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造紙生產自動化

造紙工業的發展使生產過程日益複雜,人們對產品質量要求更加嚴格。為實現製漿、造紙、堿回收等工段的工藝過程參數的自動檢測和自動控製,精度高、構造複雜的自動檢測儀表和各種類型的自動控製係統已成為造紙工業的重要組成部分。

操作流程

造紙生產包括製漿和造紙兩部分,生產過程既有物理作用,也有化學反應。生產過程的工藝參數有溫度、壓力、流量、液位、有效堿濃度、打漿度、定量、水分、灰分、光滑度、透氣度等。隨著生產的發展,還會提出一些新的參數。熱工量可以使用常規自動化儀表進行檢測,其他的參數則必須使用專用的傳感器檢測。通常,將檢測儀表與電子計算機或自動調節器聯接起來,構成適用於造紙生產過程的各種自動控製係統,如紙張定量、水分、灰分的控製係統,堿回收鍋爐燃燒的控製係統,熔融物還原率控製係統,紙漿蒸煮質量控製係統,漂白控製係統等。

紙張是紙廠的最終產品,定量和水分是表征其性質的基本參數和最終質量指標。影響定量和水分的因素有上網紙漿的濃度、紙漿的流量、車速的高低、通入烘缸蒸汽壓力的大小等。這些被控參數隨機幹擾大,而且參數之間相互耦合,被控對象純滯後時間很長,即使高速紙機也有56分鍾的滯後時間。因此,隻有借助於微電子技術和電子計算機才能實現自動控製。

自動控製

定量控製

由於定量和水分兩個參數相互耦合,它們的傳感器在掃描架上應裝在一起,使測量值能反映紙張同一部位的狀況。在掃描架上還同時安裝有灰分、厚度、色度、透明度、光滑度等傳感器。掃描架在壓光機的出口一側。為了使測量值能代表整個紙幅的情況,傳感器沿掃描架作往複運動。將紙幅分為幾個采樣區(例如分成6個采樣區,共7個點),傳感器每掃過一個區域,求一次滑動平均值,然後將這些測量值送往電子計算機與設定值進行比較,找出差值(偏差),經過控製和解耦運算之後,發出控製信號,使紙漿流量控製係統動作,改變紙漿流量調節器的設定值。通過紙漿流量的改變使紙張定量保持穩定。另一方麵,計算機發出的控製信號送到烘缸蒸汽壓力控製係統,去適當改變壓力調節器的設定值,使蒸汽調節閥協調動作,以保證水分不致在定量控製係統動作時發生變化。控製係統要消除紙漿流量、濃度和車速變化對定量的影響。

水分控製

電子計算機將水分傳感器送來的測量信號與水分設定值進行比較,根據其偏差的大小和方向,通過運算發出控製信號,調整蒸汽調節閥的開度,使烘缸內的蒸汽壓力隨設定值變化,達到所要求的水分。另一路使紙漿調節閥協調動作,對定量和水分兩個參數進行解耦,使定量不受水分控製信號的影響。如某種原因使蒸汽壓力發生波動,沒等紙張水分發生變化,蒸汽壓力控製係統立即使蒸汽壓力回到原來值,大大減弱蒸汽壓力波動對水分影響。

灰分控製

紙張中的灰分是由所加入的填料(如滑石粉、碳酸鈣粉等)量來決定的。填料呈漿狀通過填料泵加入紙漿中,泵由直流電動機拖動,轉速由可控矽調速係統控製。當紙漿的灰分偏離設定值時,計算機根據灰分偏差量,通過可控矽調速係統使填料泵的轉速作相應改變,調節加入紙漿中填料量的大小,直到灰分回到設定值為止。

厚度控製

為保證紙頁厚度一致,在壓光機的出口側沿光輥的軸向裝有一排噴氣管,並分成數段。在各段噴氣管上裝著許多噴氣嘴,使溫度為10左右的冷風通過噴氣嘴射向壓光輥,對壓光輥進行冷卻。利用金屬具有熱脹冷縮的性質,用控製噴射冷風量的辦法,實現控製紙頁的厚度。噴射冷風量大的區段,壓光輥的溫度較低,直徑較小,因而該段加在紙頁上的線壓力較小,通過這裏的紙頁厚度增大。反之,減小對壓光輥某區段的冷風噴射量,則通過該段的紙頁厚度就會減小。

紙頁厚度傳感器沿掃描架作往複運動時,每掃過一個區段就測出該段的紙頁厚度的平均值並送給計算機,計算機根據厚度測量值與設定值之間的偏差,控製冷風調節閥的開度,調節冷風噴射量,直到厚度回到設定值為止。如果每段紙頁的厚度都等於設定值,整幅紙的厚度就能均勻一致。

隨著微型計算機的廣泛采用,造紙生產自動化係統也已由單變量係統發展為多變量係統,控製技術、通信技術和計算機技術已有機地結合在一起,構成了更大規模的綜合自動化係統。

 

