造紙行業(yè)自動(dòng)化解決方案
一、前言
紙和紙板是人類文化與信息的重要載體，它的消費(fèi)水平是衡量一個(gè)國(guó)家現(xiàn)代化水平和文明建設(shè)的重要標(biāo)志。因此造紙工業(yè)的發(fā)展水平也直接反映一個(gè)國(guó)家的國(guó)民經(jīng)濟(jì)和文明建設(shè)的水平。
在造紙行業(yè)，中控有著完善的解決方案，豐富的工程實(shí)施經(jīng)驗(yàn)。目前中控的控制系統(tǒng)已廣泛的應(yīng)用于造紙行業(yè)各個(gè)工段，從備料、制漿、造紙、堿回收、污水處理到鍋爐發(fā)電、化學(xué)品制備等。2004年浙大中控緬甸200噸/日竹漿造紙項(xiàng)目的成功實(shí)施，打破了國(guó)外公司對(duì)制漿造紙全線過程控制的壟斷局面。
二、控制策略
造紙控制系統(tǒng)主要包括制漿過程、堿回收過程和造紙過程的控制。各個(gè)工段主要的控制策略如下：
1、制漿
制漿就是利用化學(xué)或機(jī)械的方法，或兩者結(jié)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(chǎn)過程。制漿按制漿方法可分為：化學(xué)制漿、化學(xué)機(jī)械制漿、廢紙制漿。本文僅針對(duì)化學(xué)制漿工藝的控制策略進(jìn)行闡述。
化學(xué)制漿過程所屬的蒸煮、洗滌、篩選、漂白工藝復(fù)雜，設(shè)備繁多，屬于典型的輕化工流程工業(yè)。其過程控制特點(diǎn)是模擬量的控制及累積計(jì)量較多，控制對(duì)象具有強(qiáng)滯后特性，比如大容量蒸煮鍋的溫度、漂白PH值和漂后白度等。中控運(yùn)用DCS強(qiáng)大的模擬量處理功能和先進(jìn)的控制算法，成功的實(shí)現(xiàn)了制漿過程的難點(diǎn)控制，滿足了制漿過程的控制要求。
（1）蒸煮
蒸煮過程主要是脫木素的過程。蒸煮是制漿過程中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，蒸煮粗漿的質(zhì)量直接影響后續(xù)洗滌、篩選、漂白工序以及成紙的質(zhì)量和工廠的效益。它分為間歇蒸煮和連續(xù)蒸煮兩大類。
在蒸煮過程中，壓力控制的好壞直接影響溫度的控制效果。中控對(duì)壓力的控制采用了非線性調(diào)節(jié)規(guī)律—變?cè)鲆?FONT color=#444444>PID自動(dòng)控制的控制策略，在升、降壓過程中，改變調(diào)節(jié)器的增益，使整個(gè)回路的增益依然保持不變，可以保證壓力回路控制的穩(wěn)定性。
DDS蒸煮過程屬于典型的間歇批量生產(chǎn)過程。中控開發(fā)了批量配方管理專用軟件包，并在聚氯乙烯、涂料、乳膠膠水等化工批量生產(chǎn)過程中已得到了成功的應(yīng)用，可滿足DDS蒸煮工程對(duì)批量控制的要求。
- 連續(xù)蒸煮
連續(xù)蒸煮按照“逆序（工藝流程）啟動(dòng)，順序停機(jī)”的總體原則對(duì)工藝流程的各設(shè)備進(jìn)行開/停機(jī)控制與嚴(yán)格的連鎖保護(hù)。連續(xù)蒸煮管控制關(guān)鍵在于：
濕法配料控制：為了保證原料通過量及原料在計(jì)量汽蒸器停留的時(shí)間，計(jì)量汽蒸器的螺旋軸轉(zhuǎn)速由變頗器調(diào)速，使得速度控制準(zhǔn)確平滑。
蒸煮藥液系統(tǒng)控制：蒸煮液流量采用比值控制，跟隨雙螺旋計(jì)量器速度變化。蒸煮液槽液位達(dá)到上限報(bào)警自動(dòng)停堿液泵。
蒸煮管壓力控制：由進(jìn)汽調(diào)節(jié)閥控制實(shí)現(xiàn)。蒸煮管壓力必須設(shè)定聯(lián)鎖，壓力高限報(bào)警時(shí)關(guān)閉進(jìn)汽調(diào)節(jié)閥。
