一種造紙機干燥部能量系統優化控制系統的制作方法

文檔序號：2470131閱讀：206來源：國知局

專利名稱：一種造紙機干燥部能量系統優化控制系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種造紙機干燥部優化控制系統，特別涉及一種干燥部為全封閉式的
多烘缸造紙機干燥過程的能量優化控制系統。
背景技術：
造紙機干燥部的組成因所生產的紙種不同而有所不同，除生產薄頁紙的造紙機為一大直徑的楊克烘缸外，其他造紙機的干燥部則是由多組烘缸組成的，且被包圍在一個全封閉式、半封閉式或敞開式的氣罩內，需要表面施膠的紙機，其干燥部還包括表面施膠系統。其干燥過程為經壓榨后干度為33% 55%的濕紙頁，進入造紙機干燥部經過多組烘缸(或一個楊克烘缸)的蒸發作用逐漸脫除紙頁內殘余的水分，使其出干燥部時干度為 90% 97% ;蒸發出來的水分在氣罩通風系統上升氣流的作用下向氣罩上部運動，經抽風機排出干燥部；排出的高濕含量的濕熱空氣先經過換熱系統回收廢熱，再由引風機送入煙囪排至大氣。造紙機干燥部的作用是借助于烘缸內蒸汽冷凝釋放出的潛熱蒸發脫除濕紙頁中殘留的水分，然后依賴于氣罩通風系統把蒸發出來的濕熱空氣排出干燥部，同時還具有提高紙頁強度、增加紙頁平滑度和完成紙頁的表面施膠等作用。造紙機干燥部的質量約為紙機總質量的60% 70%;設備費用和動力消耗均占整個紙機的50%以上；能耗約占造紙總能耗的60%左右，為紙生產成本的10% 15%，是造紙工業流程中耗能最大的工段。因此，無論從重量、投資、能耗還是對紙頁的質量來說，干燥部都是造紙機的重要組成部分。近年來隨著造紙機高速化的發展，干燥部的發展也很快，許多新技術不斷涌現，干燥理論和新的干燥設備也不斷出現，但干燥部性能的好壞仍然是限制紙機向高速化發展的主要瓶頸。影響干燥部性能的因素很多，包括蒸汽冷凝系統的設計和操作、氣罩通風系統的效率、熱回收系統的操作以及烘缸結構、烘缸外壁厚度和傳熱性能、干網的選用、紙機車速、紙頁透氣性及平滑度等眾多因素，其中蒸汽冷凝系統、氣罩通風系統及熱回收系統的操作是影響其干燥過程能量系統效率的關鍵因素。
目前造紙機干燥部能量系統主要采用如下幾種控制方案蒸汽冷凝系統控制主蒸汽管道設有蒸汽流量和壓力的控制閥；多組烘缸分布的干燥部，每一組烘缸都有供汽的壓力控制；各組烘缸有獨立的壓差控制；汽水分離器的液位控制；二次蒸汽和冷凝水的流量控制等。這些變量的控制大多是通過PID控制 (Proportion Integration Differentiation,這里指比例、積分、微分控制)實現的。
氣罩通風系統控制氣罩排風露點溫度的控制；通風量和通風溫度的控制；加熱器蒸汽流量的控制；抽風機、引風機閥門開度或功率的控制等。但在實際生產中，因為缺少準確可靠的理論指導，且為保證紙機的安全運行，并不是根據排風濕度來控制通風量的，即便是在轉換紙種或紙機斷紙時，進風量也只能靠操作員的經驗來調節，這往往會使通風量過大而造成能源的浪費。
據調查，造紙廠中影響紙機干燥部能量系統效率的某些關鍵變量還沒有實現在線測量，只能根據經驗推理，無法根據實際數據做出科學的預測，給干燥部能量系統的優化帶來了一定的困難。這些變量包括氣罩內空間方向的溫度及濕度分布；烘缸的溫度曲線；進出換熱器冷物流和熱物流的參數等。另外對其有影響的因素還有現有DCS (Distributed Control System,這里指集散控制系統)校正不及時，某些關鍵變量的測量偏差較大，不能準確反映造紙機干燥部的真實條件。目前，在造紙機干燥部DCS中，紙頁干燥過程的控制通常采用常規的PID控制，由于干燥過程的控制變量和被控變量之間具有強耦合、大滯后和非線性等復雜的動態特性，并存在苛刻的約束條件，使常規的PID控制無法根據紙機的實際情況來準確地調節干燥部能量系統的主要變量，不能取得滿意的控制效果，不僅造成了能源的浪費，也不符合建設節約型工廠的要求。

