紙機(jī)干燥部能耗優(yōu)化研究進(jìn)展

摘要： 在國(guó)家“雙碳”目標(biāo)下，如何進(jìn)一步降低碳排放和能源成本是當(dāng)前造紙工業(yè)亟待解決的關(guān)鍵問(wèn)題。干燥部是造紙過(guò)程中能耗最集中的部分，本文著眼于紙機(jī)干燥部的能耗優(yōu)化，分別從干燥部設(shè)備與技術(shù)更新、干燥部系統(tǒng)優(yōu)化、干燥部能耗預(yù)測(cè)及優(yōu)化模型3方面的研究進(jìn)展進(jìn)行概述與展望，并對(duì)部分代表性研究工作進(jìn)行了具體分析，以期全面清晰地介紹該領(lǐng)域的研究進(jìn)展。

關(guān)鍵詞：造紙工業(yè)；能耗優(yōu)化；干燥設(shè)備；優(yōu)化模型

中圖分類號(hào)：TS755 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10. 11980/j. issn. 0254-508X. 2025. 02. 018

造紙行業(yè)作為一種典型的能源資源密集型產(chǎn)業(yè)，與國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展息息相關(guān)。在“雙碳”目標(biāo)的推動(dòng)下，造紙行業(yè)肩負(fù)著降低碳排放、推動(dòng)綠色發(fā)展的重任，同時(shí)也面臨著技術(shù)創(chuàng)新難、能耗成本高的挑戰(zhàn)[1]。在造紙過(guò)程中，干燥部是能耗最集中的部分，約占紙機(jī)總能耗的60%。經(jīng)過(guò)壓榨工序處理的濕紙幅干度通常為30%～45%， 而出紙干度則需達(dá)93%～95%[2]。濕紙幅進(jìn)入干燥部后，新鮮蒸汽在烘缸表面冷凝釋放熱量，加熱被烘缸傳動(dòng)的紙張，并產(chǎn)生大量的濕熱空氣。排風(fēng)機(jī)與送風(fēng)機(jī)排出濕熱空氣的同時(shí)將干燥的新鮮空氣送入氣罩內(nèi)部，與烘缸協(xié)同蒸發(fā)濕紙幅內(nèi)部水分。因此，新鮮蒸汽與電能的高效利用是干燥部能耗優(yōu)化研究的重點(diǎn)。本文分別從干燥部設(shè)備與技術(shù)更新、干燥部系統(tǒng)優(yōu)化、干燥部能耗預(yù)測(cè)及優(yōu)化模型3方面探討紙機(jī)干燥部能耗優(yōu)化的研究進(jìn)展，具體如圖1所示。

先進(jìn)設(shè)備與新型技術(shù)的引入是提升能效最簡(jiǎn)單的方法。氣罩、熱泵和烘缸等設(shè)備及其控制技術(shù)的發(fā)展為紙機(jī)干燥部的節(jié)能降耗提供了直接解決方案。干燥部系統(tǒng)主要包括蒸汽冷凝水子系統(tǒng)和通風(fēng)余熱回收子系統(tǒng)。干燥部系統(tǒng)優(yōu)化在設(shè)備與工藝結(jié)合的基礎(chǔ)上，通過(guò)多級(jí)熱回收技術(shù)充分利用各個(gè)環(huán)節(jié)的能量，最大限度減少熱損失。合理的系統(tǒng)設(shè)計(jì)不僅使能量流動(dòng)更加清晰，而且從系統(tǒng)層面優(yōu)化能量分配，可一步提升能耗優(yōu)化效果。除了設(shè)備、技術(shù)和系統(tǒng)的升級(jí)，還可以通過(guò)對(duì)干燥部建立能耗預(yù)測(cè)及優(yōu)化模型獲得能耗優(yōu)化策略，進(jìn)一步提升干燥部能效?；谖锫?lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)技術(shù)，可通過(guò)大量歷史數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)采集的關(guān)鍵參數(shù)建立精準(zhǔn)的能耗預(yù)測(cè)模型，為能耗優(yōu)化提供有效的數(shù)據(jù)及決策支持。能耗優(yōu)化模型以能源消耗成本最小為目標(biāo)，以可控參數(shù)為決策變量，并依據(jù)能量和質(zhì)量守恒定律建立模型約束。模型主要分為3類：基于物理機(jī)理的能耗優(yōu)化模型、基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的能耗優(yōu)化模型、基于物理機(jī)理和數(shù)據(jù)混合驅(qū)動(dòng)的能耗優(yōu)化模型。基于物理機(jī)理的能耗優(yōu)化模型能夠更精確地描述系統(tǒng)內(nèi)部原理，但無(wú)法求解復(fù)雜模型；基于數(shù)據(jù)的模型聚焦輸入與輸出的映射關(guān)系，易于訓(xùn)練和求解，但模型可解釋性不強(qiáng)；混合驅(qū)動(dòng)模型能夠在一定程度上兼顧模型的準(zhǔn)確性及求解難度。這些創(chuàng)新舉措相互配合為紙機(jī)干燥部的節(jié)能降耗提供了有力支持，不僅推動(dòng)了造紙行業(yè)向更高效、可持續(xù)的方向發(fā)展，也為應(yīng)對(duì)環(huán)境挑戰(zhàn)和滿足市場(chǎng)需求提供了新動(dòng)力。

