Tài liệu Nghiên cứu ứng dụng bộ điều khiển mid ranging cho quá trình sấy giấy

TÓM TẮT LUẬN VĂN NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN MID-RANGING CHO QUÁ TRÌNH SẤY GIẤY Học viên: Phạm Đình Phú. Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa. Mã số: 60.52.02.16. Khóa: 31. Trƣờng Đại học Bách khoa – ĐHĐN. Tóm tắt - Độ ẩm của tờ giấy là một trong những tiêu chí để đánh giá chất lƣợng giấy. Độ ẩm giấy đƣợc quyết định trong nhà máy xeo giấy mà quan trọng nhất là công đoạn sấy trong buồng sấy. Trong những năm gần đây ngƣời ta dùng sấy đối lƣu (Sấy gió) theo công nghệ mới, đó là hệ điều khiển gió nóng kết hợp với điều khiển môi trƣờng sấy đã tăng đƣợc hiệu quả sấy, tiết kiệm đến 40% lƣợng hơi bão hòa và tăng tốc độ xeo lên 1,2 lần. Trong luận văn này, tác giả nghiên cứu quy trình công nghệ sấy giấy từ đó đi phân tích các phƣơng trình động học quá trình chung, xây dựng các mạch vòng điều khiển cho độ ẩm, cân bằng gió vào – ra (Zerolevel), nhiệt độ điểm sƣơng. Cuối cùng là đi nghiên cứu ứng dụng bộ điều khiển Mid-ranging để nâng cao tính ổn định, rút ngắn thời gian đáp ứng và loại bỏ nhiễu đầu vào cho hệ thống sấy giấy theo công nghệ mới. Tác giả tóm tắt các kết quả đạt đƣợc và hƣớng phát triển tiếp theo. Từ khóa - Độ ẩm giấy, sấy đối lƣu, mạch vòng điều khiển, Mid-ranging, IMC Midranging. RESEARCH APPLICATION MID-RANGING CONTROLS FOR PAPER PROCESSING Abstract - Moisture of paper is one of the criteria for evaluating paper quality. The paper moisture is determined in the paper mill, but the most important is the drying in the drying chamber. Nowaday, People use convection drying (wind dryer) with new technology, the hot air control combined with the controlled drying environment increases the drying efficiency, saving up to 40% of saturated steam and increasing the vehicle speed by 1.2 times. In this essay, the achieved studies the process of drying technology from which to analyze the general equation of dynamics. Construction of paper moisture control circuits, control zerolevel, dew point temperature. Finally, a Mid-ranging controller application was developed to improve stability, shorten response times, and eliminate input interference for paper-based systems using new technology. The achieved results are summarized and perspective of the work is provided. Key words – Moistrure of paper, convection drying, loop control, Mid-ranging, Imc Mid-raging MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN MỤC LỤC DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT, KÝ HIỆU DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ MỞ ĐẦU ......................................................................................................................... 1 1. Tính cấp thiết của đề tài ...................................................................................... 1 2. Mục tiêu nghiên cứu ........................................................................................... 1 3. Đối tƣợng, phạm vi nghiên cứu .......................................................................... 2 4. Phƣơng pháp nghiên cứu .................................................................................... 2 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn ............................................................................ 2 6. Cấu trúc luận văn ................................................................................................ 2 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ SẤY GIẤY TRONG DÂY CHUYỀN XEO GIẤY ................................................................................................... 3 1.1. TÓM TẮT CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT GIẤY ........................................................ 3 1.1.1. Công đoạn xử lý nguyên liệu ........................................................................ 