高強瓦楞紙機干燥部能耗協同控制系統的設計及優化研究

湯 偉 孫振宇 池東明 馮曉會

(1.陜西科技大學電氣與信息工程學院，陜西西安,710021；2.陜西科技大學輕工科學與工程學院，陜西西安,710021；3.陜西科技大學工業自動化研究所，陜西西安,710021)

高強瓦楞紙機干燥部能耗協同控制系統的設計及優化研究

湯 偉1，3孫振宇2，3池東明2，3馮曉會1，3

(1.陜西科技大學電氣與信息工程學院，陜西西安,710021；2.陜西科技大學輕工科學與工程學院，陜西西安,710021；3.陜西科技大學工業自動化研究所，陜西西安,710021)

為了進一步地降低紙機干燥部能耗、提高能源的利用效率，本課題提出了能耗協同控制的概念，即同時考慮烘缸內部蒸汽冷凝水熱力系統的能量消耗與氣罩通風熱力系統的能量消耗，實現二次熱能的循環綜合利用。針對高強瓦楞紙機干燥部設計了一套基于西門子S7-300 PLC的能耗協同DCS控制系統，實現了干燥部上述系統的整合，不但能夠降低紙機干燥部的能耗，也為干燥部全局優化方案的實現打下了基礎。本控制系統已在多條高強瓦楞紙機生產線上得到了應用，收到了較好的節能效果。為了實現干燥部的全局優化，本課題搭建了基于數據驅動的控制策略優化控制框架，將工業現場的大量運行數據用于模型的修正并建立控制策略優化數據庫，可以快速尋找與當前工藝條件最為匹配的優化控制策略，實現節能降耗。

蒸汽冷凝水熱力系統；密閉氣罩熱力系統；能耗協同控制；DCS控制系統；數據驅動

造紙工業中，能耗成本在生產總成本中所占比例越來越高[1]。干燥部主要發揮蒸發脫除濕紙幅中殘留水分、提高紙張強度的作用，其能耗占整個造紙生產過程的60%，所消耗的蒸汽量占制漿造紙生產過程汽耗總量的65%，所以干燥部的節能降耗成為了降低造紙能耗和生產成本的重要環節[2-3]。而干燥部的能耗主要來源于兩部分，一個是烘缸內部即蒸汽冷凝水系統的能耗，另一部分是烘缸外部即氣罩通風系統的能耗，所以對于烘缸內外部的節能研究都顯得尤為重要，其控制系統更是在其中起著舉足輕重的作用。

目前，大多蒸汽冷凝水熱力系統采用傳統多段供汽系統或熱泵供氣系統，其中多段供汽系統存在烘缸積水及由其導致的烘缸傳熱效率低、能耗增加等問題，在供汽系統中加入熱泵雖然在一定程度上解決了這些問題，但是當工況發生較大變化時，由于熱泵自身的調節范圍較窄，作用有限；在氣罩通風系統中，隨著紙機車速的提高，氣罩形式逐漸從敞開式氣罩發展為半密閉氣罩再到密閉式氣罩[4-5]。立足于降低紙機干燥部整體的能耗，不但要提高蒸汽冷凝水系統(烘缸內部)的干燥效率，而且還要考慮氣罩通風系統(烘缸外部)內的濕熱蒸汽的排放和熱能的回收利用問題。然而，蒸汽冷凝水系統供應商和密閉氣罩設備供應商各自只考慮自己的供汽方案，不考慮二者之間的能量綜合利用問題，導致了蒸汽能量的大量浪費。為了解決這個問題，筆者提出了能耗協同控制的概念，即將烘缸內部蒸汽冷凝水熱力系統的能量消耗與密閉氣罩通風熱力系統的能量消耗一起考慮，實現二次熱能的循環綜合利用。本課題針對高強瓦楞紙機干燥部，設計了一套DCS控制系統，以達到節能降耗的目的。系統中，為了解決傳統多段供汽與熱泵供汽系統存在的缺陷，采用了一種多段供汽與閉式熱泵供汽系統相結合的供汽方案，加強熱泵的作用、有效地避免烘缸積水現象[6-7]；紙機車速較高時，由于密閉氣罩具有熱回收效率高、進排風量較小、操作時溫濕度較高等優勢，故在干燥部中采用全封閉的密閉氣罩；為了提高干燥部整體的能源利用效率，實現熱能的循環利用、降低損耗，設計了干燥部能耗協同控制系統。