 

造紙廠自動化設備方案

   在造紙行業,中控有著完善的解決方案,豐富的工程實施經驗。目前中控的控製係統已廣泛的應用於造紙行業各個工段,從備料、製漿、造紙、堿回收、汙水處理到鍋爐發電、化學品製備等。2004年浙大中控緬甸200/日竹漿造紙項目的成功實施,打破了國外公司對製漿造紙全線過程控製的壟斷局麵。

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二、控製策略
     
造紙控製係統主要包括製漿過程、堿回收過程和造紙過程的控製。各個工段主要的控製策略如下:

1、製漿
    
製漿就是利用化學或機械的方法,或兩者結合的方法,使植物纖維原料離解,變成本色紙漿或漂白紙漿的生產過程。製漿按製漿方法可分為:化學製漿、化學機械製漿、廢紙製漿。本文僅針對化學製漿工藝的控製策略進行闡述。

     化學製漿過程所屬的蒸煮、洗滌、篩選、漂白工藝複雜,設備繁多,屬於典型的輕化工流程工業。其過程控製特點是模擬量的控製及累積計量較多,控製對象具有強滯後特性,比如大容量蒸煮鍋的溫度、漂白PH值和漂後白度等。中控運用DCS強大的模擬量處理功能和先進的控製算法,成功的實現了製漿過程的難點控製,滿足了製漿過程的控製要求。

1)蒸煮
    
蒸煮過程主要是脫木素的過程。蒸煮是製漿過程中的一個重要環節,蒸煮粗漿的質量直接影響後續洗滌、篩選、漂白工序以及成紙的質量和工廠的效益。它分為間歇蒸煮和連續蒸煮兩大類。

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    典型間歇立鍋蒸煮過程中蒸煮溫度對藥液在原料中的滲透、蒸煮反應速率、紙漿質量和產量等方麵都有明顯的影響。為適應不同的原料和紙漿的質量的不同要求,立鍋蒸煮過程中溫度是按照預定的蒸煮曲線變化的。該曲線按照蒸煮的時間采用分段線性法的方法將控製過程分為:一段升溫、小放汽、低壓保溫、二段升溫、高壓保溫、噴放六段進行分段控製。由於蒸煮溫度存在一定程度的滯後,使得蒸煮曲線控製時溫度檢測點的正確選取直接決定控製成功與否。中控選擇了加熱器出口的藥液溫度作為溫度檢測點,同時利用專家經驗對其進行了可靠的補償,取得了良好的溫控效果。
   
在蒸煮過程中,壓力控製的好壞直接影響溫度的控製效果。中控對壓力的控製采用了非線性調節規律變增益PID自動控製的控製策略,在升、降壓過程中,改變調節器的增益,使整個回路的增益依然保持不變,可以保證壓力回路控製的穩定性。

    DDS蒸煮過程屬於典型的間歇批量生產過程。中控開發了批量配方管理專用軟件包,並在聚氯乙烯、塗料、乳膠膠水等化工批量生產過程中已得到了成功的應用,可滿足DDS蒸煮工程對批量控製的要求。

連續蒸煮
     
連續蒸煮按照逆序(工藝流程)啟動,順序停機的總體原則對工藝流程的各設備進行開/停機控製與嚴格的連鎖保護。連續蒸煮管控製關鍵在於:

      濕法配料控製:為了保證原料通過量及原料在計量汽蒸器停留的時間,計量汽蒸器的螺旋軸轉速由變頗器調速,使得速度控製準確平滑。

      蒸煮藥液係統控製:蒸煮液流量采用比值控製,跟隨雙螺旋計量器速度變化。蒸煮液槽液位達到上限報警自動停堿液泵。

      蒸煮管壓力控製:由進汽調節閥控製實現。蒸煮管壓力必須設定聯鎖,壓力高限報警時關閉進汽調節閥。

      蒸煮管液位值控製:由兩個出料冷噴放閥調節控製。任一噴放閥皆可實現卸料器內液位自動控製。當液位持續不降時,備用調節閥排放漿料。

2)洗選                             
     
蒸煮後漿料必須經過洗滌、篩選和淨化等一係列物理化學處理過程,以除去蒸煮粗漿中含有的蒸煮廢液和部分粗渣、泥沙等雜質。典型洗滌設備多段真空洗漿機采用逆流洗滌,主要通過調節與控製上漿濃度、進出漿和稀釋水流量、排渣量等,使洗滌係統在滿足工藝約束條件下運行在最優狀態。篩選淨化過程則需要對以下參數:進漿濃度、進漿流量、內部稀釋水量、排渣量、進漿、良漿壓差進行控製。

3)漂白
     
為了適應成紙的白度要求,本色漿(黑漿)必須通過加入化學藥品進行漂白。漂白過程是一個連續的化學反應過程,主要通過控製反應時間、反應溫度、反應濃度,來獲得提高漂白質量白度與減少對纖維的降解之間的平衡。

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