1 干燥部設(shè)備與技術(shù)更新

干燥部設(shè)備與技術(shù)更新主要分為設(shè)備和技術(shù)2方面，具體見圖2。如圖2所示，在設(shè)備方面，主要包括氣罩、熱泵和烘缸；在技術(shù)方面，主要包括新型干燥技術(shù)（如超聲波干燥） 和設(shè)備控制技術(shù)的改進(jìn)。紙張的干燥過(guò)程連續(xù)且復(fù)雜，每道工序的更新升級(jí)均會(huì)顯著影響能耗水平及生產(chǎn)成本。

1. 1 干燥設(shè)備升級(jí)

氣罩通過(guò)控制空氣流動(dòng)速度和溫度來(lái)提高干燥效率，氣罩內(nèi)部通常配備風(fēng)機(jī)和加熱器，用于調(diào)節(jié)風(fēng)速和溫度。氣罩通過(guò)有效排出濕氣、降低相對(duì)濕度，能夠顯著加速紙張的脫水過(guò)程。超節(jié)能氣罩本身不參與干燥過(guò)程，干燥任務(wù)完全由烘缸完成；超節(jié)能氣罩具備3大節(jié)能優(yōu)勢(shì)[3]：首先，進(jìn)排風(fēng)系統(tǒng)僅需2個(gè)45 kW的電機(jī)即可滿足需求；其次，利用高溫冷凝水對(duì)氣罩進(jìn)風(fēng)進(jìn)行預(yù)加熱，避免使用新鮮蒸汽維持溫度；最后，排風(fēng)溫度低至60 ℃，可有效減少熱能損失。節(jié)能呼吸式氣罩采取獨(dú)特的氣流設(shè)計(jì)，利用接觸干燥和對(duì)流干燥的原理，通過(guò)高溫高速的熱風(fēng)加速紙張的熱量傳遞，破壞界面上的空氣薄膜，從而大幅度提升傳熱傳質(zhì)效率。燃?xì)鈿庹諿4]通過(guò)燃?xì)饧訜釣榧垙埜稍锾峁┛焖?、穩(wěn)定的熱源，熱風(fēng)溫度最高可達(dá)500 ℃，具備極強(qiáng)的干燥能力。微熱風(fēng)氣罩[5]利用烘缸冷凝水加熱空氣，干燥能力有限，主要功能是排出紙張蒸發(fā)出的濕熱蒸汽，因此主要通過(guò)降低車速來(lái)實(shí)現(xiàn)較低的蒸汽耗能。

熱泵是一種沒(méi)有轉(zhuǎn)動(dòng)部件的熱力壓縮機(jī)，具有不直接消耗電能和機(jī)械能的特點(diǎn)[6]。熱泵可以充分利用高壓蒸汽減壓時(shí)的能量差，提升二次蒸汽或廢熱蒸汽的質(zhì)量和壓力，確保二次能源在干燥工段的有效回收和再利用，從而實(shí)現(xiàn)干燥過(guò)程的高效節(jié)能。傳統(tǒng)熱泵要求蒸汽源的壓力等級(jí)較高，由于熱力學(xué)的不可逆性，在提升蒸汽壓力等級(jí)的過(guò)程中，會(huì)損失部分能量，因此傳統(tǒng)熱泵效率較低。升溫型吸收式熱泵是一種利用不同沸點(diǎn)溶液的氣液平衡特性實(shí)現(xiàn)熱量提升的裝置。工作介質(zhì)通常由吸收劑（溴化鋰） 和制冷劑（水） 組成。升溫型吸收式熱泵不僅能夠回收低溫?zé)嵩矗€能將回收的熱量提升至更高的溫度水平，提升了余熱利用效率。