1 紙機干燥部能耗協同系統

經過多年的發展，紙機干燥部兩大系統(即蒸汽冷凝水系統和氣罩通風系統)單體能耗逐漸趨于穩定，很大程度上提高了紙機干燥部的能源利用效率。為了進一步地降低紙機能耗、提高能源利用效率，將上述兩系統協同起來，最大化地回收利用二次能源將成為新的發展趨勢，其控制系統更是在其中起著至關重要的作用。

1.1工藝流程

在高強瓦楞紙機中，來自壓榨部的干度約為46%的濕紙幅首先進入前干燥部，紙幅干度達到90%進入施膠工段，施膠后的干度為60%～70%的紙幅進入后干燥部，成紙干度需要達到92%[8]。為了滿足烘缸溫度曲線，將前、后干燥部烘缸分成了多段，并采用密閉氣罩方案[9]提高紙幅的干燥環境質量。

能耗協同系統即協同綜合利用干燥部兩大系統能源。蒸汽冷凝水系統中，系統采用多段供汽與閉式熱泵供汽相結合的供汽方式，既解決傳統多段供汽普遍存在的烘缸積水問題，還加強了熱泵的作用，回收利用了大量的二次蒸汽，避免了能源的浪費[7]。即便如此，系統還會從閃蒸罐上部排汽管道和下部冷凝水泵排出大量的高溫二次蒸汽以及冷凝水，如果將這部分熱能直接送回鍋爐或電廠，會在管道運輸過程中造成大量的熱量損失。在氣罩通風系統中，采用密閉氣罩方案排除紙幅蒸發出的水蒸氣并改善干燥環境，因為相較于敞開式氣罩可以節約蒸汽15%～20%，干燥部干燥能力提高15%～20%。系統需要大量熱源將室溫空氣加熱到100℃左右并送入密閉氣罩內去提高紙幅的干燥效率。在能耗協同系統中，綜合考量了兩個系統的能源利用情況，將蒸汽冷凝水系統剩余的二次蒸汽和冷凝水通入氣罩通風系統中進行回收利用。如圖1所示，蒸汽冷凝水系統中剩余的冷凝水及二次蒸汽作為氣罩通風系統中1#加熱器和2#加熱器的熱源對新風進行加熱，減少了3#加熱器熱源即新鮮蒸汽用量的同時解決了冷凝水與二次蒸汽的回收利用問題，提高了能源的利用效率，降低了系統總能耗。

1.2控制要點及難點分析

(1)各段烘缸壓力控制。在能耗協同系統中，壓力控制成功與否是烘缸能否正常運行并實現預定任務的關鍵。這里的壓力控制主要包括：首段烘缸上端進口處的壓力控制、烘缸下端閃蒸罐出口處的吹貫控制、各段烘缸進汽壓力之間的比值控制。首段烘缸的進汽壓力控制是后面比值控制的基礎；吹貫控制的目的是穩定烘缸內的壓力及冷凝速率、積水時自動調節增大烘缸進出口差壓；比值控制的目的是使紙張較為平緩地被干燥、使各段烘缸滿足溫度曲線。為了保障閃蒸罐工作效率和冷凝水的順利排出，還需加入閃蒸罐的液位控制。

(2)熱泵開度控制。為了盡量多地利用二次蒸汽、減少新鮮蒸汽的消耗，需要對熱泵的開度進行低端選擇控制，以達到節能降耗的目的。

(3)密閉氣罩零位露點控制。氣罩零位是氣罩內外空氣壓力相等點的高度值，控制好氣罩零位是控制氣罩內溫濕度和平衡進出風量、節約能源、提高能源利用率的前提和關鍵；露點溫度是空氣在水蒸氣含量和氣壓都不變的條件下冷卻到飽和時的溫度數值，理論上露點溫度越高，單位質量的空氣中含水蒸氣就越多，紙幅干燥速度就越快，但是同時也會增加氣罩的能耗負擔。