發明內容
本發明提供了一種面向工藝的造紙機干燥部能量系統優化控制系統，其目的在于保證造紙機正常運行的前提下，獲得比普通PID控制更好的控制效果，以提高干燥部的能量利用效率、節約干燥部能耗、實現造紙機干燥部能量系統的最優化。為實現本發明的目的采用的技術方案為一種造紙機干燥部能量系統優化控制系統，其特征是，包括安裝在造紙機干燥部的在線測量裝置，用于在線測量干燥部內的溫度、濕度、露
點、壓力、風速及流量；工業組態軟件模塊；用于存儲在線測量的數據、干燥過程各種參數的數據表、人工輸入的隨機參數和優化后各種參數數據的關系數據庫；用于調用存儲在關系數據庫中的相關數據，對其進行處理和優化運算，并預測未來時刻的控制作用，以此優化的結果作為造紙機干燥部能量系統優化控制的依據，同時將優化的結果作為控制信號反饋至關系數據庫的控制模型庫；所述在線測量裝置與干燥部DCS相互連接；工業組態軟件模塊分別與干燥部DCS、紙機QCS及關系數據庫相互連接；關系數據庫與控制模型庫相互連接。為了更好的實現本發明，所述系統還包括用于實時地顯示優化后干燥部能量系統各參數數據的用戶界面，所述用戶界面分別與控制模型庫和關系數據庫相互連接。所述用戶界面包括工藝流程圖和能流圖；蒸汽冷凝系統、氣罩通風系統和熱回收系統的控制畫面；總系統的控制畫面。所述工業組態軟件模塊包括通訊接口模塊、數據分析功能模塊、監測功能模塊、控
制功能模塊以及事件管理模塊。所述關系數據庫包括存儲有紙頁干燥過程變量的數據表；存儲有蒸汽冷凝系統參數的數據表；存儲有氣罩通風系統參數的數據表；存儲有熱回收系統參數的數據表；
存儲有控制模型庫模型系數的數據表；
存儲有干燥部能耗數據的數據表；
存儲有優化后參數的數據表；存儲有通過工業組態軟件模塊的界面人工輸入的相關費用的隨機參數數據表。
所述控制模型庫包括用于根據進入干燥部的紙頁特性，計算蒸汽冷凝系統、氣罩通風系統和熱回收系統所需新鮮蒸汽量的能耗目標模型；用于根據各組烘缸蒸汽冷凝系統的非線性模型，預測各組烘缸的蒸汽消耗量、烘缸壓差控制量以及二次蒸汽加入量的蒸汽冷凝系統模型；用于根據氣罩通風系統的非線性模型，結合排風溫濕度和氣罩內溫濕度的分布情況，計算所需通風量和通風溫度的氣罩通風系統模型；用于根據排風的熱力學關系，計算換熱器的換熱量、出換熱器冷物流的溫度、濕空氣最終排放溫度及排風量的熱回收系統模型；用于融合上述各模型的計算結果，以干燥過程能源消耗最小化為目標，優化計算并動態分配各組烘缸的進汽參數、氣罩通風系統的通風參數以及熱回收系統物流流量的能量系統融合模型。所述工業組態軟件模±央通過SCADA(Supervisory Control And DataAcquisition，這里指即數據采集與監視控制模塊)與干燥部DCS及紙機QCS (Quality Control System,這里指質量控制系統)信號連接，并通過其通訊接口模塊以0PC、 ODBC或 COM方式與關系數據庫信號連接；所述關系數據庫通過控制模型庫中的API (Application Programming Interface,這里指應用程序接口 )與控制模型庫信號連接。
所述工業組態軟件模塊以及SCADA是指GE公司的iFIX模塊。