電磁烘缸是一種基于電磁感應(yīng)加熱缸體的高效烘干設(shè)備。其工作原理是通過(guò)電磁線圈產(chǎn)生交變電磁場(chǎng)，在缸體內(nèi)部感應(yīng)出電流，使缸體迅速升溫。升溫后的缸體將熱量傳遞給濕紙幅，促進(jìn)水分蒸發(fā)，實(shí)現(xiàn)快速干燥。電磁烘缸具有高效能、快速響應(yīng)、維護(hù)簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)，可顯著降低能源消耗[7]。多通道烘缸在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上進(jìn)行了創(chuàng)新，在烘缸內(nèi)壁沿周向均勻設(shè)置一組矩形小通道。蒸汽通入小通道后冷凝并釋放熱量，產(chǎn)生的冷凝水被有效限制在小通道內(nèi)，并借助蒸汽及烘缸旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的離心力迅速排出，有效解決了傳統(tǒng)烘缸的積水問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了更高的熱能利用率[8]。

1. 2 干燥技術(shù)更新

DS Smith 通過(guò)Baviera 蒸汽回收新技術(shù)，建立了廢蒸汽收集系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括冷凝器、熱交換器、冷凝水回收裝置及數(shù)字化蒸汽泵等組成部分，通過(guò)熱交換器將冷卻過(guò)程中釋放的潛熱傳遞給生產(chǎn)線，實(shí)現(xiàn)了熱能的循環(huán)利用。這一措施使某瓦楞紙箱廠的天然氣使用量減少了20%，成功降低了740 t二氧化碳的排放量。

超聲波干燥技術(shù)通過(guò)高頻聲波的機(jī)械振動(dòng)加速紙張內(nèi)部水分的去除。高頻聲波在紙張傳播過(guò)程中形成壓力波，使水分子振動(dòng)加劇，破壞水分子表面張力及液滴內(nèi)部結(jié)構(gòu)。這一過(guò)程有效地將水分驅(qū)趕至紙張表面，通過(guò)空氣流動(dòng)或輔助加熱加速水分的蒸發(fā)[9]。與傳統(tǒng)熱干燥技術(shù)相比，超聲波干燥技術(shù)可在較低溫度下實(shí)現(xiàn)高效脫水，不僅減少熱損失，還能降低紙張纖維的損傷。

此外，還可通過(guò)以下措施提升節(jié)能效果[10]：①升級(jí)濕紙幅的傳動(dòng)方式，采用交流變頻電機(jī)控制導(dǎo)輥傳動(dòng)，推動(dòng)干網(wǎng)運(yùn)轉(zhuǎn)；②改造無(wú)繩引紙系統(tǒng)，以降低紙張轉(zhuǎn)移過(guò)程中的能量消耗，提高生產(chǎn)的連續(xù)性和安全性；③增加干網(wǎng)清洗器，保持干網(wǎng)的清潔。盡管技術(shù)升級(jí)能直接改善干燥性能，但通常需要較高的前期投資。相比之下，先進(jìn)的設(shè)備控制技術(shù)具有明顯的成本優(yōu)勢(shì)。

傳統(tǒng)PID（proportional integral derivative） 控制在干燥部?jī)?nèi)部設(shè)備中應(yīng)用廣泛，但存在控制精度有限、參數(shù)整定耗時(shí)、操作靈活性不足等問(wèn)題。同時(shí)傳統(tǒng)PID高度依賴經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，難以達(dá)到最佳控制效果。為提高控制性能，改進(jìn)型PID 控制通過(guò)引入自適應(yīng)控制、模糊控制或智能算法等技術(shù)，提升了控制精度和響應(yīng)速度，使干燥設(shè)備的參數(shù)調(diào)整能更好地適應(yīng)干燥過(guò)程中的動(dòng)態(tài)變化和復(fù)雜環(huán)境，在確保設(shè)備穩(wěn)定性的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了更高效的能量利用。孟德志等[11]提出基于模糊控制的紙機(jī)蒸汽冷凝水控制系統(tǒng)，采用Mamdani極小-極大推理法進(jìn)行模糊推理，并使用加權(quán)平均法解模糊處理，實(shí)現(xiàn)蒸汽冷凝水系統(tǒng)的自適應(yīng)調(diào)整。

傳統(tǒng)PID控制策略難以精準(zhǔn)控制烘缸冷凝水排放壓差，而模糊PID算法的自適應(yīng)能力有限，湯偉等[12]提出了模糊免疫PID算法，在階躍響應(yīng)下，模糊免疫PID算法的調(diào)整時(shí)間比傳統(tǒng)PID算法和模糊PID算法分別縮短了22和10 s，且未出現(xiàn)超調(diào)現(xiàn)象，系統(tǒng)的響應(yīng)速度和跟蹤性能均顯著提升。改進(jìn)算法使得某廠的噸紙蒸汽消耗降低約9.09%，并確保烘缸始終不積水。為提升烘缸蒸汽壓力控制性能，劉濱朝等[13]通過(guò)粒子群方法優(yōu)化后的模糊PID控制器獲得最優(yōu)的量化因子和比例因子，有效避免了傳統(tǒng)模糊控制依賴專家經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行盲目尋優(yōu)的不足。