3 1.1.2. Công đoạn nấu bột ........................................................................................ 4 1.1.3. Công đoạn rửa, sàng ..................................................................................... 4 1.1.4. Công đoạn tẩy trắng bột ................................................................................ 4 1.1.5. Xeo giấy ........................................................................................................ 5 1.1.6. Bộ phận ép .................................................................................................... 6 1.1.7. Bộ phận sấy và ép nóng ................................................................................ 6 1.1.8. Bộ phận ép quang ......................................................................................... 6 1.1.9. Bộ phận cuốn và cắt cuộn ............................................................................. 7 1.1.10. Giấy thành phẩm ......................................................................................... 7 1.1.11. Các chỉ tiêu chất lƣợng của giấy thành phẩm ............................................. 8 1.2. SẤY HƠI VÀ HỆ ĐIỀU KHIỂN SẤY HƠI ............................................................ 8 1.2.1. Cấu tạo lô sấy................................................................................................ 8 1.2.2. Nguyên lý điều khiển công suất sấy ............................................................. 9 1.3. SẤY ĐỐI LƢU VÀ ĐIỀU KHIỂN GIÓ TRONG BUỒNG SẤY ........................ 11 1.3.1. Phƣơng pháp sấy đối lƣu truyền thống ....................................................... 11 1.3.2. Phƣơng pháp sấy đối lƣu kết hợp thổi gió nóng lên mặt giấy .................... 12 1.3.3. Động học chung quá trình sấy đối lƣu ........................................................ 13 1.4. VẤN ĐỀ ĐỘ ẨM CỦA GIẤY VÀ QUÁ TRÌNH SẤY TRONG DÂY CHUYỀN XEO GIẤY .................................................................................................................... 16 1.4.1. Giới thiệu chung ......................................................................................... 16 1.4.2. Đo độ ẩm của giấy ...................................................................................... 17 1.4.3. Cấu hình khâu sấy ....................................................................................... 18 1.5. KẾT LUẬN CHƢƠNG 1 ....................................................................................... 18 CHƢƠNG 2. ĐỘNG HỌC VÀ ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH SẤY ........................ 19 2.1. ĐỘNG HỌC QUÁ TRÌNH SẤY VÀ ĐIỀU KHIỂN ĐỘ ẨM TRONG DÂY CHUYỀN XEO GIẤY .................................................................................................. 19 2.1.1. Cơ chế sấy ................................................................................................... 19 2.1.2. Động học quá trình sấy cho một lô ............................................................. 19 2.1.3. Phân tích vòng điều khiển độ ẩm ................................................................ 21 2.2. ĐỘNG HỌC QUÁ TRÌNH GIÓ VÀO – RA (ZERO LEVEL) ............................. 21 2.2.1. Động học quá trình cân bằng gió vào – ra .................................................. 21 2.2.2. Cấu trúc điều khiển cân bằng gió vào-ra .................................................... 24 2.3. ĐỘNG HỌC QUÁ TRÌNH NHIỆT ĐỘ ĐIỂM SƢƠNG ...................................... 24 2.3.1. Tính toán nhiệt độ điểm sƣơng ................................................................... 24 2.3.2. Xây dựng động học nhiệt độ điểm sƣơng ................................................... 25 2.3.3. Cấu trúc mạch vòng điều khiển nhiệt độ điểm sƣơng ................................ 29 2.4. MÔ PHỎNG ĐỘNG HỌC CÁC QUÁ TRÌNH TRONG BUỒNG SẤY .............. 29 2.4.1. Cấu trúc điều khiển và thông số để mô phỏng ........................................... 