所述在線測量裝置是指安裝在造紙機干燥部的現場傳感器。本發明的原理是這樣的首先對干燥部DCS作了適當補充，對一些沒有實時測量的變量，安裝了現場傳感器群，包括溫度、濕度、露點、壓力、風速及流量現場傳感器，并通過現場總線把測控信號集成到干燥部DCS中。上述所述變量包括各用汽點蒸汽的流量、壓力及溫度；氣罩通風空氣的流量、溫度和濕度；氣罩內空間方向的溫度、濕度分布；氣罩內的壓力、露點；進、出各換熱器的物流的流量、溫度和濕度；最終排風溫度、濕度及風速。本發明以造紙機干燥部DCS為平臺，通過SCADA與干燥部DCS及紙機QCS進行實時通訊，將所采集數據通過其通訊接口模塊傳送至關系數據庫相應的數據表中存儲；另外，關系數據庫中還存儲有相關費用等隨機參數組成的數據表；然后，控制模型庫通過API調用關系數據庫中數據，由內部子系統模型分別對其進行處理和優化運算，并預測未來某一時刻各子系統的控制作用，以此作為造紙機干燥部能量系統優化運行的依據，并將優化運算的結果作為控制信號反饋至關系數據庫；最后，工業組態軟件模塊采用0PC、 ODBC或COM方式與關系數據庫互連，調用存儲在關系數據庫中的控制信號，并發送至干燥過程DCS，由DCS根據模型控制庫所產生的存儲在關系數據庫中控制作用調節蒸汽冷凝系統、氣罩通風系統及熱回收系統的各關鍵變量，從而實現干燥部能量系統的優化控制。
控制模型庫子模型簡介 (1)能耗目標模型，包括蒸汽冷凝系統的能耗模型；氣罩通風系統的能耗模型；
6熱回收系統的能耗模型。能耗目標模型以干燥部能源消耗最小為目標，可通過以下方程進行說明式(1)中 qs是干燥部消耗的蒸汽總量，kg/h ; qs, i scs是蒸汽冷凝系統各組烘缸消耗的蒸汽量，kg/h， n = 1， 2， 3…； qs,i ,是氣罩通風系統各加熱器消耗的蒸汽量，kg/h， n = 1，2，3…； qs, i HKS是熱回收系統循環水加熱消耗的蒸汽量，kg/h， n = 1， 2， 3…； (2)蒸汽冷凝系統模型，包括質量和能量平衡模型；烘缸熱量傳遞模型；蒸發速
率模型；不同烘缸組蒸汽壓力之間的關系模型；烘缸壓差控制模型；紙幅熱量傳遞與濕度
分配模型。用于調節各烘缸組的進汽壓力及壓差、優化二次蒸汽的利用、改善干燥曲線，以
提高干燥部的干燥效率，降低能源消耗。蒸汽冷凝系統的部分模型如下質量平衡模型 4:(化)=《"cs _ & (2)
必 qs, scs進烘缸蒸汽流量，kg/s ; qc烘缸內蒸汽冷凝速率，kg/s ; Ps蒸汽密度，kg/m3; Vs烘缸內蒸汽的體積，m3 ; 4"(P義)H (3) qw排水速率，kg/s; Pw水的密度，kg/m3 ; Vw烘缸內水的體積，m3 ; 其中，烘缸的體積V = Vs+Vw 。能量平衡模型 ~rO,"A) = ^scsHs-《A (4) Hs蒸汽的焓值，kJ/kg;
、蒸汽內能，kj/kg; 羊(久"義)=《A — — 2 ( 5) 4水的焓值，kj/kg ; Qm蒸汽冷凝界面_烘缸壁的能量，kW ; 人水的內能，kj/kg; 4(mCp, ,rm) = o -& (6)
7
Qp烘缸壁-紙頁的能量，kW ; m烘缸外壁質量，kg; Cp,m烘缸外壁的比熱，kj/(kg °C ); Tm烘缸壁平均溫度，°C。烘缸熱量傳遞模型 Qm = ascA(Ts_Tm) (7) a sc蒸汽冷凝界面-烘缸壁的傳熱系數，W/ (m2 °C ); A烘缸內表面積，m、 L蒸汽溫度，°C。
、 m 360o a cp烘缸壁-紙頁的傳熱系數，W/ (m2 °C ); Tp紙頁溫度，°C ; P烘缸包角，° 。烘缸內的蒸汽近似認為飽和蒸汽。由于烘缸是一密閉容器，其內部溫度無法測量，但可以根據飽和蒸汽壓力與溫度的關系式，來間接測量烘缸內飽和蒸汽的溫度，其關系為 <formula>formula see original document page 8</formula> Ts是蒸汽的溫度，°C ; Ps是蒸汽的壓力(表壓)，kPa ; Patm是大氣壓力，為101. 325kPa ; A， B， C是與蒸汽相關的特性系數，A = 1668. 21 ;B = 7. 092 ;C = 228。因此，蒸汽冷凝系統某一烘缸組的蒸汽耗用量為