為解決烘缸積水問(wèn)題，湯偉等[14]提出了一種改進(jìn)遺傳PID 算法， 該算法在遺傳算法（genetic algo?rithm，GA） 的基礎(chǔ)上引入了新的種群“早熟”指標(biāo)，并改進(jìn)了遺傳算子與交叉算子，同時(shí)增加最優(yōu)追蹤策略，以提升蒸汽流速的控制效果。與傳統(tǒng)PID和基本遺傳PID算法相比，改進(jìn)遺傳算法PID的調(diào)節(jié)時(shí)間分別減少了15和9 s，響應(yīng)速度、超調(diào)量、穩(wěn)定性均有所提升，實(shí)現(xiàn)了紙機(jī)干燥部吹貫蒸汽流速的精準(zhǔn)控制。

2 干燥部系統(tǒng)優(yōu)化

干燥部主要包括蒸汽冷凝水子系統(tǒng)和通風(fēng)與余熱回收子系統(tǒng)。經(jīng)過(guò)不斷發(fā)展，這些子系統(tǒng)的能耗水平已經(jīng)趨于穩(wěn)定。能耗協(xié)同系統(tǒng)將2 個(gè)子系統(tǒng)進(jìn)行整合，從系統(tǒng)層面對(duì)能耗綜合優(yōu)化，兼顧質(zhì)量與成本之間的平衡，最大化回收系統(tǒng)中二次甚至三次能源，從而提高整體能效。

2. 1 蒸汽冷凝水子系統(tǒng)

蒸汽冷凝水子系統(tǒng)是干燥部熱能供給系統(tǒng)的重要組成部分，由烘缸、閃蒸罐、熱泵、蒸汽管道和閥門等組件構(gòu)成。在烘缸內(nèi)，蒸汽冷凝時(shí)釋放熱能，熱量通過(guò)烘缸壁傳導(dǎo)至紙張，蒸發(fā)濕紙幅水分。蒸汽冷凝水子系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)旨在精確控制進(jìn)入烘缸的蒸汽壓力，并利用熱泵和閃蒸罐等設(shè)備提升蒸汽質(zhì)量，回收并充分利用系統(tǒng)熱量，提高干燥效率。

在基于S7-300 PLC 的流量調(diào)節(jié)熱泵蒸汽冷凝水系統(tǒng)中，結(jié)合吹貫蒸汽壓差控制和熱泵開度低端選擇控制2種策略，有效防止烘缸內(nèi)積水，提升了閃蒸罐二次蒸汽的質(zhì)量[15]。系統(tǒng)還設(shè)置了閃蒸罐液位的上下限連鎖控制，防止工況變化時(shí)冷凝水大量進(jìn)入，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。在此基礎(chǔ)上，李茜等[16]提出了更加精確的控制方案，閃蒸罐分離出的冷凝水進(jìn)入氣罩系統(tǒng)，利用其余熱對(duì)新鮮空氣進(jìn)行預(yù)熱，二次蒸汽在可調(diào)熱泵和少量新鮮蒸汽的作用下，提升蒸汽壓力并通過(guò)管道送入烘缸，充分利用蒸汽冷凝水系統(tǒng)熱量；通過(guò)穩(wěn)定控制吹貫蒸汽流量和烘缸進(jìn)出口壓力差，避免烘缸內(nèi)積水；通過(guò)閃蒸罐液位連鎖控制，解決冷凝水排放困難及冷凝水泵頻繁啟停易損壞的問(wèn)題。該系統(tǒng)改造為三級(jí)自動(dòng)化技術(shù)（DCS） 架構(gòu)，結(jié)合優(yōu)化控制算法，將蒸汽消耗降低了36%，顯著提升了節(jié)能效率，在實(shí)際應(yīng)用中表現(xiàn)出優(yōu)異的經(jīng)濟(jì)效益。

可調(diào)熱泵與三段通氣相結(jié)合的蒸汽冷凝水系統(tǒng)，通過(guò)重新調(diào)整干燥區(qū)分組，將高溫段、中溫段和低溫段合理分配，在前干燥部第二組烘缸及后干燥部上下排烘缸處增加可調(diào)熱泵[17]。結(jié)合傳統(tǒng)的三段通汽與可調(diào)熱泵技術(shù)，將高溫段的尾汽用于中溫段，中溫段的尾汽用于低溫段，充分實(shí)現(xiàn)蒸汽能量的梯級(jí)利用。前干燥部和后干燥部的操作簡(jiǎn)化為基于水分和壓力的連鎖調(diào)節(jié)，可減少頻繁調(diào)整烘缸壓力的需求。該系統(tǒng)通過(guò)合理的分組和梯級(jí)熱量利用，顯著降低蒸汽消耗。