29 2.4.2. Mô phỏng động học và điều khiển độ ẩm................................................... 30 2.4.3. Mô phỏng động học và điều khiển cân bằng gió vào – ra (Zero level) ...... 36 2.4.4. Mô phỏng động học và điều khiển nhiệt độ điểm sƣơng ........................... 37 2.4.5. Cấu trúc điều khiển tổng quát trong buồng sấy .......................................... 40 2.5. KẾT LUẬN CHƢƠNG 2 ....................................................................................... 40 CHƢƠNG 3. XÂY DỰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN MID-RANGING CHO LÔ SẤY GIẤY ............................................................................................................................. 42 3.1. GIỚI THIỆU BỘ ĐIỀU KHIỂN MID-RANGING ............................................... 42 3.1.1. Khái niệm Mid-ranging .............................................................................. 42 3.1.2. Một số cấu trúc Mid-ranging ...................................................................... 42 3.2. XÂY DỰNG CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN CHO LÔ SẤY ..................................... 45 3.2.1. Mô phỏng mạch vòng điều khiển áp suất cho quá trình sấy....................... 45 3.2.2. Thiết kế mạch vòng điều khiển độ ẩm ........................................................ 47 3.2.3. Cấu trúc IMC cho Mid-Ranging ................................................................. 48 3.2.4. Phƣơng pháp thiết kế IMC Mid-ranging .................................................... 50 3.3. MÔ PHỎNG BỘ ĐIỀU KHIỂN MID-RANGING CHO LÔ SẤY ....................... 51 3.4. KẾT LUẬN CHƢƠNG 3 ....................................................................................... 53 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ..................................................................................... 54 TÀI LIỆU THAM KHẢO QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN (Bản sao) PHỤ LỤC DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT, KÝ HIỆU 1. CÁC CHỮ VIẾT TẮT: Ký hiệu Ý nghĩa CD : Hệ điều khiển ngang máy (Cross Direction) MD : Hệ điều khiển dọc máy(Machine Direction) DMC : Điều khiển ma trận động (DynamicMatrixcontrol) GMV : Cực tiểu tƣơng quan tổng quát (Generalized Minimum Variance) HEU : Bộ trao đổi nhiệt (Heat Exchanger Unit) HRU : Bộ thu hồi nhiệt (Heat Recycle Unit) IMC : Điều khiển theo mô hình nội (Internal Model Control) IPZ : Đối tƣợng điều khiển có thành phần tích phân, 1 điểm cực và 1 điểm zero (Intergator Pole Zero) MPC : Điều khiển mô hình dự báo (Model Predictive Control) NP : Điểm áp suất không (Neutral Pressure) NPP : Mặt phẳng áp suất không (Neutral Pressure Plane) SISO : Hệ đơn biến (Single-Input and Single-Output) ZL : Cân bằng gió (Zero level) SP : Giá trị đặt (Set point) QCS : Hệ thống điều khiển chất lƣợng (Quality control System) 2. CÁC KÝ HIỆU: Ký hiệu Đơn vị 2 Ý nghĩa Axy m : Diện tích giấy Cps kJ/kg.K : Nhiệt dung riêng của hơi : Độ dẫn cực đại của van Cv dy f(x) m : Bề rộng khổ giấy : Hàm độ ẩm g g/m2 : Định lƣợng chuẩn của giấy cp kW/m2.K : Hệ số truyền nhiệt từ lô vào giấy G kW/m2.K : Hệ số truyền nhiệt từ gió vào giấy : Hệ số tỉ lệ kn mG kg : Khối lƣợng không khí trong buồng sấy : Độ mở của van điều chỉnh m% mg kg : Khối lƣợng giấy Mw kg/mol : Trọng lƣợng phân tử nƣớc : Chỉ số thể hiện nhóm sấy n PN Pa : Áp suất đƣờng hơi tổng PL Pa : Áp suất đầu vào lô sấy ptot Pa : Áp suất tổng Pv,a Pa : Áp suất thành phần hơi nƣớc trong không khí Pv,p Pa : Áp suất thành phần hơi nƣớc trên bề mặt giấy Pkq Pa : Áp suất khí quyển Pw Pa : Áp suất riêng phần của nƣớc Psw Pa : Áp suất riêng phần của nƣớc khi không khí bão hòa Qn kW : Công suất nhiệt cấp cho lô sấy qbh kg/m2s : Tốc độ bay hơi trên đơn vị diện tích Qbuồng kW : Công suất nhiệt tích lũy trong buồng sấy Qbx kW : Công suất nhiệt bức xạ do lô sấy truyền vào không khí trong buồng sấy Qchăn kW : Công suất nhiệt do