蒸煮管液位值控制：由兩個(gè)出料冷噴放閥調(diào)節(jié)控制。任一噴放閥皆可實(shí)現(xiàn)卸料器內(nèi)液位自動(dòng)控制。當(dāng)液位持續(xù)不降時(shí)，備用調(diào)節(jié)閥排放漿料。
（2）洗選
蒸煮后漿料必須經(jīng)過洗滌、篩選和凈化等一系列物理化學(xué)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(zhì)。典型洗滌設(shè)備多段真空洗漿機(jī)采用逆流洗滌，主要通過調(diào)節(jié)與控制上漿濃度、進(jìn)出漿和稀釋水流量、排渣量等，使洗滌系統(tǒng)在滿足工藝約束條件下運(yùn)行在最優(yōu)狀態(tài)。篩選凈化過程則需要對(duì)以下參數(shù)：進(jìn)漿濃度、進(jìn)漿流量、內(nèi)部稀釋水量、排渣量、進(jìn)漿、良漿壓差進(jìn)行控制。
（3）漂白
為了適應(yīng)成紙的白度要求，本色漿（黑漿）必須通過加入化學(xué)藥品進(jìn)行漂白。漂白過程是一個(gè)連續(xù)的化學(xué)反應(yīng)過程，主要通過控制反應(yīng)時(shí)間、反應(yīng)溫度、反應(yīng)濃度，來獲得提高漂白質(zhì)量白度與減少對(duì)纖維的降解之間的平衡。
2、堿回收
堿回收包括黑液提取、蒸發(fā)、燃燒、苛化、石灰回收等過程。
（1）蒸發(fā)
蒸發(fā)是把化學(xué)制漿過程中分離出來的黑色低濃廢液（固形物含量10％左右）通過蒸發(fā)的方法濃縮成符合燃燒要求的濃黑液（固形物含量為50％左右）。
為保證后續(xù)燃燒過程的穩(wěn)定生產(chǎn)，延長(zhǎng)設(shè)備的清洗周期，以黑液濃度和流量為中心對(duì)黑液多效蒸發(fā)過程實(shí)行有效的自動(dòng)控制：由于蒸發(fā)過程工藝特點(diǎn)復(fù)雜并具有非線性、強(qiáng)耦合、大滯后的雙輸入雙輸出對(duì)象特性，因此采用前饋＋反饋預(yù)測(cè)控制算法，降低對(duì)模型依賴性并實(shí)現(xiàn)對(duì)蒸發(fā)過程的在線滾動(dòng)優(yōu)化控制；黑液蒸發(fā)過程會(huì)逐漸使設(shè)備、管道結(jié)垢因此當(dāng)熱效率降低到一定程度后必須進(jìn)行水洗或酸洗除垢才能重新工作。系統(tǒng)從蒸發(fā)靜態(tài)模型出發(fā)，采用軟測(cè)量技術(shù)間接預(yù)測(cè)蒸發(fā)器的傳熱系數(shù)預(yù)報(bào)清洗時(shí)間。
（2）燃燒
蒸發(fā)過程濃縮后的黑液送到燃燒過程的直接接觸蒸發(fā)器中，利用煙氣和余熱進(jìn)一步把濃黑液濃縮供燃燒。
中控在實(shí)現(xiàn)了對(duì)黑液系統(tǒng)、燃燒系統(tǒng)、鍋爐引風(fēng)系統(tǒng)、給水和蒸汽系統(tǒng)、綠液余流等子系統(tǒng)自動(dòng)控制的同時(shí)，并根據(jù)燃燒過程工藝特點(diǎn)，采取了以下優(yōu)化控制策略：
- 在特殊燃燒過程數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上，開發(fā)了還原區(qū)溫度自尋優(yōu)控制策略，以自動(dòng)尋找還原區(qū)優(yōu)化溫度為目標(biāo)，控制燃燒爐底部進(jìn)風(fēng)量以獲得最優(yōu)回收率；