此外，可通過(guò)在蒸汽鍋爐換熱站安裝分汽缸、冷凝水回收裝置以及熱泵等設(shè)施回收系統(tǒng)的熱量，完成對(duì)蒸汽冷凝水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)改造與升級(jí)[18]。

2. 2 通風(fēng)與余熱回收子系統(tǒng)

通風(fēng)與余熱回收子系統(tǒng)由氣罩、送風(fēng)機(jī)、排風(fēng)機(jī)、余熱回收裝置和空氣加熱裝置等關(guān)鍵部件組成（圖3）。如圖3所示，該子系統(tǒng)的主要功能是將紙張蒸發(fā)出的水分帶出氣罩，并通過(guò)送風(fēng)和排風(fēng)系統(tǒng)維持適宜的空氣濕度，為水分蒸發(fā)提供充足的動(dòng)力。排出的濕熱空氣可以通過(guò)余熱回收裝置回收部分熱能，用于預(yù)熱新鮮空氣，由于經(jīng)余熱回收后的空氣溫度通常無(wú)法滿足送風(fēng)需求，因此需要通過(guò)空氣加熱裝置進(jìn)一步升溫。通過(guò)對(duì)通風(fēng)與余熱回收子系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)，確保氣罩內(nèi)部的溫濕度達(dá)到工藝要求，避免氣罩滴水或內(nèi)部溫度過(guò)高，從而提高整個(gè)干燥過(guò)程的效率和穩(wěn)定性。

通過(guò)將半封閉氣罩改為封閉式氣罩，并增加氣罩送風(fēng)系統(tǒng)、氣罩排風(fēng)系統(tǒng)和熱回收系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了氣罩內(nèi)部壓力與溫濕度的合理控制。這一改進(jìn)措施提升了氣罩內(nèi)能量流動(dòng)效率和二次利用效果。封閉氣罩系統(tǒng)有效隔離干燥部與外界環(huán)境，更好地利用干燥過(guò)程中產(chǎn)生的水蒸氣熱量。氣罩送風(fēng)系統(tǒng)通過(guò)控制烘缸之間的空氣濕度，提升干燥效率。熱回收系統(tǒng)則回收排出的熱風(fēng)能量，加熱送入的空氣，減少蒸汽消耗，該改造使得某廠每年節(jié)省885.2 t標(biāo)準(zhǔn)煤[19]。

2. 3 能耗協(xié)同控制系統(tǒng)

將蒸汽冷凝水子系統(tǒng)和通風(fēng)與余熱回收子系統(tǒng)協(xié)同整合，通過(guò)最大化回收和二次能源利用，實(shí)現(xiàn)能量的高效循環(huán)使用。協(xié)同控制系統(tǒng)通過(guò)先進(jìn)的控制策略，能夠調(diào)節(jié)和優(yōu)化各子系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)，還可以根據(jù)工況變化實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)調(diào)整，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行并實(shí)現(xiàn)能量的層級(jí)利用， 干燥部能耗協(xié)同系統(tǒng)具體見圖4。

如圖4所示，能耗協(xié)同系統(tǒng)結(jié)合多段供氣與熱泵供氣，成功解決了烘缸積水和新鮮蒸汽消耗過(guò)多的問(wèn)題。同時(shí)，采用三級(jí)加熱方式，充分回收系統(tǒng)中二次蒸汽和冷凝水的熱量，提升了干燥效率[20]。通過(guò)結(jié)合烘缸進(jìn)汽壓力控制、熱泵系統(tǒng)低端選擇控制、溫濕度調(diào)節(jié)技術(shù)及送風(fēng)溫度控制，不僅確保各個(gè)設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)滿足工藝要求，還實(shí)現(xiàn)了對(duì)干燥部能耗協(xié)同系統(tǒng)的高效運(yùn)行管理[21]。此外，能耗協(xié)同控制系統(tǒng)還可以充分利用烘缸內(nèi)排出的冷凝水和經(jīng)預(yù)熱進(jìn)入氣罩內(nèi)部的干燥空氣，并通過(guò)多級(jí)閃蒸罐和換熱器進(jìn)一步對(duì)空氣進(jìn)行加熱，確保進(jìn)入氣罩的空氣符合溫度要求。該系統(tǒng)改造精確調(diào)控工藝參數(shù)，將噸紙蒸汽消耗控制在2.03 t[22]。白娟娟等[23]基于西門子S7-300 PLC設(shè)計(jì)了一套熱力控制系統(tǒng)，精確優(yōu)化了蒸汽冷凝水、氣罩通風(fēng)及熱回收系統(tǒng)的能耗。