chăn sấy truyền nhiệt lên không khí trong buồng sấy Qp kW : Công suất nhiệt do giấy tiêu thụ Qtt kW : Công suất nhiệt thất thoát Qwa1 kW : Công suất nhiệt gió nóng cấp vào buồng sấy Qwa2 kW : Công suất nhiệt gió đƣợc hút ra khỏi buồng sấy Qwbh kW : Công suất nhiệt do hơi nƣớc bay ra buồng sấy Rg J/mol.K : Hằng số khí RH% % : Độ ẩm tƣơng đối của không khí trong buồng sấy SH kg/kg : Độ ẩm tỉ lệ của không khí trong buồng sấy T 0 C : Nhiệt độ không khí trong buồng sấy Ta1, Ta2 0 C : Nhiệt độ không khí thổi vào, hút ra khỏi buồng sấy Td 0 C : Nhiệt độ điểm sƣơng TG K : Nhiệt độ của gió Tm K : Nhiệt độ bề mặt lô Tn 0 : Nhiệt độ không khí trong buồng sấy Tp K : Nhiệt độ của giấy Tp1, Tp2 K : Nhiệt độ bề mặt giấy lúc vào, ra buồng sấy Ts K : Nhiệt độ hơi V m3 : Thể tích lớp khảo sát vx m/s : Tốc độ xeo giấy Wa1 kg/s : Lƣu lƣợng gió nóng thổi vào buồng sấy Wa2 kg/s : Lƣu lƣợng gió đƣợc hút ra buồng sấy Wbh kg/s : Lƣu lƣợng nƣớc bay hơi từ giấy vào không khí Wp kg/s : Lƣu lƣợng giấy qua buồng sấy Ws kg/s : Lƣu lƣợng hơi Wkk kg/s : Lƣu lƣợng không khí lạnh C δ : Hiệu suất truyền nhiệt từ lô vào giấy  , 1 kg nƣớc/ kg giấy : Độ ẩm tỉ lệ của giấy vào và ra ∆Hbh kJ/kg : Lƣợng nhiệt cần thiết để nƣớc bay hơi từ giấy vào không khí ∆T 0 : Biến thiên nhiệt độ trung bình trong buồng sấy ∆SH C : Biến thiên độ ẩm tỉ lệ không khí trong buồng sấy DANH MỤC CÁC BẢNG Số hiệu bảng Tên bảng Trang 1.1. Các chỉ tiêu chất lƣợng của giấy thành phẩm 8 2.1. Số liệu vận hành thực tế của nhà máy 35 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Số hiệu hình 1.1. 1.2. 1.3. 1.4. 1.5. 1.6. 1.7. 1.8. 1.9. 1.10. 1.11. 1.12. 1.13. 1.14. 1.15. 1.16. 1.17. 1.18. 1.19. 2.1. 2.2. 2.3. 2.4. 2.5. 2.6. 2.7. 2.8. 2.9. 2.10. 2.11. 2.12. 2.13. 2.14. Tên hình Trang Sơ đồ các công đoạn sản xuất giấy Bãi nguyên liệu Sơ đồ sản xuất giấy Cấu tạo hòm phun bột Bộ phận ép quang Bộ phận cuốn và cắt cuộn Cấu tạo lô sấy giấy Cấu trúc vỏ lô sấy Cấu trúc điều khiển độ ẩm cho các nhóm lô giấy Chênh áp đặt cho các nhóm sấy Nguyên lý buồng sấy đối lƣu dùng gió Vị trí của vòi phun không khí Các mạch vòng điều khiển của hệ thống sấy gió phƣơng pháp mới Cân bằng khối lƣợng độ ẩm trên băng giấy Cân bằng năng lƣợng tổng quát của băng giấy Quá trình sấy giấy Phân bố các nhóm sấy trên dây chuyền xeo giấy Đƣờng đo của máy Scanner Hệ sấy sử dụng một máy scanner Quá trình sấy cho một lô Mạch vòng điều khiển độ ẩm Mô hình gió vào – ra buồng sấy Mô hình khe gió buồng sấy và thiết kế NPP-Neutral Pressure Plane Mô hình quá trình cân bằng gió vào – ra Cấu trúc điều khiển cân bằng gió vào – ra (Zero level) Lô sấy và bạt sấy Cân bằng công suất nhiệt để tính nhiệt độ trong buồng sấy Mô hình động học biến thiên nhiệt độ trung bình trong buồng sấy Mô hình động học biến thiên nhiệt độ trung bình trong buồng sấy Mô hình động học độ ẩm tỉ lệ của không khí Tính toán biến thiên nhiệt độ điểm sƣơng Cấu trúc điều khiển nhiệt độ điểm sƣơng buồng sấy Sơ đồ của buồng sấy giấy 3 3 5 5 7 7 9 9 10 11 11 12 12 13 14 16 16 17 17 19 21 22 22 24 24 25 26 26 27 27 29 29 29 Số hiệu hình 2.15. 2.16. 2.17. 2.18. 2.19. 2.20. 2.21. 2.22. 2.23. 2.24. 2.25. 2.26. 2.27. 2.29. 3.1. 3.2. 3.3. 3.4. 3.5. 3.6. 3.7. 3.8. 3.9. 3.10. 3.11. 3.12. 3.13. 3.14. Tên hình Trang Mô hình mô phỏng độ ẩm của một lô Nhiệt độ tức thời của giấy Nhiệt độ trung bình của giấy Độ ẩm tức thời của giấy Độ ẩm trung bình của giấy Đáp ứng của độ ẩm với công suất nhiệt sấy từ hơi Đáp ứng của độ ẩm đối với gió vào Đáp ứng độ ẩm với nhiễu độ ẩm đầu vào Sơ đồ khối hệ điều khiển độ ẩm đƣợc xây dựng trên Matlab Đáp ứng của hệ điều khiển sấy Sơ đồ khối hệ điều khiển Zerolevel xây dựng trên Matlab Đáp ứng hệ điều khiển cân bằng gió vào – ra (Zero-level) Đáp ứng với thay đổi lƣợng đặt ∆Td =±10% Cấu trúc điều khiển tổng quát Mô hình tháp trộn bột giấy Cấu trúc Mid-ranging đơn. Giá trị đặt u2 là độ sai lệch của bộ điều khiển P, và Hc(s) thƣờng đƣợc chọn là bộ điều khiển PI Cấu trúc điều khiển vị