<formula>formula see original document page 8</formula> 其中，<formula>formula see original document page 8</formula> 根據烘缸的傳質和傳熱模型，可得其壓差控制模型壓差控制采用非線性代數微分方程表示如下， <formula>formula see original document page 8</formula>
水分蒸發速率模型附, Mevp=+ (13) MevD蒸發速率，kg水/ (m2 h)(14) mf紙機每小時生產能力，kg絕干纖維/h ; W每產1kg紙所蒸發水分量，kg水/kg絕干纖維； n烘缸總個數，個； A。每個烘缸的有效傳熱面積，m2 ; mf = wvl w-紙頁定量，kg絕干纖維/m2 v-車速，m/min; l-巾畐寬，m; 其中，Vn《V《Vnlax 1 = ldes
(100 —《)(100 —c/2) 『= [O川]

《 i/2
dr進干燥部紙頁干度，％ d廠出干燥部紙頁干度，％其中，33%《4《55% 90%《d2《97%
o 360°
D-烘缸直徑，m; P-烘缸包角，° ; 其中，220°《P《240° 因此，水分蒸發速率為
(15)
(16)
<formula>formula see original document page 9</formula> (3)氣罩通風系統模型，包括通風溫度、濕度和流量與干燥速率的關系模型；漏
氣與干燥速率的關系模型；氣罩露點與通風的關系模型。通過優化通風量與排風量的溫度
和露點之間的關系，調節通風溫度或減少通風量，節約蒸汽用量。
氣罩通風系統的部分模型如下氣罩通風系統質量平衡方程為 mexhxexp = minxin+mevp+mleakxleak (18) mexh = min+mleak (19) msup = a0*mexh (20) m^氣罩的排風量，kg干空氣/s ; xexh氣罩排風濕度，kg水/kg干空氣； niin氣罩的進氣量，kg干空氣/s ; ^氣罩進氣濕度，kg水/kg干空氣； mlMk漏氣量，kg干空氣/s ;
xlMk漏氣濕度，kg水/kg干空氣；
mCVn蒸發水分量，kg／S；
a。氣罩平衡，％。
蒸汽加熱器能量平衡
35]q，，i，HVsH，一q。，i，HVsH。一min(1+Xin)CD，in(Tin—T1)(21)
q，，．IW是某蒸汽加熱器消耗的蒸汽量，kg／S；
H，蒸汽的焓值，k丁／kg；
H．蒸汽冷凝水的焓值，k丁／kg；
T、新鮮空氣與排風換熱之后的溫度，℃；
因此，氣罩通風系統消耗的蒸汽量為LO136l虬／／PJ叢生也嘩蘭些‘22，
<formula>formula see original document page 10</formula>
氣罩通風系統能量平衡方程為
<formula>formula see original document page 10</formula>
<formula>formula see original document page 10</formula>(23)
<formula>formula see original document page 10</formula>
C小。h，C小．，Cp’1。。k分別是排風、進氣和漏氣的比熱，k丁／(kg．℃)；
TCXh排風溫度，℃；
T，．供氣溫度(指蒸汽加熱后空氣的溫度)，℃；
Tl。。k氣罩空氣溫度，℃；
Cn．a空氣的比熱，k丁／(kg．℃)；
X。空氣濕度，kg水／kg干空氣；
<formula>formula see original document page 10</formula> (25)
