王 沖

造紙紙漿濃度控制回路設(shè)計(jì)

王 沖

（中國海誠工程科技股份有限公司， 上海 200031）

造紙廠紙漿濃度的控制在整個(gè)工藝生產(chǎn)過程中有著非常重要的作用，對(duì)磨漿效果、抄造穩(wěn)定性及最終產(chǎn)品質(zhì)量都有很大的影響。除了工藝漿料平衡的設(shè)計(jì)優(yōu)化外，應(yīng)重視紙漿濃度自動(dòng)控制回路的設(shè)計(jì)。根據(jù)不同工藝控制點(diǎn)的特點(diǎn)，分析并選擇合適的濃度計(jì)，闡述濃度計(jì)安裝現(xiàn)場需求，結(jié)合稀釋水調(diào)節(jié)閥及控制系統(tǒng)構(gòu)建紙漿濃度控制回路，為控制回路軟件算法加成提供基礎(chǔ)，最終達(dá)到優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的。

造紙紙漿；濃度計(jì)；調(diào)節(jié)閥；控制回路

紙漿濃度控制是造紙過程控制中重要的一環(huán)，涉及打漿、磨漿、上漿等各生產(chǎn)環(huán)節(jié)，其控制回路調(diào)節(jié)性能對(duì)磨漿效果、抄造穩(wěn)定性、原料的節(jié)約以及最終紙張質(zhì)量等都有著很大的影響。目前，造紙項(xiàng)目自動(dòng)化程度不斷提高，關(guān)鍵點(diǎn)的紙漿濃度可選用適合的濃度計(jì)在線監(jiān)測，并將信號(hào)送至DCS控制調(diào)節(jié)。紙漿濃度回路的調(diào)節(jié)受多種因素的制約，想在實(shí)際生產(chǎn)中得到更好的效果，需從現(xiàn)場儀表設(shè)計(jì)選型以及控制回路設(shè)計(jì)上進(jìn)行優(yōu)化。

1 造紙紙漿特點(diǎn)

造紙紙漿不是一種純粹的介質(zhì)，而是由纖維和水等混合而成的混合液，常夾雜氣泡；其特性受不同的纖維種類、濃度、溫度、雜質(zhì)等影響而呈現(xiàn)復(fù)雜性。

紙漿根據(jù)原料的不同一般分為木漿、竹漿、草漿、廢紙漿等；根據(jù)生產(chǎn)工藝的不同又分為機(jī)械漿、化學(xué)漿、化學(xué)機(jī)械漿等[1]。

造紙項(xiàng)目中的生活用紙廠的紙漿以木漿、竹漿為主，其濃度一般在6%以下，以某工業(yè)園區(qū)的生活用紙項(xiàng)目為例，其采用的原料為原生木漿，包括長纖維木漿和短纖維木漿，原料經(jīng)過碎漿、除渣、磨漿、疏解、混合配漿、上漿等工藝過程送至生活用紙紙機(jī)的流漿箱中抄造成紙。

不同濃度的紙漿在不同的管徑中以不一樣的速度流動(dòng)，其所含的纖維及呈現(xiàn)的物理特性等也不盡相同。造紙工藝一般要求在高濃度下儲(chǔ)存紙漿，以減少漿塔等容器的大小，但高濃紙漿在管路輸送時(shí)比較困難，因此常通過濃度控制系統(tǒng)向漿塔出料管的紙漿中加入稀釋水以降低紙漿濃度保證其輸送性。不同生產(chǎn)工段需根據(jù)不同的工藝特點(diǎn)及控制需求選用合適的濃度計(jì)及稀釋水調(diào)節(jié)閥，以保證濃度調(diào)節(jié)的可靠性。

2 濃度計(jì)選型

造紙生產(chǎn)過程中主要采用管道式在線濃度計(jì)進(jìn)行紙漿濃度的測量，目前生產(chǎn)中使用的紙漿濃度計(jì)，其測量原理主要是根據(jù)紙漿的流動(dòng)特性或光學(xué)特性，主要類型如表1所示。

表1 紙漿濃度計(jì)特性比較表

刀式濃度計(jì)及旋轉(zhuǎn)式濃度計(jì)依據(jù)剪切力原理測量，對(duì)紙漿的纖維種類、空氣、流速等變化因素不敏感；動(dòng)刀式濃度計(jì)采用主動(dòng)測量，相對(duì)于定刀式濃度計(jì)來說更能適應(yīng)紙漿流速的不斷變化。

紙漿濃度計(jì)類型的選擇主要考慮所測位置的濃度、精度要求、安裝要求等因素，一般在無特殊要求的場合測量采用刀式濃度計(jì)，性價(jià)比最高；當(dāng)測量精度要求高時(shí)，選用旋轉(zhuǎn)濃度變送器，造價(jià)較高；對(duì)于1%以下的低濃度測量場合選用光學(xué)濃度計(jì)。單從測量精度、安裝維護(hù)便利等因素上考慮，光學(xué)濃度計(jì)優(yōu)勢明顯，但出于一次投資成本等因素的考慮，很多紙廠都沒有選用這種類型，更多地采用了刀式或旋轉(zhuǎn)式濃度計(jì)。