trí van Cấu trúc điều khiển Mid-ranging hỗn hợp Cấu trúc điều khiển Mid-range MPC Cấu trúc mạch vòng điều khiển áp suất hơi sử dụng bộ điều khiển PID Đáp ứng của mạch vòng điều khiển áp suất hơi với giá trị đặt độ ẩm 8% Cấu trúc điều khiển Mid-ranging đƣợc sử dụng cho lô sấy Cấu trúc điều khiển IMC với mạch vòng hở Sơ đồ cấu trúc vòng kín IMC Sơ đồ khối điều khiển Mid-ranging cho lô sấy khi không có tác động của nhiễu xây dựng trên Matlab Đáp ứng của cấu trúc điều khiển Mid-ranging với giá trị đặt độ ẩm 8% khi không nhiễu Sơ đồ khối điều khiển Mid-ranging cho lô sấy khi có tác động của nhiễu xây dựng trên Matlab Đáp ứng của cấu trúc điều khiển Mid-ranging với giá trị đặt độ ẩm 8% khi có nhiễu 31 31 32 32 32 33 34 34 35 36 37 37 38 40 42 43 43 44 45 46 46 47 48 48 51 51 52 52 1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Độ ẩm của tờ giấy là một thông số rất quan trọng quyết định đến sự vận hành của quá trình xeo giấy, nếu độ ẩm không đƣợc điều khiển một cách hợp lý giấy sẽ bị đứt, hoặc cháy làm quá trình sản xuất giấy bị gián đoạn gây ảnh hƣởng đến năng suất. Đồng thời nó là một trong những tiêu chí để đánh giá chất lƣợng giấy. Độ ẩm của tờ giấy đƣợc quyết định trong nhà máy xeo giấy mà quan trọng nhất là công đoạn sấy trong buồng sấy. Trong công đoạn sấy để đảm bảo độ ẩm giấy, ngƣời ta điều khiển hai thông số: Công suất nhiệt hơi bão hòa cấp cho lô (gọi là sấy tiếp xúc); Công suất nhiệt gió nóng cấp cho buồng sấy (gọi là sấy đối lƣu). Ngoài nhu cầu cấp nhiệt còn bị ảnh hƣởng rất lớn của thông số môi trƣờng trong buồng sấy, nhƣ: Điều khiển gia nhiệt gió nóng cấp vào buồng, nhiệt độ điểm sƣơng đảm bảo môi trƣờng không khí trong buồng sấy sao cho nƣớc trong giấy có đủ điều kiện bay hơi và cân bằng gió vào – ra đảm bảo tổn thất nhiệt ít. Vì vậy việc nâng cao chất lƣợng và năng suất của sản phẩm giấy là một yếu tố quan trọng để thực hiện thu hồi vốn nhanh và phát huy hiệu quả trong sản xuất kinh doanh. Một trong những yếu tố quan trọng mà ngƣời ta quan tâm đến khi đánh giá chất lƣợng sản xuất giấy (độ ẩm của tờ giấy thành phẩm). Và quá trình điều khiển khâu sấy đóng vai trò quan trọng trong việc điều khiển độ ẩm nhằm nâng cao chất lƣợng cũng nhƣ lợi nhuận của nhà máy. Trong những năm gần đây ngƣời ta dùng sấy đối lƣu (Sấy gió) theo công nghệ mới, có hệ điều khiển gió nóng kết hợp với điều khiển môi trƣờng sấy đã tăng đƣợc hiệu quả sấy, tiết kiệm đến 40% lƣợng hơi bão hòa và tăng tốc độ xeo lên 1,2 lần. Nghiên cứu sấy gió hiện nay đã đƣợc triển khai, nhƣng các công trình nghiên cứu về điều khiển chƣa nhiều, việc chỉnh định hệ điều khiển bằng thực nghiệm nên khi thay đổi thông số vận hành hoặc có nhiễu tác động, hệ hoạt động không chính xác gây khó khăn cho vận hành và ảnh hƣởng đến chất lƣợng giấy. Từ những lý do trên và trong khuôn khổ khóa Cao học, chuyên ngành Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa tại trƣờng Đại học Bách khoa Đà Nẵng, đƣợc sự tạo điều kiện giúp đỡ của nhà trƣờng, khoa Điện và giảng viên Tiến sĩ Phan Văn Hiền cùng Tiến sĩ Trần Kim Quyên, tác giả đã lựa chọn đề tài tốt nghiệp của mình là “Nghiên cứu ứng dụng bộ điều khiển Mid-ranging cho quá trình sấy giấy ”. 2. Mục tiêu nghiên cứu Xây dựng động học và cấu trúc điều khiển độ ẩm cho quá trình sấy giấy. Ứng dụng bộ điều khiển Mid-ranging cho quá trình sấy giấy để nâng cao chất lƣợng sản phẩm. 2 3. Đối tƣợng, phạm vi nghiên cứu * Đối tƣợng nghiên cứu: Điều khiển độ ẩm cho buồng sấy giấy trong dây chuyền Xeo giấy * Phạm vi nghiên cứu: Động học và ứng dụng bộ điều khiển Mid-ranging cho buồng sấy giấy. 4. Phƣơng pháp nghiên cứu - Khảo sát thực tế tại nhà máy giấy. - Nghiên cứu các tài liệu liên quan đến công nghệ sấy giấy. - Nghiên cứu các công trình công bố tới sấy giấy. - Xây dựng động học và điều khiển cho hệ sấy giấy. - Ứng dụng bộ điều khiển Mid-ranging cho buồng sấy giấy. - Mô hình hóa mô phỏng đánh giá chất lƣợng bộ điều khiển. 