其中，25≤TdCW—T。。h≤30
TdCW氣罩排風露點溫度，℃。
(4)熱回收系統模型，包括熱回收系統的質量和能量平衡模型；排風溫度、濕度對傳熱的影響關系模型；換熱器非線性模型。運用非線性規劃法，結合遺傳算法合理調配各換熱單元的負荷，通過各換熱單元的冷、熱物流參數的調優，增加氣罩排風的余熱回收率，以減少熱量損失。熱回收系統調節的關鍵變量是換熱器的換熱面積和各物流的流速。
熱回收系統的部分模型如下
熱回收系統消耗的蒸汽量
<formula>formula see original document page 10</formula> (26)
排出氣罩的T。。h與T、的關系
<formula>formula see original document page 10</formula>
o、排風側的對流傳熱系數，w／m’／℃；
o，被加熱流體側的對流傳熱系數，w／m’／℃；
&排風側的傳熱面積，m2 ; A2被加熱流體側的傳熱面積，m2 ; T,換熱器排氣側的表面溫度，°C ; m。'冷凝水的質量流量，kg/m7s ; h汽化潛熱，J/kg; s換熱器表面厚度，m; A導熱系數，W/m/°C ; 其中，冷凝水的質量流量m。'為附,M，告Hn"。—K(。 (28)
及r a-pv MH2。水的摩爾質量，kg/mol ;
P。排風的壓力，Pa;
Py水蒸氣分壓，Pa;
R摩爾氣體常數，J/mol/°C ;
k傳質系數， m/s。 (5)能量系統融合模型，用于融合前饋控制信息和反饋控制信息，并根據蒸汽冷凝系統、氣罩通風系統和熱回收系統的優化結果，從整體上考慮如何優化調節子系統的變量才能使系統能耗最小，從而使造紙機干燥部能量系統達到最優。所述各子系統主變量的優化結果為此模型的輸入，存儲在關系數據庫中的該系統的最終控制作用即為此模型的輸出。
本發明的造紙機干燥部能量系統優化控制系統是這樣工作的 1)在造紙機干燥部安裝新增現場傳感器群，包括溫度、濕度、露點、壓力、風速及流量傳感器，并集成到干燥部DCS中去，作為本發明的基層平臺。 2)通過SCADA與DCS、QCS通信，采集DCS、QCS中影響干燥部能量系統的關鍵變量，然后將所采集數據送至工業組態軟件模塊中的數據分析功能模塊進行預處理，再傳送到關系數據庫相應的數據表中存儲，采樣周期為1 io秒鐘。 3)通過工業組態軟件模塊的界面人工輸入相關費用等隨機參數，并借助于其通訊接口將以上數據存儲到關系數據庫相應的數據表中。 4)控制模型庫通過API調用存儲在關系數據庫數據表中的相關數據，并對其進行處理和優化運算，由控制模型庫中的各個控制模型預測未來某一時刻的控制作用，并將此控制信號反饋至關系數據庫。 5)工業組態軟件模塊以OPC、 ODBC或COM方式與關系數據庫通信，用于調用存儲
在關系數據庫中的控制信號，并通過SCADA將其發送至造紙機干燥部DCS。 6)造紙機干燥部DCS根據關系數據庫中存儲的由控制模型庫產生的控制信號調
節蒸汽冷凝系統、氣罩通風系統及熱回收系統的各相關變量，實現干燥部能量系統的優化控制。 7)用WinCC開發該系統的用戶界面，并把優化后各關鍵變量的數據，如溫度、濕
度、露點、壓力、風速、流量及能耗情況，動態地連接到用戶界面相應的畫面中。上述第3)步的隨機參數根據實際情況的變化輸入，第4)、5)、6)步每1 30秒鐘執行一次，往復循環以實現對干燥過程能量系統的控制。
