鐘益聯(lián)

(中國中輕國際工程有限公司，北京，100026)

紙機蒸汽冷凝水系統(tǒng)及其控制對蒸汽利用率和紙張質(zhì)量至關(guān)重要。紙機運行要想達到節(jié)能增效、保質(zhì)保量的生產(chǎn)目標，其重要技術(shù)措施之一是必須確保紙機蒸汽冷凝水系統(tǒng)過程測量準確，暖缸起動規(guī)律平穩(wěn)，回路設(shè)計可控合理，控制方法先進可靠。本文對紙機蒸汽冷凝水系統(tǒng)的測量和控制方法及閥門的選用進行介紹，以供參考。

1 壓力、差壓測量及其變送器的安裝

圖1 為紙機蒸汽冷凝水系統(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)有兩個不同點:一是在冷凝器上加裝一個壓力表，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壓力表主要是在紙機啟動時便于技術(shù)人員和操作人員觀察實測值。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高上，為達到此目的，要事先制作好一個矩形安裝架(見圖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。

2 暖缸過程及其控制

當紙機初次啟動，或由于斷紙及其他機械故障致使較長時間停機而紙機需重新啟動時，均需一個暖缸過程。所謂紙機暖缸過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)達到正常車速蒸汽壓力的過渡過程。各段蒸汽的升壓過程，其實也是各段蒸汽的升溫過程，亦即是造紙技術(shù)人員和操作人員平常所說的紙機干燥部預(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］

將紙機干燥部烘缸的暖缸過程分為3 個階段，即開始階段、中期階段和結(jié)束階段。由于冷缸對溫度較為敏感，因此，在暖缸開始階段，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。

針對上述升溫曲線，可用下面3 條規(guī)則很方便地通過控制系統(tǒng)(DCS 或PLC)來實現(xiàn)。即:

規(guī)則1:

規(guī)則2:

規(guī)則3:

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

暖缸控制-三段升溫法的詳細介紹及其應(yīng)用詳見參考文獻［1］。

2.2 暖缸控制-逐步迭代升溫法

以一工程實例來簡要說明逐步迭代升溫法原理。

實例:車速2000 m/min、網(wǎng)寬10200 mm、卷取紙寬10200 mm、產(chǎn)量40 萬t/a 紙機的暖缸控制，圖5是其經(jīng)過簡略整理的編程功能圖。

在實際工程應(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測值(Actual value)。該值經(jīng)過多種運算 (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。實際上，該信號不是直接接至各壓力回路調(diào)節(jié)閥，而是通過一低值選擇器與各回路的壓力調(diào)節(jié)器輸出進行比較，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 中的運算其實是一個在實際測量值基礎(chǔ)之上按給定規(guī)則進行迭代運算過程，其每步運算周期時間和調(diào)節(jié)閥作用時長可以設(shè)定(如某工程分別是400 ms 和30 s)。如前所述，程序執(zhí)行過程是逐步進行的，其每步運算是以前次輸出并被執(zhí)行后得到最新的輸入從而又進行一次周期性計算，這樣一直迭代運算至S3 動作(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 個功能開關(guān)，S1 是工藝條件的連鎖開關(guān)，只有滿足初始條件才能允許暖缸;S2 是Ramp start 開關(guān)，合上開關(guān)表明暖缸主設(shè)定(Master Setpoint Warm-up)開始;S3 是判斷暖缸升溫是否結(jié)束亦即是暖缸終點判斷開關(guān)，其動作表明紙機蒸汽冷凝水系統(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，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(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?；赜玫酵缓娓讌^(qū)或下一用汽壓力較低烘缸區(qū)。熱泵結(jié)構(gòu)示意圖見圖6［2］。

第一種串聯(lián)系統(tǒng)原來的主要缺點是各烘缸組存在“依賴性”，即某烘缸組蒸汽壓力波動牽涉到其他烘缸組蒸汽壓力隨著波動。但是，由于現(xiàn)在工藝設(shè)備和控制回路設(shè)計漸趨合理，控制方法先進、成熟，因而該系統(tǒng)不僅應(yīng)用在一般紙機上，也廣泛應(yīng)用在現(xiàn)代高速紙機上，當然這些紙機應(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的場合。熱泵系統(tǒng)的缺點是高壓蒸汽損失了若干發(fā)電價值［2］。下面對供汽系統(tǒng)常規(guī)控制作簡單的分析說明。

3.1 壓力、壓差、液位控制

圖7 為紙機蒸汽冷凝系統(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，可以是手動操作信號，也可以是斷紙時輸出信號。當紙機突然斷紙時，各段壓力調(diào)節(jié)閥不是(或不能)立刻關(guān)閉，而是朝關(guān)向動作且保持在一定開度，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該閥門處于強制關(guān)閉狀態(tài)(S=C)。