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn * Ý nghĩa khoa học: Xây dựng đƣợc động học và điều khiển quá trình sấy giấy trong dây chuyền xeo giấy. Ứng dụng bộ điều khiển Mid-ranging để điều khiển độ ẩm cho buồng sấy giấy. * Ý nghĩa thực tiễn: Ứng dụng bộ điều khiển Mid-ranging cho buồng sấy sẽ tiết kiệm đƣợc nguyên, nhiên liệu, nâng cao chất lƣợng điều khiển từ đó góp phần nâng cao chất lƣợng sản phẩm giấy đầu ra. 6. Cấu trúc luận văn Ngoài phần mở đầu, kết luận và phụ lục thì kết cấu luận văn bao gồm 4 chƣơng: Chƣơng 1: Tổng quan về công nghệ sấy trong dây chuyền Xeo giấy Chƣơng 2: Động học và điều khiển quá trình sấy giấy Chƣơng 3: Xây dựng bộ điều khiển Mid-ranging cho buồng sấy giấy 3 CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ SẤY GIẤY TRONG DÂY CHUYỀN XEO GIẤY 1.1. TÓM TẮT CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT GIẤY Trên Hình 1.1 trình bày tóm tắt các công đoạn công nghệ sản xuất giấy [7],[8],[27]. Xử lý nguyên liệu Nấu bột Rửa, sàng Tẩy trắng SẤY Ép ƣớt Phun bột Nghiền Ép quang Cuốn Cắt cuộn Giấy thành phẩm Hình 1.1. Sơ đồ các công đoạn sản xuất giấy 1.1.1. Công đoạn xử lý nguyên liệu Hình 1.2. Bãi nguyên liệu Nguyên liệu đầu vào chủ yếu là tre, nứa và gỗ. Tre nứa đƣợc đƣa từ bãi chứa vào băng chuyền và đƣợc rửa sạch trƣớc khi đƣa vào máy chặt. Tại đây tre nứa đƣợc băm thành các mảnh nhỏ có kích thƣớc theo tiêu chuẩn. Các mảnh đƣợc đƣa vào hệ thống rửa và qua băng tải đến sân chứa mảnh. Gỗ đƣợc đƣa đến bộ phận bóc vỏ bằng băng tải xích. Gỗ sau khi đã bóc vỏ đƣợc rửa sạch rồi đi vào máy chặt mảnh. Mảnh gỗ sau khi chặt có kích thƣớc theo tiêu chuẩn. Mảnh gỗ đƣợc đƣa qua sàng chọn và đƣa ra sân chứa bằng băng tải. 4 Mảnh tre nứa và gỗ đƣợc đƣa vào nồi nấu bởi hệ thống thổi mảnh. Tùy theo yêu cầu đơn đặt hàng của khách mà có tỷ lệ tre nứa và gỗ khác nhau. 1.1.2. Công đoạn nấu bột Bột đƣợc sản xuất theo phƣơng pháp sunphat có thu hồi hóa chất. Nguyên liệu đƣợc nấu trong 3 nồi có hình trụ đứng. Thời gian để hoàn thành một chu kỳ nấu khoảng 240 phút kể cả thời gian nạp mảnh. Bột sau khi nấu xong đƣợc chuyển sang bể phóng. Từ đây bột đƣợc chuyển qua máy đánh tơi và đƣợc đƣa đến bộ phận rửa. Năng suất nấu bột khoảng 150 tấn/ngày. 1.1.3. Công đoạn rửa, sàng Sau khi đƣợc đánh tơi, bột đƣợc đƣa tới 4 máy rửa lọc chân không. Hệ thống rửa lọc chân không có cấu tạo lô hình trụ, đƣợc tạo chân không bởi sự chênh lệch áp suất. Bên trong lô có hệ thống các đƣờng ống dẫn nƣớc. Trên bề mặt lô đƣợc chia làm nhiều ngăn và có các ống dùng để dẫn dịch. Quy trình hoạt động của hệ thống rửa nhƣ sau: Lô rửa đƣợc quay tròn đều. Trong quá trình quay, nƣớc dùng để rửa bột sẽ theo các ống dẫn đƣợc đƣa vào trong lô. Do trên bề mặt của lô có các lỗ nên sẽ tạo ra sự chênh lệch áp suất ở bên trong lô và bên ngoài lô. Do đó, tạo ra chân không ở bên trong lô. Nhờ sự chênh lệch áp suất nên bột sẽ bám dần trên bề mặt của lô. Sau đó, dùng nƣớc để rửa. Sau khi rửa bột, bột sẽ rơi xuống hệ thống xoắn vít tải. Từ đây, bột sẽ tới các bể chứa và từ các bể chứa này, bột đƣợc đƣa lên hệ thống rửa tiếp theo. Hệ thống bao gồm 4 máy rửa và bột đƣợc đƣa từ máy thứ nhất đến máy thứ 4. Quá trình rửa ở các máy diễn ra nhƣ nhau.Trong quá trình rửa, nƣớc dùng để rửa sẽ đƣợc dẫn từ máy rửa thứ 4 lần lƣợt quay trở lại máy thứ 3, 2 và 1 do nƣớc còn sạch. Bột đen sau khi đã rửa sạch đƣợc đƣa qua hệ thống sàng gồm 2 sàng áp lực, 1 sàng thu và 3 giai đoạn lọc cát. Trong quá trình này, các mấu mắt tre, nứa hoặc bột sống sẽ đƣợc loại khỏi bột chín, dẫn xuống sàng cô đặc và xuống vít tải thải ra ngoài. Bột chín đƣợc đƣa tới các bể chứa và chuẩn bị cho công đoạn tẩy trắng. Sau khi đƣợc đánh tơi, bột đƣợc đƣa tới 4 máy rửa lọc chân không. Hệ thống rửa lọc chân không có cấu tạo lô hình trụ, đƣợc tạo chân không bởi sự chênh lệch áp suất. Lô có đƣờng kính d=3,5m có chiều dài là 4,5m. Bên trong lô có hệ thống các đƣờng ống dẫn nƣớc. Trên bề mặt lô đƣợc chia làm nhiều ngăn và có các ống dùng để dẫn