本發明相對于現有技術的主要優點和效果是 1)本發明是基于模型預測的優化控制系統，根據控制模型預測未來時刻的偏差從而確定控制作用，可以獲得比PID控制(根據過去和當前偏差確定控制作用)更好的控制效果； 2)本發明是一種有限時域的滾動優化控制系統，以造紙機干燥部能量消耗最小化為目標，來確定未來某一時刻干燥部的控制作用，在任意采樣時刻，干燥部能耗只涉及從該時刻起未來有限的時域，計算出今后一段時間間隔內應該施加的控制量；到執行時，只把即時控制量施加于對象，到下一采樣時刻，又重新計算。 3)本發明具有自動反饋校正的優點，為避免在模型失配或環境干擾等因素引起干燥部發生異常情況(如紙機斷紙、紙種轉換或意外停機等)，內部模型在每一步都檢測對象的實際輸出，并利用這一實時信息對模型的預測進行修正，提高了模型的適應能力。
4)本發明適應于具有耦合性強、大滯后和非線性等動態特性的造紙機干燥部能量系統優化控制，可以根據紙機的實際運行狀況、紙頁的性質和氣罩內的溫、濕度分布等參數自動調節各系統的蒸汽加入量(包括加入烘缸的蒸汽量和加熱空氣的蒸汽量)和氣罩通風量，實驗表明可以使干燥部的能耗降低5 10%。 5)本發明不需要改變原系統的工作環境就可以集成到其操作員站或工程師站，方便快捷。本發明的安裝與調試無需使紙機停機便可進行，不會影響企業的正常生產。
6)本發明把干燥部能量系統的歷史數據集成到關系數據庫中，作為不同時期或生產不同紙種時的參考依據，有利于分析干燥部的能耗變化情況，便于管理層及時做出決策。
7)本發明具有很好的可行性。在紙頁的干燥過程中，蒸汽冷凝系統、氣罩通風系統及熱回收系統的性能是表征干燥部能量系統的重要參數，適當的蒸汽壓力和通風量是保證干燥效率的重要因素；同時氣罩露點、通風溫度和排風濕度也是影響干燥部的重要因素。通過對這些變量的有效控制，可以優化造紙機干燥部能量系統，實時地給出當前干燥部能量系統控制的最佳值，實現在線優化控制，達到了提高干燥效率和節能的目標。

圖1是本發明的原理框圖；
圖2是本發明的實物連接示意圖。
具體實施例方式
下面結合實施例及附圖對本發明作進一步詳細的描述，但本發明的實施方式不限于此。實施例本發明的原理框圖如圖1所示，包括造紙機干燥部DCS、紙機QCS、 SCADA、工業組態軟件模塊、關系數據庫、控制模型庫及用戶界面。新增的現場傳感器群與干燥部DCS相連接；工業組態軟件模塊分別與干燥部DCS、紙機QCS及關系數據庫相互連接；關系數據庫與控制模型庫相互連接；用戶界面分別與控制模型庫和關系數據庫相互連接。
造紙機干燥部DCS中集成了原有的現場傳感器群和新增的現場傳感器群。所述新增傳感器群包括溫度、濕度、露點、壓力、風速及流量現場傳感器。用以測量各用汽點蒸汽的流量、壓力；氣罩通風空氣的流量、溫度和濕度；氣罩內空間方向的溫度、濕度分布；氣罩內的壓力、露點；進入氣氣換熱器物流的流量、溫度和濕度；進入氣液換熱器物流的流量、溫度和濕度；最終排風溫度、濕度及風速。所述工業組態軟件模塊包括通訊接口模塊、數據分析功能模塊、監測功能模塊、
控制功能模塊以及事件管理模塊等模塊，這里采用的是GE公司的iFIX組態軟件。
所述關系數據庫包括存儲有紙頁干燥過程變量的數據表；存儲有蒸汽冷凝系統
參數的數據表；存儲有氣罩通風系統參數的數據表；存儲有熱回收系統參數的數據表；存
儲有控制模型庫中各模型的系數和參數的數據表；存儲有干燥部能耗數據的數據表；存儲
有優化后參數的數據表；存儲有通過工業組態軟件模塊的界面人工輸入相關費用的隨機參
數數據表。所述控制模型庫包括用于根據進入干燥部的紙頁特性，計算蒸汽冷凝系統、氣罩通風系統和熱回收系統所需新鮮蒸汽的量的能耗目標模型；用于根據各組烘缸蒸汽冷凝系統的非線性模型，預測各組烘缸的蒸汽消耗量、烘缸壓差控制量以及二次蒸汽加入量的蒸汽冷凝系統模型；用于根據氣罩通風系統的非線性模型，結合排風溫濕度和氣罩內溫濕度的分布情況，計算所需通風量和通風溫度的氣罩通風系統模型；用于根據排風的熱力學關系，計算換熱器的換熱量、出換熱器冷物流的溫度、濕空氣最終排放溫度及排風量的熱回收系統模型；用于融合上述各模型的計算結果，以干燥過程能源消耗最小化為目標，優化計算并動態分配各組烘缸的進汽參數、氣罩通風系統的通風參數以及熱回收系統冷物流的流量的能量系統融合模型。