圖6 熱泵結(jié)構(gòu)示意圖

差壓回路是一個典型分程(Split Range)控制回路。該回路設(shè)置兩個調(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 點處，控制原理大體相同)，其作用是根據(jù)烘缸組的差壓來調(diào)節(jié)冷凝水的排出。PV22 置于二次蒸汽分支管上，當烘缸組2 不能全部利用汽水分離器分離出的二次蒸汽時，該閥打開，此時二次蒸汽將會通過表面冷凝器，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該閥不再動作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該閥處于強制打開狀態(tài)，S=O。事實上，PDV21、PDV22 分別受PDC 調(diào)節(jié)器輸出4 ～12 mA，12 ～20 mA 作用，實現(xiàn)烘缸組差壓PDC 分程控制(split range control)，只不過為方便電氣閥門定位器調(diào)校在控制系統(tǒng)內(nèi)分程而不在電氣閥門定位器分程，因而PDV21、PDV22 的輸入仍然是4 ～20 mA 信號。

圖7 紙機蒸汽冷凝系統(tǒng)典型壓力、差壓、液位控制流程圖

液位回路也是一個分程控制回路。針對汽水分離器容量很小的特點，保持一定回流量對液位的平穩(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排出。

3.2 關(guān)于熱泵供汽系統(tǒng)及其控制［3］

20 世紀50 年代，熱泵技術(shù)便被用于紙機蒸汽冷凝水系統(tǒng)，90 年代初我國開始從國外引進該技術(shù)，并開始研發(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，從而達到節(jié)約新鮮蒸汽的目的。紙機蒸汽冷凝水系統(tǒng)通常以高壓工作蒸汽作為引射動力源，采用熱泵來提升通過各級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)達國家和我國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［4］或其他國內(nèi)外文獻。熱泵應(yīng)用工程實例可參考圖9。

圖9 熱泵供汽系統(tǒng)及其控制流程圖示例

表1 圖9 中各測量點的初步設(shè)計參數(shù)值

圖9 所示為車速2000 m/min、幅寬5600 mm、年產(chǎn)6 萬t 衛(wèi)生紙的紙機實例。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 各測量點的初步設(shè)計參數(shù)值。從汽水分離器閃蒸出來的二次蒸汽 (D點)經(jīng)新鮮蒸汽或稱為工作蒸汽 (B 點)引射產(chǎn)生的混合蒸汽，回用到揚克缸 (Yankee)供汽管(E 點)。E 點蒸汽量是B、C、D 三點蒸汽量之和。從表1 中“正常欄”數(shù)據(jù)可以計算出，D 點引射蒸汽量約占到E 點蒸汽總量39%。該數(shù)據(jù)充分說明，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

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量和理想的控制效果。否則，變送器調(diào)試將會遇到困難，由于測量不準確也會使控制運行不穩(wěn)定導(dǎo)致各段蒸汽壓力波動。

本文介紹的兩種暖缸控制方法，三段升溫法只能算是國內(nèi)計算機技術(shù)應(yīng)用的前期實驗，不能肯定其工程實用性和應(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現(xiàn)代高速紙機上得到工程應(yīng)用，筆者從國外資料的研讀中體會到該方法有其先進性、巧妙性和實用性。希望國內(nèi)有關(guān)技術(shù)人員能參考“逐步迭代升溫法”，創(chuàng)新開發(fā)暖缸控制方法并在國產(chǎn)紙機上推廣應(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/手動操作的設(shè)定。熱泵供汽系統(tǒng)多用在使用高壓蒸汽紙機的場合，就其控制方法而言并不復(fù)雜。本文介紹的衛(wèi)生紙機工藝設(shè)計工程實例中，熱泵起著重要作用。在某些特定應(yīng)用場合，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象工況較為穩(wěn)定，而紙機蒸汽冷凝水系統(tǒng)工況往往較為復(fù)雜，故有些紙機應(yīng)用熱泵不能取得理想的控制效果。目前，熱泵在紙機的工程應(yīng)用漸趨減少，市場對每臺紙機生產(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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［2］ 加拿大G. A 斯穆克. 制漿造紙工程大全［M］. 2 版. 曹邦威，譯. 北京:中國輕工業(yè)出版社，2001.

［3］ TANG Wei，LV Ding-yun，WANG Meng-xiao. Review of Heat Energy Supply System of Steam-driven Jet Heat Pump Applied in Paper Machine［J］. China Pulp ＆ Paper，2007，26(10):49.湯 偉，呂定云，王孟效. 造紙機熱泵供熱系統(tǒng)的應(yīng)用. 中國造紙［J］，2007，26(10):49.

［4］ YAN Yong-zhi，REN Xue-hong. Investigation on the Heat Pump Control System of Paper Machine Dryers［J］. China Pulp ＆Paper，2007，26(10):49.閆永志，任雪鴻. 紙機干燥部熱泵供熱系統(tǒng)的控制方式. 中國造紙［J］，2007，26(6):42.