過程，使成漿的質(zhì)量控制在要求的范圍之內(nèi)。H-因子并不是蒸煮溫度和蒸煮時間的簡單結(jié)合，而是與蒸煮溫度有關(guān)的相對反應(yīng)速率常數(shù)和蒸煮時間的結(jié)合為H-因子［3］。再具體地說，H-因子就是在不同蒸煮溫度下的相對反應(yīng)速率常數(shù)對其相應(yīng)的蒸煮時間所做出的曲線下求的面積。

1.2 H-因子的計算

H-因子是關(guān)于溫度的泛函數(shù)，其定義見公式(1)。

結(jié)合阿倫尼烏斯 (Arrhenius)公式，可得公式(2)。

式中，K為相對反應(yīng)速率常數(shù);Ea為活化能，三個脫木素階段的活化能值并不相同;則H-因子計算公式也并不相同;R為氣體常數(shù) (8.3 J/mol)，lnK為反應(yīng)常數(shù)，T為蒸煮過程中的絕對溫度。因為蒸煮鍋上中下溫度并不一致，H-因子計算中的溫度為蒸煮鍋上、中、下溫度的平均值。

設(shè)100℃時的反應(yīng)速率常數(shù)K為1時，則公式(2)可變?yōu)楣?(3)。

由公式 (3)求得lnK0=43.2，進而可計算出硫酸鹽木漿蒸煮時任意溫度下的相對反應(yīng)速率常數(shù)KRT，見公式 (4)。

由公式 (1)和公式 (4)可計算H-因子，見公式(5)。在DCS系統(tǒng)中計算H-因子需經(jīng)過離散化處理，其計算見公式 (6)。

2 有效溫度處理機制及分段計算H-因子的方法

2.1 有效溫度的定義和計算

由于紙漿的實際蒸煮溫度滿足加和性，因此實際蒸煮過程的平均溫度見公式 (7)。

式中，V為蒸煮鍋的體積;T是蒸煮鍋中各點的溫度。

置換蒸煮立式蒸煮鍋為圓柱型，在鍋內(nèi)有上、中、下3個循環(huán)溫度測量點。以中部為坐標(biāo)原點，建立直角坐標(biāo)系如圖1［4］所示，平均溫度計算見公式 (8)。

因為以蒸煮鍋中部為坐標(biāo)原點建模，所以蒸煮鍋鍋體的總高度H=2h，S為圓柱體的截面積。由公式(8)可以看出，當(dāng)蒸煮液能良好循環(huán)，溫度分布對于相同的豎坐標(biāo)z是等溫時，溫度只是豎坐標(biāo)z的函數(shù)。利用熱工學(xué)知識可以建立溫度T隨豎坐標(biāo)z變化的數(shù)學(xué)模型，該模型與藥液流速有關(guān)，而流速又是變動的，因此，該數(shù)學(xué)模型非常復(fù)雜，為了計算方便，實際工程上可以簡化成簡單的蒸煮有效溫度。

圖1 置換蒸煮立式蒸鍋坐標(biāo)原理圖

在循環(huán)加熱階段，蒸煮鍋黑液經(jīng)中部篦子從蒸煮鍋出來，經(jīng)中壓蒸汽加熱后，由循環(huán)泵送至蒸煮鍋頂部和底部［5］。因此 H-因子計算基于蒸煮鍋 TI-X03(中部)抽出來的黑液、進入蒸煮鍋TI-X01(頂部)和TI-X02(底部)的黑液平均溫度。在實際應(yīng)用中，CPL、GLV等國外公司采用蒸煮鍋中間、頂部和底部溫度的加權(quán)平均值。因而，與H-因子相關(guān)的蒸煮有效溫度THF=((TI－X01)+(TI－X02)+2×(TIX03))/4)，其目標(biāo)值設(shè)置在160～170℃之間。當(dāng)這三個溫度中的任意一個溫度出現(xiàn)問題 (如在循環(huán)加熱過程中的管道震動、斷線、接線松動等)，此時控制器讀取到的溫度數(shù)據(jù)將產(chǎn)生錯誤，大于蒸煮目標(biāo)溫度的設(shè)定值，系統(tǒng)將錯誤地切換到保溫階段，使循環(huán)蒸煮無法正常進行。蒸煮鍋有效溫度處理 (一)如表1所示，當(dāng)任何一個溫度計故障，控制器將產(chǎn)生錯誤動作。