所述用戶界面包括工藝流程圖和能流圖；蒸汽冷凝系統、氣罩通風系統和熱回收系統的控制畫面；總系統的控制畫面。用于實時地顯示優化后干燥部能量系統各參數數據的情況。本實施例的實物連接示意圖如圖2所示，新增現場傳感器群被集成到干燥部DCS 中。本系統的功能集成在一臺主機中實現，通過系統總線與干燥部DCS實現通信。
本實施例的具體實施方式

如下所述第一步，在造紙機干燥部安裝新增現場傳感器群，以實現在線測量各用汽點蒸汽的流量、壓力；氣罩通風空氣的流量、溫度和濕度；氣罩內空間方向的溫度、濕度分布；氣罩內的壓力、露點；進入氣氣換熱器物流的流量、溫度和濕度；進入氣液換熱器物流的流量、溫度和濕度；最終排風溫度、濕度及風速。并將其集成到紙機干燥部DCS中，作為本發明的
基層平臺o 第二步，通過SCADA與紙機干燥部DCS和紙機QCS信號的連接，采集DCS中主蒸汽管道的蒸汽流量、壓力及溫度，各烘缸或烘缸組的蒸汽流量、壓力及溫度，各組烘缸的壓力差，蒸汽加熱器的流量、壓力及溫度，閃蒸罐二次蒸汽的流量、壓力及溫度等影響干燥部蒸發效率的關鍵變量以及氣罩內溫度、濕度的空間分布，氣罩通風空氣的流量、溫度和濕度，離開氣罩時排風的風速、溫度和濕度，進入各換熱器前的濕空氣流量、溫度，進、出各換熱器的空氣和水的溫度、流量，最終排放的溫度、風速等變量；采集紙機QCS中有關紙頁質量的指標，如紙頁的定量、水分等參數。并將所采集到的數據傳送到工業組態軟件模塊，工業組態軟件模塊再將其傳送到關系數據庫相應的數據表中存儲，這里采樣周期設定為5秒鐘。
第三步，通過工業組態軟件模塊的操作界面，人工輸入相關費用等隨機參數，借助于其通訊接口將以上數據存儲到關系數據庫相應的數據表中。相關費用數據包括各種能源的費用、設備投資費用、運行費用及操作費用等人工輸入參數。第四步，控制模型庫通過API調用存儲在關系數據庫中的數據表，由其內部的各子系統模型，包括能耗目標模型、蒸汽冷凝系統模型、氣罩通風系統模型、熱回收系統模型和能量系統融合模型，對數據進行處理和優化運算，并預測未來某一時刻各子系統的控制作用，以此控制作用作為造紙機干燥部能量系統優化控制的依據，并將優化運算的結果作為控制信號反饋至關系數據庫。第五步，工業組態軟件模塊采用COM方式與關系數據庫通信，并調用存儲在關系數據庫中的控制信號，通過SCADA將其發送至干燥過程DCS。第六步，干燥過程DCS根據關系數據庫中存儲的由控制模型庫產生的控制信號調節蒸汽冷凝系統、氣罩通風系統及熱回收系統的各關鍵變量，實現干燥部能量系統的優化運行。第七步，用WinCC開發該系統的用戶界面，并把優化后各關鍵變量的數據，如溫度、濕度、露點、壓力、風速、流量及能耗情況，動態地連接到用戶界面相應的畫面中，以便操作員能及時掌握干燥部的實時操作數據。上述第三步輸入的隨機參數根據實際情況的變化來輸入，第四、五、六步每10秒鐘執行一次，往復循環以實現對干燥過程能量系統的控制。通過實際項目可驗證，應用本發明可以使造紙機干燥部的能耗降低約6%。上述實施例為本發明的較佳實施方式，但本發明并不僅限于上述實施例。本發明還可用于半封閉或敞開式多組烘缸紙機和楊克烘缸紙機，任何未違背本發明的原理而做的改變、修飾、替代、簡化或組合，均為其等效置換方式，應包含在本發明范圍之內。
權利要求