dịch. Trong các ngăn có các tấm sàng và các lỗ mắt sàng. 1.1.4. Công đoạn tẩy trắng bột Bột đƣợc Clo hóa bởi Cl2. Sau đó, bột đƣợc kiềm hóa để loại bỏ hợp chất màu Clorarlignin ra khỏi bột. Sau khi kiềm hóa, bột đƣợc tẩy tiếp bởi Nacl để đạt độ trắng theo yêu cầu khoảng 74 - 78%. Để bột có độ trắng đồng đều theo yêu cầu phải thực hiện quy trình tẩy trắng phức tạp, duy trì thích hợp các yếu tố nồng độ bột, mức tỉ lệ hóa chất tẩy, nhiệt độ, thời gian và độ pH. 5 Bột sau khi tẩy trắng đƣợc đƣa vào bể chứa để chuẩn bị cho quá trình nghiền bột. Sau khi nghiền, bột đƣợc pha trộn với các phụ gia nhƣ: cao lanh, nhựa thông, phèn và một số hóa chất khác tùy theo yêu cầu của sản phẩm. Bột đã pha trộn phụ gia trong bể chứa sau đó đƣợc đƣa qua hệ thống phụ trợ rồi đƣa tới hòm phun bột bắt đầu quá trình sản xuất giấy. 1.1.5. Xeo giấy Xeo giấy tạo ra giấy từ bột, qua các công đoạn nhƣ Hình 1.3. Trƣớc khi vào máy xeo, bột giấy đƣợc đƣa qua hệ thống nghiền để tăng diện tích tiếp xúc, tăng khả năng liên kết giữa các sớ sợi với nhau. Sau khi nghiền, bột đƣợc pha trộn với các phụ gia khác nhau tùy theo yêu cầu của sản phẩm. Bột đã pha trộn phụ gia trong bể chứa sau đó đƣợc đƣa qua hệ thống phụ trợ: Sàng áp lực, lọc cát và các thành phần khác có ảnh hƣởng đến tờ giấy rồi đƣợc đƣa tới hòm phun bột, bắt đầu quá trình sản xuất giấy. Hình 1.3. Sơ đồ sản xuất giấy 1.1.5.1. Hòm phun bột Chức năng chính của hòm phun bột (Hình 1.4) là phân phối đều hỗn hợp bột theo chiều ngang của luới xeo thông qua môi phun. Phun và chải bột đều trơn tru lên bề mặt theo chiều rộng của luới xeo Ổn định nồng độ bột theo chiều ngang của máy xeo. Ổn định tốc độ theo huớng máy chạy. Tạo nên sự xáo trộn để tránh sự vón cục của xơ sợi. Phun đều từ miệng của vòi phun và tiếp xúc với luới. Hình 1.4. Cấu tạo hòm phun bột 6 1.1.5.2. Bộ phận lưới Ban đầu tất cả quá trình thoát nƣớc đều dựa vào ảnh hƣởng của trọng lực và các trục phụ đƣợc thêm vào chỉ để giữ lƣới nằm ngang nhƣng cũng là nguyên nhân làm mòn lƣới. Ngày nay các thiết bị tách nƣớc đƣợc ứng dụng và đặt phía dƣới lƣới, với mục đích tăng hiệu quả tách nƣớc đồng thời còn điều chỉnh mức độ kết tụ của xơ sợi trong băng giấy đã hình thành. Việc bố trí dòng bột phun lên lƣới và việc thoát nƣớc ban đầu là quan trong nhất, nó quyết định tới lƣợng nƣớc thoát ra và chất lƣợng của sản phẩm. Dòng bột phun ra bắt đúng vị trí lƣới xeo phía trƣớc tấm trợ hình thành. Nếu dòng phun lên lƣới mà ở ngay phía đầu của tấm trợ hình thành cho nƣớc thoát ra rất nhanh gây ảnh hƣởng không tốt hoặc có thể làm hỏng sự hình thành của băng giấy. Ngƣợc lại không khí sẽ chui vào huyền phù bột và làm xáo trộn sự hình thành nếu dòng bột phun lên lƣới ở vị trí đỉnh của tấm hình thành. 1.1.6. Bộ phận ép Nhiệm vụ chính của bộ phận ép là tách nƣớc ra khỏi giấy, tăng độ bền và độ nhẵn của băng giấy; đồng thời bộ phận ép còn có nhiệm vụ dẫn băng giấy đến bộ phận sấy. Băng giấy ƣớt đƣợc chuyển trực tiếp từ lƣới tới trục ép hút chân không đƣợc bọc chăn của tổ ép 1. Chức năng quan trọng của lƣới ép là chống tạo vết trên băng giấy. Từ tổ ép 1, băng giấy đƣợc chuyển tới bộ phận ép lƣới ở tổ ép 2. Tổ ép 2 gồm lƣới nhựa giữa chăn ép và trục ép phía dƣới nhằm giảm áp suất thủy tĩnh trong tuyến ép. Từ chăn ép 2, băng giấy đƣợc chuyển tới tổ ép 3 qua một khoảng kéo hở. Tổ ép này không có chăn nên không có nhiệm vụ tách nƣớc mà chỉ làm cho băng giấy nhẵn và phẳng hơn. 1.1.7. Bộ phận sấy và ép nóng Khi băng giấy rời bộ phận ép ƣớt có độ ẩm khoảng 50% và nhiệt độ từ 25 - 30oC. Trong bộ phận sấy lƣợng nƣớc còn lại đƣợc tách ra bằng phƣơng pháp bay hơi. Sấy là quá trình sử dụng nhiệt năng của hơi nƣớc bão hòa trong lòng lô sấy để cấp nhiệt cho giấy kết hợp với gió nóng thổi vào buồng sấy làm bay hơi nƣớc có trong băng giấy. Sau quá trình sấy trƣớc, băng giấy đƣợc đƣa qua bộ phận ép keo. Chức năng của khâu ép keo là phủ lớp keo lên bề mặt giấy, tăng độ bóng, độ dai, bịt các lỗ trên bề mặt băng giấy. Sau