針對上述情況，溫度計算過程中應(yīng)增加有效的處理機制。因為在循環(huán)加熱階段蒸煮液由中部抽出經(jīng)加熱器加熱后，從頂部、底部集流管道送入蒸煮鍋。因此，正常情況下，中部循環(huán)溫度比頂部、底部循環(huán)溫度低。同時頂部和底部蒸煮溫差不能超過5℃，否則溫差會干擾黑液循環(huán)。因此，頂部、底部的蒸煮溫度與中部的溫差不能超過2.5℃。通過上面的分析，本研究對溫度的處理如下。

第一步設(shè)置故障等級。三個溫度變送器同時故障的優(yōu)先級最高 (Ⅰ)，兩個溫度變送器同時故障的優(yōu)先級其次 (Ⅱ)，一個溫度變送器故障的優(yōu)先級較低(Ⅲ)，沒有溫度變送器故障的優(yōu)先級最低 (Ⅳ)。

第二步針對不同優(yōu)先級設(shè)計有效算法，如圖2所示。Ⅰ故障的概率很低，如果正常運行時一旦出現(xiàn)，系統(tǒng)將直接提示最高級別的錯誤報警，停止蒸煮并需要及時修理。Ⅱ故障出現(xiàn)后，當(dāng)中部循環(huán)溫度正常時，THF=TI-X03;當(dāng)頂部循環(huán)溫度正常時，THF=TI-X01;當(dāng)?shù)撞垦h(huán)溫度正常時，THF=TI-X02。Ⅲ故障出現(xiàn)后，當(dāng)?shù)撞繙囟裙收蠒r，THF=(TI-X01+2×TI-X03)/3;當(dāng)中部溫度故障時，THF=(TI-X01+TI-X02)/2;當(dāng)頂部溫度故障時，THF=(TI-X02+2×TI-X03)/3;Ⅳ表示沒有溫度變送器的故障，按THF=(TI-X01)+(TI-X02)+2×(TI-X03)/4)處理［6］。

表1 蒸煮鍋有效溫度處理 (一)

圖2 蒸煮溫度的處理機制

經(jīng)過處理后，可以得到蒸煮鍋有效溫度處理(二)見表2，避免了因為儀表故障引起的錯誤操作。

表2 蒸煮鍋有效溫度處理 (二)

制漿的蒸煮過程是一個十分復(fù)雜的物理化學(xué)過程，蒸煮過程中紙漿的卡伯值與H-因子的對數(shù)有良好的線性關(guān)系，因此H-因子可以反應(yīng)蒸煮程度。而在實際生產(chǎn)中，H-因子又無法在線直接測量。本研究通過蒸煮溫度T、活化能Ea等二次變量來獲得對主導(dǎo)變量H-因子的最佳估計。雖然處理后的有效溫度不是蒸煮鍋的真實有效溫度，但可以通過有效的溫度處理機制得到蒸煮溫度的最優(yōu)測量，避免了因控制器讀取到錯誤溫度數(shù)據(jù)而產(chǎn)生誤操作，減少了H-因子的計算誤差。雖然計算值與實際值仍存在偏差，但也足以保證在實際生產(chǎn)允許的誤差范圍內(nèi)。

2.2 分段計算H-因子

理論上脫木素過程分為三個階段進行，各個階段的活化能不同，這直接涉及到H-因子的計算值問題，而一般數(shù)學(xué)模型都沒有過多考慮這個問題，只是將活化能設(shè)置為大量脫木素階段的固定值134 kJ/mol，模型以大量脫木素階段為起點，并未考慮殘余脫木素階段與大量脫木素階段的不同，因此無法真實跟蹤實際的變化過程。本研究分階段計算H-因子，綜合考慮脫木素三個階段的活化能對于H-因子計算的影響。