(4)送風溫度協同控制。為了使新風滿足露點溫度，需要協調控制3個加熱器的熱源進量，使室溫新風達到設定溫度。同時還要盡量充分利用二次蒸汽和冷凝水、減少新鮮蒸汽的用量，達到節能降耗的目的。

2 控制方案及控制算法

2.1總體控制方案

根據高強瓦楞紙機干燥部能耗協同系統的控制重點和難點提出如圖2所示的基于西門子S7-300 PLC的DCS控制系統。系統由3臺工控機、1臺CPU315-2DP PLC構成三級DCS。1臺工控機作為工程師站，用于對生產現場的監視、打印報表、對工藝參數和控制器參數的修改以及對DCS局部功能的完善和增補等；2臺工控機作為操作員站，1臺為能耗協同系統操作員站，執行人機接口功能、現場的監視和操作，1臺為過程優化控制站，用于能耗協同系統的部分高級控制及優化功能；CPU315-2DP PLC作為現場控制站，為本DCS的核心完成現場各參數的采集、處理和控制運算。系統設置三級網絡：工業以太網、MPI/DP網和Profibus-DP網。其中工業以太網用于工程師站與操作員站之間的信息交換，MPI /DP網用于現場控制站與操作員站之間的相互通信，Profibus-DP網用于CPU315-2DP PLC與各ET200M站之間的高速通信。另外，系統還提供了豐富的接口功能，能夠與造紙廠的其他工段或車間方便地進行聯網和通信。

圖2 能耗協同系統DCS控制系統結構示意圖

2.2主要控制方案及算法

(1)壓力系統比值控制。為了使濕紙幅沿著固定的溫度曲線平穩地被干燥，需要控制各段烘缸的溫度，而烘缸溫度是通過控制烘缸的進汽壓力來實現的。比值控制可以使各段烘缸進汽壓力滿足相應比例來達到溫度要求。采用如圖3所示的多閉環比值控制可以穩定系統輸出值，即各段烘缸的進汽壓力，增強系統的抗擾動性，實現定值控制[10]。圖3中PSP代表首段烘缸進汽壓力設定值，Gc代表各烘缸段控制器，Gv代表補汽閥，Go代表烘缸進汽過程，Gm代表壓力變送器，P代表壓力輸出，K代表比例系數。

圖3 各段烘缸進汽壓力比值控制原理示意圖

(2)熱泵系統低端選擇控制。閃蒸罐出口管道孔板差壓控制回路和烘缸進汽壓力控制回路(即補汽閥、排汽閥開度控制回路)的控制是通過修正常規PID控制器的理論輸出值來實現的。熱泵開度與補、排汽閥開度動作規律如圖4所示，即熱泵動作選擇兩個回路中理論計算較小的數值的2倍作為熱泵調節器動作的輸出，即進行低端選擇。兩個回路理論計算值都大于等于50%時，熱泵實際開度為100%。紙機正常工作時，排汽閥和補汽閥開度均小于50%，實際都處于關閉狀態，因此烘缸所需蒸汽全部由閃蒸罐閃蒸出的二次蒸汽提升品位后提供，由此可以盡可能多地利用二次蒸汽，減少新鮮蒸汽的消耗，達到節能的目的。

圖4 閥開度動作規律圖

(3)零位前饋及溫濕度選擇控制。氣罩零位通過進風量和排風量進行控制，但是二者難以在線準確測量，所以采用上層氣罩溫度平均值為前饋信號構成的前饋-反饋控制回路，以實現快速精確控制，控制原理如圖5所示；對于氣罩溫濕度，需盡量提高排風溫度但又不超過上限值，故采用選擇控制算法使氣罩的溫濕度控制在設定值范圍內，控制原理如圖6所示。

