紙機蒸汽冷凝水系統測控方法介紹

鐘益聯

(中國中輕國際工程有限公司，北京，100026)

紙機蒸汽冷凝水系統及其控制對蒸汽利用率和紙張質量至關重要。紙機運行要想達到節能增效、保質保量的生產目標，其重要技術措施之一是必須確保紙機蒸汽冷凝水系統過程測量準確，暖缸起動規律平穩，回路設計可控合理，控制方法先進可靠。本文對紙機蒸汽冷凝水系統的測量和控制方法及閥門的選用進行介紹，以供參考。

1 壓力、差壓測量及其變送器的安裝

圖1 為紙機蒸汽冷凝水系統壓力和差壓變送器取壓方式(用于烘缸組)。圖2 為紙機蒸汽冷凝水系統的壓力和差壓變送器安裝圖(用于烘缸組)。

從圖1 和圖2 可以看出，與普通的壓力、差壓取壓相比，蒸汽冷凝系統有兩個不同點:一是在冷凝器上加裝一個壓力表，二是要求壓力和差壓變送器的冷凝器安裝在同一水平線(POTS AT SAME LEVEL)。在冷凝器上加裝一個壓力表主要是在紙機啟動時便于技術人員和操作人員觀察實測值。冷凝器要安裝在同一水平線上，即是要求壓力、差壓變送器安裝在同一標高上，為達到此目的，要事先制作好一個矩形安裝架(見圖3)，把壓力、差壓變送器置于該安裝架上。變送器集中安裝的好處是克服環境溫度對導壓管冷凝水的影響從而獲得較為精確的壓力、差壓值測量，確保蒸汽冷凝水系統控制穩定，從而減少各段蒸汽壓力波動。

2 暖缸過程及其控制

當紙機初次啟動，或由于斷紙及其他機械故障致使較長時間停機而紙機需重新啟動時，均需一個暖缸過程。所謂紙機暖缸過程就是指各段蒸汽壓力按照一定規律慢慢從低到高平穩達到正常車速蒸汽壓力的過渡過程。各段蒸汽的升壓過程，其實也是各段蒸汽的升溫過程，亦即是造紙技術人員和操作人員平常所說的紙機干燥部預熱升溫曲線(preheating ramp dryer section)。

下面介紹兩種干燥部預熱升溫方法。

2.1 暖缸控制-三段升溫法［1］

將紙機干燥部烘缸的暖缸過程分為3 個階段，即開始階段、中期階段和結束階段。由于冷缸對溫度較為敏感，因此，在暖缸開始階段，溫度上升曲線采用較小的斜率;暖缸中期階段溫度上升曲線采用較大的斜率;暖缸結束階段，溫度上升曲線采用較小的斜率。三段升溫法的升溫曲線如圖4 所示。

針對上述升溫曲線，可用下面3 條規則很方便地通過控制系統(DCS 或PLC)來實現。即:

規則1:

規則2:

規則3:

規則中，t0為開始暖缸時間點，設其為0。t1、t2、t3和k1、k2、k3分別為開始階段、中期階段、結束階段的時間和升溫曲線的斜率。

暖缸控制-三段升溫法的詳細介紹及其應用詳見參考文獻［1］。

2.2 暖缸控制-逐步迭代升溫法

以一工程實例來簡要說明逐步迭代升溫法原理。

實例:車速2000 m/min、網寬10200 mm、卷取紙寬10200 mm、產量40 萬t/a 紙機的暖缸控制，圖5是其經過簡略整理的編程功能圖。

在實際工程應用上，往往是最后一組烘缸母管(卷取前烘缸組)蒸汽壓力起“引領”作用，即其他各烘缸組蒸汽母管蒸汽壓力根據“溫度曲線”設定，并且其壓力隨最后一組烘缸母管蒸汽壓力的變化而變化，故而圖5 的輸入是最后一組烘缸供汽壓力變送器的實測值(Actual value)。該值經過多種運算 (平方、乘、除、加、除)到最后被1 除，其結果是以% /s-變化率作為Analog Ramp 模塊的輸入。Analog Ramp 模塊的輸出作為各段烘缸組蒸汽暖缸調節信號。實際上，該信號不是直接接至各壓力回路調節閥，而是通過一低值選擇器與各回路的壓力調節器輸出進行比較，從低值選擇器輸出引至各回路的調節閥。另外，可以看到，圖5 中的運算其實是一個在實際測量值基礎之上按給定規則進行迭代運算過程，其每步運算周期時間和調節閥作用時長可以設定(如某工程分別是400 ms 和30 s)。如前所述，程序執行過程是逐步進行的，其每步運算是以前次輸出并被執行后得到最新的輸入從而又進行一次周期性計算，這樣一直迭代運算至S3 動作(controlling taken over)。輸出效果如圖7 中的烘缸預熱升溫曲線圖。筆者初步定義此種暖缸控制方法為逐步迭代升溫法。另外，圖5 中共設有3 個功能開關，S1 是工藝條件的連鎖開關，只有滿足初始條件才能允許暖缸;S2 是Ramp start 開關，合上開關表明暖缸主設定(Master Setpoint Warm-up)開始;S3 是判斷暖缸升溫是否結束亦即是暖缸終點判斷開關，其動作表明紙機蒸汽冷凝水系統可以轉入正常車速的操作與控制。