漿管輸送紙漿的溫度一般在40~60 ℃，對(duì)濃度計(jì)的耐溫沒有特別要求，由于紙漿比較黏稠，主要考慮其種類、濃度、流速、腐蝕性等因素，以該生活用紙項(xiàng)目為例，其工藝生產(chǎn)過程中主要選擇測量紙漿濃度位的置如下：

（1）短纖維木漿塔卸料泵出口：DN300不銹鋼管道，短纖維木漿，濃度約4.5%，流速約0.5 m/s，選用旋轉(zhuǎn)濃度變送器。

（2）短纖維木漿除渣器入口：DN250不銹鋼管道，短纖維木漿，濃度約4%~5%，流速約1 m/s，選用動(dòng)刀式濃度變送器。

（3）長纖維木漿除渣器入口：DN200不銹鋼管道，長纖維木漿，濃度約4%~5%，流速約0.85 m/s，選用動(dòng)刀式濃度變送器。

（4）復(fù)卷碎漿機(jī)卸料泵出口：DN150不銹鋼管道，損紙漿，濃度約4.2%，流速約0.75 m/s，選用旋轉(zhuǎn)濃度變送器。

（5）機(jī)下碎漿機(jī)卸料泵出口：DN250不銹鋼管道，損紙漿，濃度約4%~6%，流速約0.3 m/s，選用旋轉(zhuǎn)濃度變送器。

（6）損紙塔卸料泵出口：DN200不銹鋼管道，損紙漿，濃度約4%，流速約1 m/s，選用動(dòng)刀式濃度變送器。

（7）漿料回收罐卸料泵出口：DN200不銹鋼管道，回收漿，濃度約3.8%，流速約0.7 m/s，選用動(dòng)刀式濃度變送器。

（8）毯層/網(wǎng)層成漿池卸料泵出口：DN125不銹鋼管道，漂白漿，濃度約3.2%~3.5%，流速約1.5 m/s，選用旋轉(zhuǎn)濃度變送器。

在測量精度要求高的場合選擇了旋轉(zhuǎn)濃度變送器，其他選用了動(dòng)刀式濃度計(jì)。采用的動(dòng)刀式濃度計(jì)和旋轉(zhuǎn)式濃度計(jì)接液部分為316L材質(zhì)，提高防腐蝕性能；濃度計(jì)為分體式結(jié)構(gòu)，分為濃度傳感器和濃度變送器，之間通過專用信號(hào)電纜連接。

漿泵出口流動(dòng)過程中產(chǎn)生的湍流對(duì)測量精度和穩(wěn)定性也有影響，除光學(xué)濃度計(jì)外，其他刀式濃度計(jì)和旋轉(zhuǎn)濃度計(jì)都需要有足夠的直管段以保證測量精度。

濃度傳感器的安裝首選垂直管段外側(cè)面，且避開振動(dòng)較大的位置，空間上一般傳感器外側(cè)500 mm內(nèi)沒有遮擋物，便于安裝及維護(hù)。若垂直管段受限無法安裝時(shí)，可將濃度計(jì)安裝在水平管道的兩側(cè)，避開易積聚氣泡的管道上部和易積聚雜質(zhì)的管道底部。

對(duì)于刀式濃度計(jì)，傳感器安裝時(shí)應(yīng)使刀片與主管道平行且與紙漿流向相同，直管段需考慮前10后5倍主管道直徑的長度；對(duì)于旋轉(zhuǎn)濃度計(jì)，傳感器安裝時(shí)直管段需考慮前3（或1.5 m）后1.5（或0.5 m）倍主管道直徑的長度，且旋轉(zhuǎn)濃度計(jì)一般配有沖洗水接口，需現(xiàn)場就近接入。每個(gè)濃度傳感器安裝點(diǎn)下面便于操作的位置同時(shí)安裝一個(gè)手動(dòng)取樣閥，使手動(dòng)取樣的紙漿和在線測量的保持一致，以便更好比對(duì)。

3 控制回路設(shè)計(jì)

紙漿濃度控制回路由紙漿濃度計(jì)、稀釋水調(diào)節(jié)閥、DCS控制系統(tǒng)以及中間電纜等組成，如圖1所示。

圖1 紙漿濃度調(diào)節(jié)回路框圖

漿管上安裝的濃度傳感器信號(hào)經(jīng)特殊電纜連接至分體的濃度變送器中，濃度變送器送出4~20 mA的模擬量信號(hào)經(jīng)屏蔽電纜送至DCS系統(tǒng)，DCS程序中將測量值與設(shè)定值比較后計(jì)算輸出一個(gè)4~20 mA的模擬量信號(hào)經(jīng)屏蔽電纜至稀釋水調(diào)節(jié)閥以控制稀釋水的流量從而達(dá)到調(diào)整紙漿濃度的目的。采用屏蔽信號(hào)電纜并在DCS機(jī)柜側(cè)單點(diǎn)接地可減少信號(hào)干擾，提高回路的穩(wěn)定性[2]。