3 能耗預(yù)測(cè)及優(yōu)化模型

除了設(shè)備、技術(shù)和系統(tǒng)的升級(jí)，還可以通過(guò)對(duì)干燥部建立的能耗預(yù)測(cè)及優(yōu)化模型設(shè)計(jì)能耗優(yōu)化策略，幫助企業(yè)識(shí)別高耗能因素，實(shí)施針對(duì)性的能耗優(yōu)化措施，進(jìn)一步提升干燥部能效。

3. 1 能耗預(yù)測(cè)

精確的預(yù)測(cè)模型可為能耗優(yōu)化方案制定者提供數(shù)據(jù)支持，幫助決策者更好地識(shí)別潛在的節(jié)能機(jī)會(huì)和優(yōu)化空間。針對(duì)造紙企業(yè)的能耗預(yù)測(cè)問(wèn)題，夏威鈞等[24]提出了一種基于粒子群優(yōu)化的最小二乘支持向量回歸能耗預(yù)測(cè)模型。通過(guò)粒子群優(yōu)化，解決了參數(shù)選擇計(jì)算量大的問(wèn)題，并提升了模型的預(yù)測(cè)精度。相比單一算法，組合算法在干燥部能耗預(yù)測(cè)中表現(xiàn)出更高的精度和更快的計(jì)算速度。胡亞南等[25]將GA和反向傳播神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（back propagation neural network， BPNN）相結(jié)合，提出了GA-BPNN能耗預(yù)測(cè)模型。該模型使用GA 優(yōu)化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的權(quán)重和閾值，提高了求解精度。王瀚[26]將粒子群優(yōu)化算法和BPNN相結(jié)合，該預(yù)測(cè)模型利用粒子群優(yōu)化算法加速了模型的收斂過(guò)程，顯著提升了計(jì)算速度。

在干燥部能耗分析的基礎(chǔ)上，陳曉彬等[27]提出了干燥部能源效率在線監(jiān)測(cè)的4類指標(biāo)，即干燥部蒸汽單耗、干燥部熱效率、通風(fēng)與余熱回收子系統(tǒng)電單耗、通風(fēng)與余熱回收子系統(tǒng)熱回收效率，并建立了各個(gè)指標(biāo)的計(jì)算模型，該模型以能夠?qū)崟r(shí)采集的數(shù)據(jù)作為輸入，實(shí)現(xiàn)各指標(biāo)的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，以便在線分析干燥部能源利用狀況，并為能耗優(yōu)化策略的制定提供數(shù)據(jù)支持。

3. 2 能耗優(yōu)化模型

目前，干燥部能耗優(yōu)化模型主要依賴于物理機(jī)理建模和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)建模2種方法?；谖锢頇C(jī)理的模型能夠提供深入的理解和解釋，基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的模型能夠提供強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理和分析能力。混合建?？梢越Y(jié)合2種模型的優(yōu)勢(shì)，不僅提高預(yù)測(cè)的精度和魯棒性，還可增強(qiáng)模型的可解釋性，是值得進(jìn)一步研究的方向。

3. 2. 1 基于物理機(jī)理的能耗優(yōu)化模型

基于物理機(jī)理的建模方式，主要通過(guò)深入分析干燥過(guò)程中的熱傳遞、水分遷移和氣流調(diào)節(jié)等關(guān)鍵環(huán)節(jié)，以能耗最小為目標(biāo)，建立數(shù)學(xué)優(yōu)化模型。湯偉等[28]基于干燥部熱力平衡計(jì)算建立優(yōu)化模型，獲得將濕紙幅干燥至目標(biāo)干度所需的最優(yōu)烘缸干燥面積、耗熱量、耗氣量、冷凝水量等參數(shù)。李玉剛等[29]建立了以單位產(chǎn)品成本最低為目標(biāo)的非線性規(guī)劃模型。通過(guò)聯(lián)立氣罩模型、熱回收系統(tǒng)模型、空氣加熱模型和空氣混合模型，優(yōu)化過(guò)程操作參數(shù)，實(shí)現(xiàn)降低能耗的目標(biāo)。湯偉等[30]構(gòu)建送風(fēng)溫度與蒸汽消耗量之間的數(shù)學(xué)模型，并利用GA對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)的送風(fēng)溫度進(jìn)行了優(yōu)化。在此基礎(chǔ)上，李茜等[31]進(jìn)一步建立了干燥部的熱量模型，采用粒子群算法對(duì)送風(fēng)溫度進(jìn)行優(yōu)化。Zhang等[32]以干燥部蒸汽成本最小為目標(biāo)，以烘缸壓力、排風(fēng)扇頻率和干濕兩側(cè)的熱風(fēng)溫度為決策變量，基于流程仿真模型建立了能耗優(yōu)化模型。該優(yōu)化模型整合了干燥部各子系統(tǒng)，充分考慮了子系統(tǒng)間的耦合關(guān)系。