圖3 壓力和差壓變送器安裝架參考圖

圖4 紙機烘缸預熱三段升溫法的升溫曲線

圖5 逐步迭代升溫法原理功能圖

3 供汽系統常規控制

供汽系統按通汽方式不同常可分為兩種，第一種是串聯系統，蒸汽從凝結水分離出來，然后重新用于低壓烘缸區。第二種系統，被稱為“熱壓縮機(Thermo Compressor)”(又常稱熱泵)系統。熱泵系統是將低壓蒸汽借與高壓蒸汽混合而“增壓”，然后通常回用到同一烘缸區或下一用汽壓力較低烘缸區。熱泵結構示意圖見圖6［2］。

第一種串聯系統原來的主要缺點是各烘缸組存在“依賴性”，即某烘缸組蒸汽壓力波動牽涉到其他烘缸組蒸汽壓力隨著波動。但是，由于現在工藝設備和控制回路設計漸趨合理，控制方法先進、成熟，因而該系統不僅應用在一般紙機上，也廣泛應用在現代高速紙機上，當然這些紙機應用串聯系統與其采用低壓蒸汽有關。第二種熱泵系統主要用在可以使用高壓蒸汽紙機的場合。熱泵系統的缺點是高壓蒸汽損失了若干發電價值［2］。下面對供汽系統常規控制作簡單的分析說明。

3.1 壓力、壓差、液位控制

圖7 為紙機蒸汽冷凝系統典型壓力、差壓、液位控制流程圖。

圖7 中，壓力控制回路關鍵技術點是解決 PY1、PY2 和PY3、PY4 的功能設定。PY1、PY2 表示暖缸控制輸出與壓力調節器的輸出進行比較，低值選擇器的輸出作用于調節閥PV21。PY3、PY4 輸出則是壓力調節器的外給定，此給定值可以是QCS 輸出信號，可以是手動操作信號，也可以是斷紙時輸出信號。當紙機突然斷紙時，各段壓力調節閥不是(或不能)立刻關閉，而是朝關向動作且保持在一定開度，待引紙成功后壓力調節閥恢復到正常的調節狀態。壓力調節閥應選擇帶彈簧的單作用(Single Acting)調節閥，且在能源中斷或回路存在故障時該閥門處于強制關閉狀態(S=C)。

圖6 熱泵結構示意圖

差壓回路是一個典型分程(Split Range)控制回路。該回路設置兩個調節閥。PDV21 置于烘缸組冷凝水排水管道(此閥也有置于二次蒸汽管A 點處，控制原理大體相同)，其作用是根據烘缸組的差壓來調節冷凝水的排出。PV22 置于二次蒸汽分支管上，當烘缸組2 不能全部利用汽水分離器分離出的二次蒸汽時，該閥打開，此時二次蒸汽將會通過表面冷凝器，其冷凝水最終排向總冷凝水槽。PDV21 應選用雙作用調節閥，且在能源中斷或回路存在故障時該閥不再動作S = U，即保持或恢復原有設定狀態。PDV22 宜選用單作用調節閥，正常生產情況該閥應關閉，但在回路存在故障時該閥處于強制打開狀態，S=O。事實上，PDV21、PDV22 分別受PDC 調節器輸出4 ～12 mA，12 ～20 mA 作用，實現烘缸組差壓PDC 分程控制(split range control)，只不過為方便電氣閥門定位器調校在控制系統內分程而不在電氣閥門定位器分程，因而PDV21、PDV22 的輸入仍然是4 ～20 mA 信號。

圖7 紙機蒸汽冷凝系統典型壓力、差壓、液位控制流程圖

液位回路也是一個分程控制回路。針對汽水分離器容量很小的特點，保持一定回流量對液位的平穩調節至關重要。差壓回路分程控制的基本分析方法也適用于液位回路分程控制，在此不再贅述。在此需要說明的是，回流應選用雙作用調節閥，且S =U，出水閥選用單作用調節閥，S =O，其目的是要保證冷凝水及時排出。