- “黑爐”監(jiān)控：“黑爐”是堿回收爐生產(chǎn)操作過程中一個(gè)特殊又具有很大危險(xiǎn)性的故障，由于黑液燃燒的復(fù)雜性加之回收過程中形成的墊層，使黑液燃燒的正常與否與黑液的性質(zhì)及其狀態(tài)存在很大的關(guān)系，這些影響因素往往難以檢測(cè)與控制，系統(tǒng)根據(jù)已知工藝參數(shù)，設(shè)計(jì)了一套“黑爐”檢測(cè)、預(yù)報(bào)及消除控制方案，以保證堿回收爐正常運(yùn)行。
（3）苛化和石灰回收
苛化過程是把綠液中的硫酸鈉與石灰作用生成蒸煮所需的苛化納，石灰回收過程的作用是把苛化過程中分離的白泥（碳酸鈣）在高溫下焙燒成石灰（氧化鈣）供苛化過程回用，石灰回收過程的主要目的是在保證焙燒問題的條件下提高熱效率、以最少的燃料消耗獲得高質(zhì)量的石灰，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)苛化和石灰回收自動(dòng)控制。碳酸鈣在轉(zhuǎn)窯中進(jìn)行煅燒，分解碳酸鈣為氧化鈣?？刂茖?duì)象主要為反應(yīng)物加入量（綠液濃度和流量同石灰的比例加入量）、反應(yīng)時(shí)間、反應(yīng)溫度；而轉(zhuǎn)窯控制主要為白泥進(jìn)料量和水分控制、燃油和空氣調(diào)節(jié)、引風(fēng)控制。
3、造紙過程
造紙由紙料制備和紙的抄造兩大部分組成。紙料制備過程的幾個(gè)工序包括漿板疏解、漿料的打漿、配漿、助劑填料添加過程等。紙的抄造包括上網(wǎng)前的處理（包括紙料的調(diào)量和稀釋，凈化和和篩選、除氣、消除脈沖壓力等過程。
（1） 打漿
打漿是紙漿通過機(jī)械作用以改變其物理特性的加工過程，需要控制的主要指標(biāo)是打漿度。影響打漿度的因素很多，主要是打漿設(shè)備的形式以及定子與轉(zhuǎn)子的刀間間距，紙漿的濃度和通過量等。從自動(dòng)調(diào)節(jié)的角度出發(fā)，首先把紙漿的濃度和通過量固定下來，調(diào)節(jié)對(duì)打漿度影響最大的打漿設(shè)備的刀間距離，以穩(wěn)定打漿度。
（2）配漿
配漿過程控制指不同的紙漿、填料、膠料、染料等添加物料，以一定的百分?jǐn)?shù)配比形成混合漿，以適應(yīng)抄造不同要求的紙種。配漿方式主要有連續(xù)和間歇兩種。
- 連續(xù)
流量控制系統(tǒng)：漿料和添加物料的濃度在送到配比系統(tǒng)前已經(jīng)調(diào)節(jié)穩(wěn)定，設(shè)置流量控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)進(jìn)漿流量；
比值控制系統(tǒng)：把配料系統(tǒng)分為漿料配比和添加物料配比二段，在這兩段過程中分別設(shè)置比值控制系統(tǒng)進(jìn)行配比控制；
液位調(diào)節(jié)系統(tǒng)：通過調(diào)節(jié)混合漿池來漿總流量以控制紙機(jī)漿池液位。
- 間歇
幾種漿料和添加物料在混合漿池中混合，由于漿池加入體積較大，使用混合池的液位法以計(jì)量加入量，采用順序控制的方法控制各種配料用量，根據(jù)加入順序發(fā)出信號(hào)開關(guān)各種物料調(diào)節(jié)閥。
（3）流送
把抄前漿池中的成漿經(jīng)高位箱、上漿泵（或沖漿泵）、多段除砂、壓力篩、流漿箱等均勻地噴向網(wǎng)部。成紙的均勻度取決于纖維在流漿箱中分散程度和流漿箱唇口噴漿均勻度。流漿箱是造紙機(jī)成型部的關(guān)鍵設(shè)備，它的控制質(zhì)量直接影響到成紙的勻度、強(qiáng)度等質(zhì)量指標(biāo)。
氣墊流漿箱的控制系統(tǒng)為雙輸入雙輸出系統(tǒng)，控制變量是總壓和液位，由于這兩個(gè)變量之間存在嚴(yán)重的關(guān)聯(lián)（耦合），中控通過解耦算法可消除二個(gè)變量之間的關(guān)聯(lián)，使系統(tǒng)在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到平衡。