圖5 氣罩零位前饋反饋控制原理示意圖

圖6 排風溫濕度選擇控制原理示意圖

圖5中，THSP表示氣罩送風溫度設定值，ΔP0SP表示氣罩零位內外壓差設定值，U(t)表示控制輸入，Goc和Gfc分別表示反饋控制器和前饋控制器，VFDs代表送風機變頻器，Gto代表溫升過程，Gso代表送風過程；圖6中，T表示排風溫度，H表示排風濕度，TSP表示排風溫度設定值，HSP表示排風濕度設定值，VFDp代表送風機變頻器，U(t)、U1(t)、U2(t)表示控制輸入。

(4)送風溫度分程控制。新風進入通風管道內，經過換熱器后還需經3片加熱器加熱以達到設定溫度，3片加熱器的熱源分別為冷凝水、二次蒸汽、新鮮蒸汽，分程控制3個加熱器熱源閥門，如圖7所示，協同利用盡量多的冷凝水與二次蒸汽，減少新鮮蒸汽的用量，達到節能的目的。圖7中TSSP代表溫度設定值，GCC代表分程控制器，GCO代表溫度協同過程，GTM代表溫度變送器，T代表溫度檢測值。

圖7 送風溫度分程控制原理示意圖

3 能耗協同系統優化研究

立足于降低紙機干燥部能耗、提高能源效率，應將烘缸內部蒸汽冷凝水系統和烘缸外部氣罩通風系統的能量綜合考慮，實現能量的循環利用，并針對整個干燥部設計其優化方案，使其能量利用趨于合理，實現全局優化控制。

3.1目前干燥部存在的優化方案探討

紙機干燥部屬于復雜工業過程，為了解決干燥部的節能控制、全局優化等問題，國內外學者進行了大量的研究工作：在蒸汽冷凝水系統中有熱泵的應用、烘缸內部的熱力平衡計算等研究方向；在氣罩通風系統中應用各種優化算法對控制策略進行優化以達到節能的目的；此外還有相當一部分學者針對烘缸內部及外部進行了熱力學機理模型的建立、建立其能耗優化模型等工作。這些工作在機理分析的基礎上，開展干燥過程的建模和優化控制研究，成果的工業應用對穩定生產、提高產品產量與質量發揮了重要作用。然而，在紙幅干燥過程中，蒸汽冷凝水系統與氣罩通風系統存在能量的交互，并且干燥部結構、熱力流程較為復雜，導致干燥過程的建模和操作參數的優化調整極其困難。隨著網絡技術的快速發展以及基礎自動化水平的大幅提升，紙幅干燥過程中積累了大量工業運行在線數據及離線數據，其中包含了豐富的反映能耗情況和工藝參數之間關系的潛在信息，為生產過程的優化控制提供了有利條件。因此，針對紙幅干燥過程的特點，充分利用生產過程長期運行積累的工業數據，并依據這些數據研究基于數據驅動的控制策略優化方法，具有很強的研究意義和應用前景。

圖8 基于數據驅動的控制策略優化控制框架

圖9 上位機畫面

3.2基于數據驅動的控制策略優化控制框架

基于數據驅動的控制策略優化即從實際生產中積累的大量工業運行數據中挖掘出較優的控制策略，并根據當前的工業運行參數，從控制策略優化數據庫中尋找與之最匹配的控制策略?；跀祿寗拥目刂撇呗詢灮刂瓶蚣苋鐖D8所示，主要包括4 部分內容。

(1)能耗的預測。建立干燥部的工藝指標預測模型，利用在線獲得的工業運行數據修正該模型，這樣可以及時得到控制的反饋信息。紙幅干燥過程復雜，熱力學機理模型難以建立，且模型中的很多參數往往是憑經驗設定的，因此模型的準確性有限；模糊神經網絡雖然具有較強的擬合非線性關系的能力，但是當工業過程復雜、存在大時滯、訓練樣本數量不夠多時，其精度要求無法保證；將兩種模型進行加權協調，既滿足了精度要求，也解決了模型的準確性問題。