基于物理機(jī)理模型的優(yōu)勢(shì)在于其能夠深入揭示干燥過(guò)程中的物理和化學(xué)機(jī)制，識(shí)別和分析影響干燥效率的關(guān)鍵因素，還可以通過(guò)定量分析揭示各變量間的相互關(guān)系，為干燥過(guò)程的優(yōu)化操作提供了強(qiáng)有力的解釋和理論支持。但基于物理機(jī)理的模型構(gòu)建和求解費(fèi)時(shí)費(fèi)力，適用范圍有限。

3. 2. 2 基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的能耗優(yōu)化模型

基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的干燥部能耗優(yōu)化模型需采集大量的歷史數(shù)據(jù)，利用機(jī)器學(xué)習(xí)和統(tǒng)計(jì)分析等方法提取有效特征，并學(xué)習(xí)輸入輸出數(shù)據(jù)之間的映射關(guān)系。該模型具備實(shí)時(shí)更新和調(diào)整的能力，能更好地適應(yīng)生產(chǎn)環(huán)境的變化。

馬亞運(yùn)等[33]基于彈性網(wǎng)絡(luò)算法獲得干燥部的最佳工藝參數(shù)，如排氣濕度和排氣溫度等。該方法為干燥部操作變量的合理性提供了有效支持，并為優(yōu)化和控制紙張干燥過(guò)程開辟了新的思路。Yang等[34]采用了4種模型獲得干燥部的關(guān)鍵參數(shù)。由于這些參數(shù)間存在交互作用和非線性關(guān)聯(lián)，非線性模型的表現(xiàn)優(yōu)于線性模型。張一水等[35]構(gòu)建的數(shù)字孿生模型包括感知層、數(shù)據(jù)層、模型層和應(yīng)用層。在感知層，通過(guò)部署大量傳感器實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)層負(fù)責(zé)收集和傳輸相關(guān)信息；模型層則利用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)或機(jī)理建模的方法挖掘數(shù)據(jù)的價(jià)值，分析能耗與控制變量之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，提出優(yōu)化策略；優(yōu)化策略在應(yīng)用層實(shí)施，提升系統(tǒng)的整體性能和效率。戴景波等[36]采用全潛結(jié)構(gòu)分投影-灰色關(guān)聯(lián)度分析組合算法處理特征加強(qiáng)后的數(shù)據(jù)，該算法利用過(guò)程變量數(shù)據(jù)對(duì)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)進(jìn)行建模，通過(guò)設(shè)定的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)評(píng)估閾值來(lái)檢驗(yàn)造紙生產(chǎn)過(guò)程的狀態(tài)。最后，借助灰色關(guān)聯(lián)度分析追溯非優(yōu)原因，實(shí)現(xiàn)控制工段的能耗優(yōu)化，達(dá)到降低能耗的目標(biāo)。

盡管基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的能耗優(yōu)化模型在實(shí)際應(yīng)用中具有很強(qiáng)的靈活性，但仍存在模型解釋性不足、對(duì)數(shù)據(jù)質(zhì)量依賴過(guò)高等問(wèn)題。