由于各個脫木素階段的轉(zhuǎn)折點是一個模糊的區(qū)域，因此如何判斷蒸煮過程各個脫木素階段的起點成為急需解決的問題。文獻 ［7］中提出了一種簡單實用的起點判斷法:首先在實驗室通過多次蒸煮實驗分析，以有效堿濃度對木素的得率作圖，確定該原料各個脫木素階段的起點溫度范圍，然后在該溫度范圍內(nèi)選定一個溫度作為該脫木素階段的起點溫度。根據(jù)不同階段的起點溫度確定各自的活化能。查閱相關(guān)資料［8］，表明不同纖維原料、不同制漿方法的活化能不同，以蒸煮針葉木硫酸鹽漿為例，初始脫木素階段的活化能很低約為40 kJ/mol，大量脫木素階段活化能約為134 kJ/mol，殘余脫木素階段活化能約為大量脫木素段的2/3，即90 kJ/mol。分別計算各階段的H-因子，再求其累加和，為最終的H-因子。

3 在線計算方法實現(xiàn)

3.1 硬件配置

西門子S7-400系列PLC作為現(xiàn)場控制站點主控制器，以工業(yè)以太網(wǎng)和PROFIBUS-DP為通信基礎(chǔ)，以DELL工控機為操作員站和工程師站。主控制柜和遠程I/O柜分散布置，由站點模塊ET-200M及相應(yīng)的I/O模塊組成從站，可置于任何生產(chǎn)現(xiàn)場，現(xiàn)場的儀表、閥門或低壓開關(guān)柜的測控點都可就近與其聯(lián)接。

(1)控制站點配置

考慮到整個置換蒸煮控制系統(tǒng)的實時性和精確性，這里選用處理速度較高、內(nèi)存資源較大的西門子S7 412-3為控制器主體，滿足了處理大量數(shù)據(jù)和復(fù)雜算法的要求。

·數(shù)字量輸入輸出模塊 (DIO):選用SM323，1塊 (16點DI、16點DO/塊)?？商幚?6點數(shù)字量輸入信號和16點數(shù)字量輸出信號。

·模擬量輸入模塊 (AI):選用SM331，1塊 (8點/塊)。處理8路模擬量輸入信號。

·模擬量輸出模塊 (AO):選用SM332，1塊(4點/塊)。處理4路模擬量輸出信號。

(2)儀表部分配置

蒸煮溫度是H-因子計算的關(guān)鍵參數(shù)，因此溫度的測量極其重要。溫度計選擇鎧裝熱電阻，它的外保護管套采用不銹鋼，內(nèi)充高密度氧化物絕緣體，具有很強的抗污染性能和優(yōu)良的機械強度。而且直徑小、易彎曲、抗震性好、熱響應(yīng)時間快，非常適合蒸煮階段鍋溫的測量。

(3)操作員站和工程師站

操作員站具體配置為:Intel雙核CPU/1G內(nèi)存/160G硬盤/19’LCD/CP5611通訊卡/HP1020打印機/上海山特2000VA帶穩(wěn)壓功能UPS;便攜式工程師站為DELL商用筆記本電腦，平時可辦公用，只有在系統(tǒng)維護時才接入現(xiàn)場的工業(yè)以太網(wǎng)。各個操作站、工程師站可通過以太網(wǎng)共享此打印機，方便地記錄生產(chǎn)狀況及系統(tǒng)運行情況。

3.2 軟件設(shè)計

本控制系統(tǒng)軟件分為上位機和下位機兩部分。下位機采用SIEMENS STEP7 V5.4軟件平臺進行軟件編程;用于監(jiān)控的上位機軟件采用 SIEMENS WinCC V6.0 SP3平臺。

