带有密闭气罩的纸机干燥部能耗优化控制研究

摘要

目前，制约我国造纸工业发展的主要因素是环境污染和能源紧缺问题，在日益激烈的市场竞争和严格的节能减排政策双重压迫下，造纸企业不得不走清洁生产、节能减排的道路。带有密闭气罩的纸机干燥部蒸汽冷凝水系统和通风系统的运行状态与节能效果有很大的关系。然而，长期以来，大多数研究工作主要集中在蒸汽冷凝水系统，却忽视了通风系统对干燥部能耗的影响。本文在陕西省科技统筹创新工程计划项目(2012KTCQ01-19)的赞助下对影响纸机干燥部能耗的因素、能耗分布情况进行了系统地研究之后，提出了干燥部能耗优化方案，重点研究了通风系统的能耗模型，通过对参数优化来降低干燥部能耗，同时设计出干燥部自动控制系统，进一步降低干燥部能耗。论文的主要研究工作可总结为如下四个方面:
　　(1)带有密闭气罩的纸机干燥部能耗优化方向的分析。根据纸幅干燥过程将干燥部分为蒸汽冷凝水系统和通风系统，进而分析蒸汽冷凝水系统和通风系统的能耗分布特点以及影响因素。对蒸汽冷凝水系统而言，供汽方式一定和烘缸没有积水时，其能耗是恒定的;而对于通风系统，送风温湿度、排风温湿度以及送风量排风量的变化都会导致系统能耗有较大的变化。因此，本文是通过优化通风系统参数来降低干燥部能耗。
　　(2)通风系统能耗数学模型的建立。通过通风系统的物料衡算，建立通风系统的送风温度与系统能耗费用之间的能耗优化数学模型，并通过遗传算法求解出最优送风温度值，从而保证系统能耗费用最低。
　　(3)通风系统控制策略的设计。分析通风系统零位、排风露点、送风温度变化对能耗的影响以及它们与送风量、排风量、排风温湿度之间的关系。通过以排风量、送风量差和排风温度为控制变量，设计了零位前馈反馈控制策略;以排风温湿度为控制变量，设计了排风温湿度选择控制系统来对排风露点进行控制;根据送风温度加热过程设计了分程控制策略。
　　(4)干燥部能耗优化控制系统的实现。以西门子S7-300系列的PLC为硬件开发平台，西门子的WinCC6.0和Step7为软件开发平台，组成三级DCS控制系统。在基本级，设置压力、液位、流量、温度等子控制系统，以保证干燥过程的正常进行。在联动级，将各个小单元联系起来，以适应产量的变化及工艺参数的修改，增加系统的柔性。在优化级，实现干燥过程能耗优化，保证干燥过程的能耗费用最低。
　　本文研究内容已经在四川绵竹的一条造纸生产线上得到应用，应用结果表明:本文提出的能耗优化方法以及设计的控制系统均具有一定的可行性，能有效的降低纸机干燥部能耗。

目录

摘要

1 绪论

1．1 课题研究的背景与意义

1．1．1 我国造纸工业能耗状况

1．1．2 纸机干燥部能耗优化控制研究的必要性

1．1．3 课题研究的意义

1．2 纸机干燥部能耗研究概况

1．2．1 纸机干燥部能耗研究现状

1．2．2 纸机干燥部能耗研究发展方向

1．3 本文主要研究内容及章节安排

2 纸机干燥部组成及工作原理

2．1 干燥部的作用和组成

2．2 烘缸干燥原理

2．2．1 烘缸干燥区

2．2．2 干燥方式和干燥过程

2．2．3 干燥过程机理

2．2．4 干燥温度曲线

2．3 干燥部蒸汽冷凝水系统

2．3．1 蒸汽冷凝水系统主要组成

2．3．2 蒸汽冷凝水系统工作原理

2．4 干燥部通风系统

2．4．1 通风系统主要组成

2．4．2 通风系统工作原理

2．5 干燥部气罩简介

2．5．1 气罩的起源与发展

2．5．2 气罩的类型及特点

3 带有密闭气罩的纸机干燥部能耗分析

3．1 纸机干燥部热力系统主要参数计算

3．1．1 蒸汽冷凝水系统主要参数计算

3．1．2 通风系统主要参数计算

3．2 影响蒸汽冷凝水系统能耗的主要因素

3．2．1 供汽方式

3．2．2 烘缸积水

3．3 影响通风系统能耗主要因素

3．3．1 送风温度

3．3．2 排风温度

3．3．3 送风湿度

3．3．4 排风湿度

3．3．5 袋区湿度

3．4 纸机干燥部能耗优化方向

4 通风系统能耗优化

4．1 通风系统建模

4．1．1 问题描述

4．1．2 能耗模型建立

4．2 模型求解

4．2．1 本文采用遗传算法的原因

4．2．2 遗传算法的设计

4．3 能耗模型的应用

4．3．1 基本参数的测量

4．3．2 优化前后能耗的比较与讨论

5 通风系统控制策略研究

5．1 气罩零位控制策略

5．1．1 被控对象描述

5．1．2 零位前馈反馈控制

5．2 气罩排风露点控制策略

5．2．1 被控对象描述

5．2．2 排风温湿度选择控制

5．3 送风温度控制策略

5．3．1 被控对象描述

5．3．2 气罩热风风温分程控制算法

6 基于S7-300纸机干燥部控制系统的实现

6．1 纸机干燥部控制要求

6．2 控制系统设计

6．2．1 控制系统硬件设计

6．2．2 控制系统软件设计

6．2．3 控制系统调试

7 总结与展望

7．1 全文工作总结

7．2 未来工作展望

致谢

参考文献

附录：干燥部硬件设备清单

攻读硕士学位期间发表的论文及专利

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