(2)控制策略的優化。不同的工藝條件經過能耗預測模型可以得出的能耗預測值，當預測值被判定為高能耗工作狀態時，將對該工藝條件下的操作參數進行優化，即建立能耗優化模型。一般可采用數學規劃中的非線性規劃與多目標規劃等方法對干燥部能耗進行優化，以能耗值最小為目標函數，工藝指標(各段烘缸進汽壓力、閃蒸罐液位等)為約束條件，建立能耗優化模型，再應用智能算法對其求解即可得到優化控制策略。

(3)控制策略優化數據庫的形成。在實際紙幅干燥過程中，不同的控制策略會對紙機能耗產生直接的影響。建立能耗的評價標準，判定不同控制策略的能耗高低，在實際工業過程中產生能耗較低的控制策略將得以保留，從而形成控制策略優化數據庫。

(4)優化控制策略的匹配。在不同工藝條件下，參與匹配的控制策略有：經能耗判定模型判定為低能耗的當前控制策略、經能耗優化模型得出的優化控制策略和與控制策略優化數據庫中相匹配的控制策略。根據這些控制策略的特點，通過一定規則進行協調計算得到最優控制策略，以保證干燥部的能耗最低化。

4 結束語

本課題將紙機干燥部蒸汽冷凝水熱力系統和氣罩通風熱力系統進行了整合，針對高強瓦楞紙機設計了能耗協同系統，并針對該系統設計了其DCS控制系統。根據系統中的控制重點和難點，采用了相關的控制策略及算法，提高了控制質量，并為干燥部的全局能耗最優化研究提供了基礎。部分成果已在多條生產線上得到了應用，可以綜合回收利用大量二次蒸汽及冷凝水，節能效果顯著，圖9為浙江某高強瓦楞紙機生產線上的上位機畫面。最后搭建了基于數據驅動的控制策略優化控制框架，實現干燥部全局優化控制，最大程度降低能耗。

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Abstract：Energy consumption reduction is becoming focus in papermaking industry.To further reduce energy consumption and increase energy efficiency of paper machine dryer section,the synergic control for energy consumption was put forward.The energy consumptions of steam condensate thermal system and hood ventilation thermal system were considered together to recycle the secondary thermal energy.A DCS control system for energy consumption of high strength fluting paper machine was designed.This system integrated above-mentioned systems,not only reduced the energy consumption of paper machine dryer section but also laid a foundation for achieving overall optimization of dryer section.This control system has been used in many high strength fluting paper machines and had a better energy-saving effect.To achieve overall optimization of dryer section,the data-driven optimization control framework was designed.The large amount of operation data was used to update the model and established the optimal control strategy database.Thus the optimization control strategy which matched current process conditions best could be found quickly,and energy consumption reduction was realized.

Keywords：steam condensate thermal system; hood ventilation thermal system; cooperation control for energy consumption; DCS control system; data-driven

(責任編輯：劉振華)

DesignandOptimizationofSynergicControlSystemforEnergyConsumptionofHighStrengthFlutingPaperMachineDryerSection

TANG Wei1,3,*SUN Zhen-yu2,3CHI Dong-ming2,3FENG Xiao-hui1,3

(1.CollegeofElectricalandInformationEngineering,ShaanxiUniversityofScience&Technology,Xi’an,ShaanxiProvince,710021; 2.CollegeofBioresourcesChemicalandMaterialsEngineering,ShaanxiUniversityofScience&Technology,Xi’an,ShaanxiProvince,710021; 3.IndustrialAutomationInstitute,ShaanxiUniversityofScience&Technology,Xi’an,ShaanxiProvince,710021)(*E-mail:wtang906@163.com)

TS7

A

1000-6842(2017)03-0058-06

2016-06-22

陜西省重點科技創新團隊計劃項目(2014KCT-15)；咸陽市科技計劃項目(2012K03-01)；陜西省教育廳重點實驗室科研計劃項目(15JS013)。

湯 偉，男；博士，教授；主要研究方向：制漿造紙全過程自動化，工業過程控制，大時滯過程控制及應用。 E-mail:wtang906@163.com