3.2 關于熱泵供汽系統及其控制［3］

20 世紀50 年代，熱泵技術便被用于紙機蒸汽冷凝水系統，90 年代初我國開始從國外引進該技術，并開始研發自己的熱泵系統。

熱泵是利用噴射器原理，最大限度地將引射蒸汽的“品位”提升到生產工藝要求的程度之后，循環利用，從而達到節約新鮮蒸汽的目的。紙機蒸汽冷凝水系統通常以高壓工作蒸汽作為引射動力源，采用熱泵來提升通過各級汽水分離器閃蒸出的二次蒸汽壓力。

根據熱泵工作蒸汽加入量調節方式的不同，可將熱泵分為兩種:質量調節熱泵和流量調節熱泵，見圖8。

圖8 熱泵工作蒸汽加入量調節原理

目前，造紙發達國家和我國造紙廠大多采用流量調節熱泵。關于熱泵供汽系統及其控制，其內容廣泛，限于篇幅，在此不再贅述，讀者可參閱參考文獻［4］或其他國內外文獻。熱泵應用工程實例可參考圖9。

圖9 熱泵供汽系統及其控制流程圖示例

表1 圖9 中各測量點的初步設計參數值

圖9 所示為車速2000 m/min、幅寬5600 mm、年產6 萬t 衛生紙的紙機實例。從圖9 中可以看到，該工藝流程采用流量調節熱泵。熱泵流量調節回路(FIC)是根據汽水分離器閃蒸出的二次蒸汽——引射蒸汽量來調節新鮮蒸汽量。表1 是圖9流程圖中A、B、C、D、E、F 各測量點的初步設計參數值。從汽水分離器閃蒸出來的二次蒸汽 (D點)經新鮮蒸汽或稱為工作蒸汽 (B 點)引射產生的混合蒸汽，回用到揚克缸 (Yankee)供汽管(E 點)。E 點蒸汽量是B、C、D 三點蒸汽量之和。從表1 中“正常欄”數據可以計算出，D 點引射蒸汽量約占到E 點蒸汽總量39%。該數據充分說明，熱泵不僅發揮著重要作用，而且具有一定節能效果。

4 結 語

建議用于烘缸的蒸汽冷凝水系統壓力和差壓變送器要集中安裝，以期獲得較為精確的測量和理想的控制效果。否則，變送器調試將會遇到困難，由于測量不準確也會使控制運行不穩定導致各段蒸汽壓力波動。

本文介紹的兩種暖缸控制方法，三段升溫法只能算是國內計算機技術應用的前期實驗，不能肯定其工程實用性和應用前景，只是作為暖缸控制的一種方法介紹給讀者參考和比較。逐步迭代升溫法已在多臺現代高速紙機上得到工程應用，筆者從國外資料的研讀中體會到該方法有其先進性、巧妙性和實用性。希望國內有關技術人員能參考“逐步迭代升溫法”，創新開發暖缸控制方法并在國產紙機上推廣應用。

蒸汽冷凝水系統的典型控制方法中，其技術要點為:一是分程控制和調節閥的正確選擇，二是暖缸升溫的設定和QCS、斷紙、自動/手動操作的設定。熱泵供汽系統多用在使用高壓蒸汽紙機的場合，就其控制方法而言并不復雜。本文介紹的衛生紙機工藝設計工程實例中，熱泵起著重要作用。在某些特定應用場合，熱泵有一定的節能效果。

在此應該特別指出，由于熱泵其工作原理要求被控對象工況較為穩定，而紙機蒸汽冷凝水系統工況往往較為復雜，故有些紙機應用熱泵不能取得理想的控制效果。目前，熱泵在紙機的工程應用漸趨減少，市場對每臺紙機生產多品種紙張的需求也限制了熱泵的應用前景。

［1］ LIU Qing，WANG Mengxiao，ZHANG Shunli. Zhi Ji Gan Zao Bu Nuan Gang De Zhi Neng Kong Zhi［J］. China Pulp ＆ Paper，2004，23(7):44.劉 清，王孟效，張順利. 紙機干燥部暖缸的智能控制［J］. 中國造紙［J］，2004，23(7):44.

［2］ 加拿大G. A 斯穆克. 制漿造紙工程大全［M］. 2 版. 曹邦威，譯. 北京:中國輕工業出版社，2001.

［3］ TANG Wei，LV Ding-yun，WANG Meng-xiao. Review of Heat Energy Supply System of Steam-driven Jet Heat Pump Applied in Paper Machine［J］. China Pulp ＆ Paper，2007，26(10):49.湯 偉，呂定云，王孟效. 造紙機熱泵供熱系統的應用. 中國造紙［J］，2007，26(10):49.

［4］ YAN Yong-zhi，REN Xue-hong. Investigation on the Heat Pump Control System of Paper Machine Dryers［J］. China Pulp ＆Paper，2007，26(10):49.閆永志，任雪鴻. 紙機干燥部熱泵供熱系統的控制方式. 中國造紙［J］，2007，26(6):42.