khâu ép keo, băng giấy đi tới hệ thống sấy sau. 1.1.8. Bộ phận ép quang Bộ phận ép quang gồm hai lô quay tiếp xúc với nhau. Máy ép quang sẽ đảm bảo độ đồng đều, độ nhẵn bóng bề mặt làm tăng độ bền kéo, độ chịu bục và thấm khí của tờ giấy. 7 Hình 1.5. Bộ phận ép quang 1.1.9. Bộ phận cuốn và cắt cuộn Hình 1.6. Bộ phận cuốn và cắt cuộn Băng giấy hình thành sau ép quang đƣợc cuộn lại vào lô cuốn kim loại Hình 1.6. Các cuộn giấy đƣợc chuyển sang bộ phận máy cuộn và cắt thành những cuộn giấy thành phẩm có khổ khác nhau tùy theo đơn đặt hàng. 1.1.10. Giấy thành phẩm Từ các cuộn giấy lớn, giấy đƣợc chuyển sang phân xƣởng hoàn thành để gia công thành các sản phẩm theo đặt hàng: Giấy khổ A3, giấy RAM A4, vở học sinh… 8 1.1.11. Các chỉ tiêu chất lƣợng của giấy thành phẩm Bảng 1.1. Các chỉ tiêu chất lượng của giấy thành phẩm Thứ STT Tên chỉ tiêu Mức chỉ tiêu nguyên Định lƣợng g/m2 52; 55; 58; 60; 70; 80 Định Chuẩn 1 lƣợng 584 < 7061 Sai số cho phép g/m2 5245861 70412062 Kg/m3 660 Độ ẩm % (5-7) ± 10% 4 Độ trắng không nhỏ hơn % 84 5 Độ hút nƣớc không nhỏ hơn g/m2 30 6 Độ đục không nhỏ hơn % 7 Độ nhám trung bình không lớn hơn 8 Độ tro không nhỏ hơn 9 Chỉ số bền kéo trung bình hai hƣớng không nhỏ hơn Nm 33 10 Độ bụi không lớn hơn ppm 20 11 Keo bề mặt (nếu có) % 243 2 Độ chặt không nhỏ hơn 3 76 ml/Ph % 81 350 8 16 Phƣơng pháp thử TCVN 1270 TCVN 3652 TCVN 1867 TCVN 1865 TCVN 6726 TCVN 6728 TCVN 3226 TCVN 1864 TCVN 1862 TCVN 1868 TCVN 7069 1.2. SẤY HƠI VÀ HỆ ĐIỀU KHIỂN SẤY HƠI 1.2.1. Cấu tạo lô sấy Tờ giấy đƣợc lƣới sấy ép sát vào thành lô sấy, khi lƣới sấy tiếp xúc với tờ giấy, lƣợng ẩm chuyển qua chăn một phần là nƣớc phần còn lại là hơi bởi vì sự chênh lệch áp suất hơi giữa lƣới và giấy. Lƣới sấy có nhiệt độ thấp hơn tờ giấy vì vậy nhiệt ngƣng tụ của hơi sấy tăng lên, làm nhiệt độ lƣới tăng lên và một lƣợng hơi sẽ phân tán trực tiếp qua lƣới. Lƣới sấy đƣợc ép sát vào lô sấy nhờ lô căng. Trong quá trình sấy, một phần nƣớc đƣợc chuyển qua lƣới, một phần thoát ra ở khoảng cách giữa các lô Hình 1.7. 9 Hình 1.7. Cấu tạo lô sấy giấy Hình 1.8. Cấu trúc vỏ lô sấy 1.2.2. Nguyên lý điều khiển công suất sấy Trong dây chuyền xeo, hệ thống sấy, ngƣời ta chia ra các nhóm lô sấy để cấp hơi. Khi thiết kế, theo cân bằng năng lƣợng ngƣời ta tính toán đƣợc công suất nhiệt sấy cần cấp cho lô: Qn  WsC ps Ts (1.1) Trong đó: Qn (kW): Công suất nhiệt cấp cho lô. Ws (kg/s): Lƣu lƣợng hơi cấp cho lô. Cps (kJ/kg.K): Nhiệt dung riêng của hơi cấp cho lô. Ts (K): Nhiệt độ hơi cấp cho lô. Công suất nhiệt sấy đƣợc điều chỉnh bởi thông số lƣu lƣợng hơi, thông qua điều chỉnh độ mở của van [5], ta có: 1 Ws  Cv m% (1.2) P Trong đó: Cv là độ dẫn cực đại của van. m% độ mở của van điều chỉnh. P  PN  PL là chênh lệch áp giữa áp suất tổng PN và áp suất đầu vào lô PL đƣợc điều khiển giữ không đổi theo lƣợng đặt. 10 Ống nƣớc ngƣng Hình 1.9. Cấu trúc điều khiển độ ẩm cho các nhóm lô giấy Giả thiết áp suất hơi tổng PN, nhiệt dung riêng và nhiệt độ hơi cấp cho lô là không đổi. Điều chỉnh công suất sấy hơi bằng điều khiển lƣu lƣợng thông qua mạch vòng điều khiển chênh áp ∆P, có cơ cấu chấp hành là Van. Khi lƣợng đặt chênh áp nhỏ, lƣu lƣợng lớn tức là công suất sấy lớn và ngƣợc lại Hình 1.10. Trên Hình 1.9 là cấu trúc điều khiển công suất sấy hơi. Ứng với từng nhóm lô ta đặt chênh áp tƣơng ứng với giá trị đặt độ ẩm theo thứ tự các nhóm lô theo quan hệ hàm f(x) [8] (là quan hệ giữa độ ẩm và chênh áp đƣợc tính theo công thức): f n  kn r  mn  kn  1 Với  0  k n  1 Khi mn < 0 Khi mn = 0 (1.3) Trong đó: r: là giá trị đặt từ bộ điều khiển độ ẩm. kn: là hệ số tỷ lệ. n: là chỉ số thể hiện số nhóm sấy. Trên Hình 1.10 biểu diễn lƣợng đặt chênh áp theo các nhóm lô. Khi giấy vào đoạn đầu của buồng sấy, giấy có độ ẩm lớn, cần lƣu lƣợng hơi vào lô nhiều nhất, hay chênh áp giữa đƣờng áp suất tổng với áp suất trong lô là nhỏ nhất. Cuối buồng sấy, độ ẩm của giấy giảm, chênh áp lớn, giảm lƣu lƣợng hơi cấp vào lô, công suất nhỏ.