(1)溫度的設(shè)計

本研究中蒸煮溫度的計算是通過比較選擇不同的公式計算的，當(dāng)中部循環(huán)溫度正常時，THF=TIX03;當(dāng)頂部循環(huán)溫度正常時，THF=TI-X01;當(dāng)?shù)撞垦h(huán)溫度正常時，THF=TI-X02。當(dāng)?shù)撞繙囟裙收蠒r，THF=(TI-X01+2×TI-X03)/3;當(dāng)中部溫度故障時，THF=(TI-X01+TI-X02)/2;當(dāng)頂部溫度故障時，THF=(TI-X02+2×TI-X03)/3;沒有溫度變送器的故障，按THF=(TI-X01)+(TI-X02)+2×(TIX03))/4處理。溫度的計算通過下位機STEP 7軟件來實現(xiàn)，利用語句表的方法來編寫溫度計算程序。在編寫的溫度計算程序中，包含了多個變量，表3為各個變量的地址及含義。

表3 溫度計算程序相關(guān)變量

因在下位機軟件STEP 7中編寫的溫度計算程序相對簡單，文章就不再詳細贅述。

(2)H-因子的設(shè)計

軟件中H-因子的設(shè)計計算也分階段進行，即分別計算初始脫木素階段、大量脫木素階段和殘余脫木素階段的H-因子，再求其累加和，為最終的H-因子。H-因子的計算通過下位機STEP7軟件來實現(xiàn)，利用語句表 (STL)的方法來編寫H-因子計算程序。在編寫的H-因子計算程序中，包含了多個變量，表4為各個變量的地址及含義［9］。

表4 H-因子程序相關(guān)變量

在分步計算H-因子時，活化能Ea的賦值十分關(guān)鍵，直接決定H-因子的計算是否精確。因此，STEP7中活化能Ea的賦值分為三種情況。當(dāng)采樣溫度小于T1(大量脫木素階段的起始溫度)時，將初始脫木素階段的Ea值放入MD44中，即給此階段的活化能賦值。同時將 H-因子的初始值置零;當(dāng)采樣溫度大于T1，小于T2(殘余脫木素階段的起始溫度)時，將大量脫木素階段的Ea值放入MD44中;同理，采樣溫度大于T2時，將殘余脫木素階段活化能賦值給Ea。

然后根據(jù)H-因子累積計算公式:Ht+Δt= Ht+ 0.5 ［elnK0－Ea/RT+elnK0－Ea/RTt+Δt］Δt，在 STEP 7 中進行H-因子計算程序的設(shè)計。其中，T為上一時刻的采樣溫度;Δt為采樣時間;T+Δt為此次采樣溫度;Ht為上一時刻的 H-因子計算值;Ht+Δt為此次H-因子計算值。

3.3 運行結(jié)果

此系統(tǒng)目前已經(jīng)在四川銀鴿竹漿紙業(yè)的置換蒸煮車間成功運行，圖3和圖4給出了此系統(tǒng)在實際運行中H-因子和蒸煮鍋溫度的控制效果畫面。對蒸煮有效溫度和H-因子進行了監(jiān)控，有效地降低了蒸煮粗漿卡伯值的波動范圍，為后續(xù)洗滌、篩選、漂白工序以及成紙的質(zhì)量提供了良好保證，同時也取得了明顯的節(jié)能增效效果。

4 結(jié)語

在置換蒸煮工藝機理的基礎(chǔ)上，對置換蒸煮H-因子計算方法進行了研究。對H-因子采用分段計算，減少了H-因子的計算誤差。同時提出了蒸煮有效溫度的處理機制，避免了因為儀表故障引起的錯誤動作。設(shè)計選用西門子 S7-400PLC，并通過 STEP7、WinCC軟件完成程序編寫和畫面繪制，對置換蒸煮終點進行了有效控制。

圖3 實際運行中DDS蒸煮鍋溫度監(jiān)控畫面

圖4 H-因子的累計值

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