稀釋水管在漿塔至漿泵出料管的2/3處垂直插入，插入長度根據(jù)漿管直徑確定，一般在10~50 mm。稀釋水采用白水，管徑根據(jù)主漿管管徑計(jì)算確定，一般不超過DN80，流速保持在3~5 m/s。白水中含有少量木纖維，選用具有一定剪切力的V型調(diào)節(jié)球閥，可以剪斷白水中的纖維，達(dá)到更好的調(diào)節(jié)性能。調(diào)節(jié)閥采用氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，配氣源過濾器，可快速響應(yīng)DCS輸出的閥位信號(hào)，其口徑根據(jù)流量及壓力參數(shù)等工況具體計(jì)算以使得正常情況下調(diào)節(jié)閥的開度可以處在比較理想的開度區(qū)間（40%~60%）內(nèi)，如DN80的稀釋水管道選用口徑為DN50的調(diào)節(jié)閥局部縮徑安裝[3]。

濃度計(jì)及調(diào)節(jié)閥的物理安裝位置上盡可能接近，以減少流體管道流動(dòng)產(chǎn)生的回路調(diào)節(jié)時(shí)間的滯后。分體式濃度變送器安裝在相對(duì)干燥且便于操作維護(hù)的環(huán)境中， 并通過配電盤提供220 V AC的單相交流電源。

濃度變送器及調(diào)節(jié)閥的信號(hào)在DCS中構(gòu)成一個(gè)閉環(huán)控制回路，常規(guī)采用PID整定控制并考慮一定的擾動(dòng)因素。在需要精細(xì)控制的回路，加入APC（先進(jìn)過程控制）算法，如模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法等，以解決控制回路本身的滯后性及各種擾動(dòng)因素的影響，達(dá)到更優(yōu)的控制效果。

4 結(jié)論

良好的紙漿濃度控制回路應(yīng)從硬件及軟件兩方面著手，從現(xiàn)場儀表、調(diào)節(jié)閥選型及安裝等硬件方面為DCS軟件回路的控制優(yōu)化提供了基礎(chǔ)保障，以PID經(jīng)驗(yàn)控制輔以APC算法優(yōu)化可將造紙紙漿控制回路的性能最優(yōu)化，為高質(zhì)量產(chǎn)品的穩(wěn)定生產(chǎn)提供可能。

［1］GB51092-2015, 制漿造紙廠設(shè)計(jì)規(guī)范 [S].

［2］HG/T20513-2014, 儀表系統(tǒng)接地設(shè)計(jì)規(guī)范 [S].

［3］HG/T20507-2014, 自動(dòng)化儀表選型設(shè)計(jì)規(guī)范 [S].

Design of Pulp Consistence Control Loop

（China Haisum Engineering Co.,Ltd., Shanghai 200031,China）

The control of pulp consistence in paper mill plays an important role in the whole process, which has a great influence on the grinding effect, the stability of making and the quality of the final product. In addition to the design optimization of process pulp balance, attention should be paid to the design of pulp consistence automatic control loop. In this paper, according to the characteristics of different process control points, the appropriate consistence meter was analyzed and selected, the installation site requirements of the consistence meter were described, and the pulp consistence control loop was constructed combining the dilution water control valve and control system, to provide the basis for the optimization of the control loop software algorithm, and the purpose of optimal design was finally achieved.

Paper pulp; Consistence meter; Control valve; Control loop

沈陽工業(yè)大學(xué)科研成果介紹

高濃難降解有機(jī)廢水預(yù)處理集成裝備

適用范圍：制藥、農(nóng)藥、顏料、焦化等行業(yè)高濃度難降解有機(jī)廢水。

參照標(biāo)準(zhǔn)：一般厭氧生化處理技術(shù)進(jìn)水要求。

技術(shù)優(yōu)勢：

設(shè)備集合電催化氧化、兩級(jí)微電解、混凝工藝優(yōu)勢，適宜于多種行業(yè)高濃度難降解有機(jī)廢水處理，處理效率高；集裝箱式集成化設(shè)計(jì)，便于運(yùn)輸、移動(dòng)；設(shè)備中不同容器水力停留時(shí)間可調(diào)節(jié)，適應(yīng)水質(zhì)水量變化。

聯(lián)系人：梁吉艷

電話：024-25497158，E-mail：liangjiyan2005@126.com

TQ 056

A

1004-0935（2020）05-0520-03

2020-02-13

王沖（1984-），男，工程師，碩士研究生，江蘇省啟東市人，2009年畢業(yè)于東華學(xué)?？刂评碚撆c控制工程專業(yè)，研究方向：自控儀表及弱電設(shè)計(jì)。