流漿箱液位通過控制進(jìn)漿流量來達(dá)到液位的穩(wěn)定，總壓通過變頻器調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，控制進(jìn)氣量大小，來達(dá)到總壓的穩(wěn)定。流漿箱的漿網(wǎng)速比能自動(dòng)適應(yīng)紙機(jī)的不同網(wǎng)速并可根據(jù)紙機(jī)網(wǎng)速自動(dòng)設(shè)定漿位，從而改善了紙的勻度，方便了操作。
三、典型業(yè)績(jī)
下面是中控在造紙行業(yè)的典型項(xiàng)目清單：
典型用戶 | 項(xiàng)目名稱 |
緬甸第一工業(yè)部紙化局 | 200噸/日竹漿制漿車間蒸煮工段 |
緬甸第一工業(yè)部紙化局 | 200噸/日竹漿制漿車間洗選工段 |
緬甸第一工業(yè)部紙化局 | 200噸/日竹漿制漿車間氧脫工段 |
緬甸第一工業(yè)部紙化局 | 200噸/日竹漿制漿車間漂白工段 |
泰格林紙集團(tuán)(永州)秀山紙業(yè)有限責(zé)任公司 | 15萬噸/年精牛制漿洗選漂白工段DCS |
泰格林紙集團(tuán)沅江紙業(yè)股份有限公司 | ANDRITZ ECF漂白段控制系統(tǒng) |
泰格林紙集團(tuán)沅江紙業(yè)股份有限公司 | ANDRITZ封閉篩選段控制系統(tǒng) |
泰格林紙集團(tuán)沅江紙業(yè)股份有限公司 | ANDRITZ氧脫段控制系統(tǒng) |
赤壁晨鳴紙業(yè)股份有限公司 | 蒸煮連蒸DCS改造項(xiàng)目 |
寧夏紫荊花紙業(yè)有限公司 | 洗選漂項(xiàng)目 |
寧夏紫金花紙業(yè)有限公司 | 5#生活用紙制漿蒸煮DCS |
四川長(zhǎng)意漿粨有限公司 | 預(yù)浸化學(xué)工段DCS |
四川長(zhǎng)意漿粨有限公司 | 蒸球工段DCS |
四川長(zhǎng)意漿粨有限公司 | 漂洗工段DCS |
宜賓天原紙業(yè)股份有限公司 | 四抄車間間歇蒸煮控制系統(tǒng) |
宜賓天原紙業(yè)股份有限公司 | 化學(xué)漿車間間歇蒸煮DCS系統(tǒng) |
宜賓天原紙業(yè)股份有限公司 | 洗漿、篩選、漂白DCS系統(tǒng) |
山東雅美纖維有限公司 | 5萬噸/年棉漿粕DCS |
山東臨清紙業(yè)集團(tuán)銀星紙制品有限公司 | 橫管連蒸控制系統(tǒng) |
衢州八達(dá)紙業(yè)有限公司 | 制漿車間DCS |
南京經(jīng)偉紙業(yè)有限公司 | 5萬噸/年APMP生產(chǎn)線DCS |
浙江富陽(yáng)永泰紙業(yè)有限公司 | 120噸/日脫墨漿生產(chǎn)線DCS |
緬甸第一工業(yè)部紙化局 | 200噸/日竹漿堿回收蒸發(fā)工段 |
緬甸第一工業(yè)部紙化局 | 200噸/日竹漿堿回收燃燒工段 |
緬甸第一工業(yè)部紙化局 | 200噸/日竹漿堿回收苛化工段 |
緬甸第一工業(yè)部紙化局 | 200噸/日竹漿堿回收石灰工段 |
新疆博湖葦業(yè)公司 | 堿回收蒸發(fā)站DCS |
新疆博湖葦業(yè)公司 | 330tds/D堿回收項(xiàng)目燃燒工段 |
湖南雪麗紙業(yè) | 150噸/日堿回收 |
牡丹江恒豐紙業(yè)股份有限公司 | 抄紙一分廠1號(hào)配漿DCS |
宜賓天原紙業(yè)股份有限公司 | 四抄車間7#機(jī)配漿DCS |
武漢晨鳴漢陽(yáng)紙業(yè)股份有限公司 | 自動(dòng)配漿DCS |
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