3. 2. 3 基于物理機(jī)理和數(shù)據(jù)混合驅(qū)動(dòng)的能耗優(yōu)化模型

隨著機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)與工業(yè)信息化的不斷發(fā)展，基于物理機(jī)理與數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)結(jié)合的能耗優(yōu)化模型成為干燥部能耗優(yōu)化研究中值得探索的新方向?；旌辖Ｄ艹浞职l(fā)揮物理機(jī)理模型和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型各自的優(yōu)勢(shì)，是解決復(fù)雜能耗問(wèn)題的有效手段?；旌辖＝Y(jié)合了物理機(jī)理模型準(zhǔn)確描述物理過(guò)程的優(yōu)勢(shì)和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型處理多維非線性問(wèn)題的靈活性，有效彌補(bǔ)了單一方法的不足。物理機(jī)理與數(shù)據(jù)混合驅(qū)動(dòng)主要包括3種方法：機(jī)理級(jí)聯(lián)學(xué)習(xí)、學(xué)習(xí)嵌入機(jī)理和機(jī)理融入學(xué)習(xí)，具體見圖5。如圖5所示，機(jī)理級(jí)聯(lián)學(xué)習(xí)利用機(jī)理模型捕捉系統(tǒng)的基本規(guī)律，機(jī)器學(xué)習(xí)模型可以優(yōu)化復(fù)雜的非線性行為；學(xué)習(xí)嵌入機(jī)理則將機(jī)器學(xué)習(xí)知識(shí)直接嵌入到機(jī)理模型的結(jié)構(gòu)中，通過(guò)添加約束引導(dǎo)模型的學(xué)習(xí)，使其在遵循已知物理定律的同時(shí)，減少對(duì)數(shù)據(jù)的依賴；機(jī)理融入學(xué)習(xí)是一個(gè)更廣泛的概念，旨在將機(jī)理知識(shí)全面融入機(jī)器學(xué)習(xí)過(guò)程中，從而提高模型的精度和解釋性。

4 結(jié)語(yǔ)

本文圍繞紙機(jī)干燥部能耗優(yōu)化方法和策略，重點(diǎn)介紹了干燥部設(shè)備與技術(shù)更新、干燥部系統(tǒng)優(yōu)化、干燥部能耗預(yù)測(cè)及優(yōu)化模型3方面的研究進(jìn)展。

4. 1 新設(shè)備和技術(shù)的引入可顯著改善干燥部能耗，但新設(shè)備的設(shè)計(jì)通常需要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況進(jìn)行相應(yīng)的改造。如熱泵的節(jié)能效果通常與其尺寸密切相關(guān)，但其性能指標(biāo)和優(yōu)化參數(shù)多基于人工經(jīng)驗(yàn)，這使得熱泵在實(shí)際應(yīng)用中難以發(fā)揮最佳節(jié)能效果。此外，設(shè)備更新通常伴隨著較高的成本投入，調(diào)試過(guò)程也需要一定的時(shí)間和資源。設(shè)備控制技術(shù)不僅具有較低的實(shí)施成本，還能顯著提升控制系統(tǒng)的性能。隨著技術(shù)的進(jìn)步，其速度控制和精度控制將不斷提高，相比設(shè)備更新，改進(jìn)設(shè)備控制技術(shù)具有更明顯的優(yōu)勢(shì)。

4. 2 針對(duì)蒸汽冷凝水子系統(tǒng)和通風(fēng)與余熱回收子系統(tǒng)的研究已有顯著進(jìn)展，但仍存在一定不足。當(dāng)前，各子系統(tǒng)之間的研究顧此失彼，缺乏有效的統(tǒng)籌與協(xié)調(diào)，導(dǎo)致在整體能耗優(yōu)化方面的效果不如預(yù)期。相比之下，能耗協(xié)同系統(tǒng)通過(guò)集成各子系統(tǒng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)更高效的監(jiān)控與動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，其能夠協(xié)調(diào)各子系統(tǒng)的運(yùn)行，優(yōu)化資源利用，從而顯著提高整體能效并降低能耗。

4. 3 在干燥部能耗預(yù)測(cè)及優(yōu)化模型中，通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)分析，能有效識(shí)別和管理干燥部各環(huán)節(jié)的能耗，實(shí)現(xiàn)嚴(yán)格精準(zhǔn)管控；通過(guò)建立能耗優(yōu)化模型并制定優(yōu)化策略，可進(jìn)一步釋放未被充分開發(fā)的節(jié)能潛力?；谖锢頇C(jī)理的優(yōu)化模型具備較高的穩(wěn)定性和解釋性，但需深入了解復(fù)雜的工藝過(guò)程，其數(shù)學(xué)表述及求解困難。數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方法靈活且成本較低，能不斷更新迭代，但缺乏解釋性，且對(duì)數(shù)據(jù)質(zhì)量高度依賴。將物理機(jī)理模型與數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方法相結(jié)合的混合能耗優(yōu)化模型具有顯著的優(yōu)勢(shì)與潛力，這種混合方法巧妙融合了物理規(guī)律的可解釋性與數(shù)據(jù)分析的深度挖掘能力，既能充分挖掘數(shù)據(jù)價(jià)值，又能確保模型的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，為干燥部能耗優(yōu)化提供了更加科學(xué)、可靠的優(yōu)化策略。

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（責(zé)任編輯：呂子露）

基金項(xiàng)目：陜西省自然科學(xué)基礎(chǔ)研究計(jì)劃項(xiàng)目（2023-JC-QN-0754）。