一種造紙機干燥部能量系統優化控制系統，其特征是，包括安裝在造紙機干燥部的在線測量裝置，用于在線測量干燥部內的溫度、濕度、露點、壓力、風速及流量；工業組態軟件模塊；用于存儲在線測量的數據、干燥過程各種參數的數據表、人工輸入的隨機參數和優化后各種參數數據的關系數據庫；用于調用存儲在關系數據庫中的相關數據，對其進行處理和優化運算，并預測未來時刻的控制作用，以此優化的結果作為造紙機干燥部能量系統優化控制的依據，同時將優化的結果作為控制信號反饋至關系數據庫的控制模型庫；所述在線測量裝置與干燥部DCS相連接；工業組態軟件模塊分別與干燥部DCS、紙機QCS及關系數據庫相互連接；關系數據庫與控制模型庫相互連接。
2. 根據權利要求1所述的造紙機干燥部能量系統優化控制系統，其特征是，所述系統還包括用于實時地顯示優化后干燥部各參數數據的用戶界面；所述用戶界面分別與控制模型庫和關系數據庫相互連接。
3. 根據權利要求1或2所述的造紙機干燥部能量系統優化控制系統，其特征是，所述工業組態軟件模塊包括通訊接口模塊、數據分析功能模塊、監測功能模塊、控制功能模塊以及事件管理模塊。
4. 根據權利要求1或2所述的造紙機干燥部能量系統優化控制系統，其特征是，所述關系數據庫包括存儲有紙頁干燥過程變量的數據表；存儲有蒸汽冷凝系統參數的數據表；存儲有氣罩通風系統參數的數據表；存儲有熱回收系統參數的數據表；存儲有控制模型庫模型系數的數據表；存儲有干燥部能耗數據的數據表；存儲有優化后參數的數據表；存儲有通過工業組態軟件模塊的界面人工輸入的相關費用的隨機參數數據表。
5. 根據權利要求1或2所述的造紙機干燥部能量系統優化控制系統，其特征是，所述控制模型庫包括用于根據進入干燥部的紙頁特性，計算蒸汽冷凝系統、氣罩通風系統和熱回收系統所需新鮮蒸汽的量的能耗目標模型；用于根據各組烘缸蒸汽冷凝系統的非線性模型，預測各組烘缸的蒸汽消耗量、烘缸壓差控制量以及二次蒸汽加入量的蒸汽冷凝系統模型；用于根據氣罩通風系統的非線性模型，結合排風溫濕度和氣罩內溫濕度的分布情況，計算所需通風量和通風溫度的氣罩通風系統模型；用于根據排風的熱力學關系，計算換熱器的換熱量、出換熱器冷物流的溫度、濕空氣最終排放溫度及排風量的熱回收系統模型；用于融合上述各模型的計算結果，以干燥過程能源消耗最小化為目標，優化計算并動態分配各組烘缸的進汽參數、氣罩通風系統的通風參數以及熱回收系統物流的流量的能量系統融合模型。
6. 根據權利要求1或2所述的造紙機干燥部能量系統優化控制系統，其特征是，所述工業組態軟件模塊通過SCADA與干燥部DCS及紙機QCS信號連接，通過其通訊接口模塊以 0PC、0DBC或C0M方式與關系數據庫信號連接；所述關系數據庫通過控制模型庫中的API與控制模型庫信號連接。
7. 根據權利要求3所述的造紙機干燥部能量系統優化控制系統，其特征是，所述工業組態軟件模塊及SCADA是指GE公司的iFIX模塊。
8. 根據權利要求1或2所述的造紙機干燥部能量系統優化控制系統，其特征是，所述在線測量裝置是指安裝在造紙機干燥部的現場傳感器群。
全文摘要
本發明公開了一種造紙機干燥部能量系統優化控制系統，包括新增傳感器群、工業組態軟件模塊、關系數據庫、控制模型庫，其中新增傳感器群與干燥部DCS信號連接，工業組態軟件模塊通過SCADA與干燥部DCS和紙機QCS信號連接，關系數據庫與工業組態軟件模塊信號連接，控制模型庫與關系數據庫信號連接。本發明能依照紙頁干燥過程的特點，實時、動態、準確的控制當前造紙機干燥部能量系統的各關鍵變量，最大限度的降低對操作員經驗的依賴、提高紙頁干燥效率、節約干燥部能耗，以實現造紙機干燥部能量系統的優化運行。
文檔編號D21F5/00GK101792981SQ20101013249
公開日2010年8月4日申請日期2010年3月23日優先權日2010年3月23日
發明者劉煥彬, 孔令波, 張占波, 李繼庚, 陶勁松申請人:華南理工大學

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