（控制理论与控制工程专业论文）基于热泵的蒸汽冷凝水热力控制系统研究.pdf

s t u d yo ns t e a mc o n d e n s a t e c o n t r o ls y s t e mb a s e do ns t e a me j e c t o r at h e s i ss u b m i t t e dt o s h a a n x iu n i v e r s i t yo fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y i np a r t i a lf u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n tf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g b y 【丕塾塑望g i 翌g 坚q ) t h e s i ss u p e r v i s o r ：p r o f e s s o r ( t a n gw e i ) m a y , 2 0 1 0 基于热泵的蒸汽冷凝水热力控制系统研究 摘要 纸机干燥部是造纸生产中比较重要的环节，面对当今社会能源紧缺现 象，实现干燥部节能降耗已经成为造纸业关注的主要问题之一。在很长一段 时间里，由于对纸机蒸汽冷凝水热力控制系统分析不够，导致纸机干燥效率 比较低，蒸汽浪费现象严重，为此，国内外在供汽系统研究上投入了大量成 本，供汽系统从最初的单段供汽发展到多段供汽系统。自从喷射器问世以来， 国内外开始研究将喷射式热泵应用到蒸汽冷凝水热力控制系统中，然而在热 泵供汽中采取的供汽控制方案存在问题，国外成熟方案成本较高等原因，导 致热泵供汽控制系统在国内应用并不成功。对于整个供汽控制系统中控制方 案的设计和有效的控制算法研究是使用基于热泵的蒸汽冷凝水热力控制系 统基础，所以分析总结一整套热泵供汽控制系统的设计方案，以提高热泵的 节能效果。本文的主要工作总结如下： ( 1 ) 通过分析国内外各种供汽控制系统中的每个环节，总结各种蒸汽 冷凝水热力控制系统的优缺点。 ( 2 ) 针对纸机蒸汽冷凝水热力控制系统设计比较复杂的特点，总结纸 张在干燥过程中的相关参数，提出了纸机热力平衡计算的方法，开发了基于 m a t l a b 工具箱中的g u 界面的热力平衡计算软件。 ( 3 ) 分析了在蒸汽冷凝水热力控制系统中采取的已有控制方案和控制 算法，结合一种基于继电反馈自整定p i d 控制算法，提出了在线自整定p i d 控制器参数的方法。利用西门子3 0 0 p l c 的软件包s 狙7 ，结合已有的 蒸汽冷凝水热力控制系统中参数，编程实现在线白整定p i d 控制器参数。 ( 4 ) 研究喷射式热泵在蒸汽冷凝水热力控制系统中的主要作用，收集 相关的理论和结构设计参数，以气体动力学为基础，总结热泵的喷射系数和 热泵的关键部件的尺寸，设计了基于g u i 的热泵尺寸设计界面。 ( 5 ) 以实际的基于西门子p l c 蒸汽冷凝水热力控制系统项目为基础， 总结了实践项目中热泵控制系统的特点，提出一种新型蒸汽冷凝水热力控制 系统方案，编制相应的基于3 0 0 p l c 控制算法程序。力控制系统方案，编制 相应的基于3 0 0 p l c 控制算法程序。 关键词：热泵，热力平衡计算，g u i 界面，自整定算法，供汽控制系统 s t u d yo ns t e a mc o n d e n s a t et h e r m a l c o n t r o ls y s t e mb a s e do ns t e a me j e c t o r a bs t r a c t t h e p a p e rm a c h i n ed r y e rs e c t i o ni so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tl i n k si np a p e r p r o d u c t i o n a se n e r g ys h o r t a g ep h e n o m e n o ni sm o r ea n dm o r es e r i o u si nm o d e m s o c i e t y , h o wt oa c h i e v ee n e r g y s a v i n ga td r y e rs e c t i o nh a sb e c o m eo n eo ft h e m a i ni s s u e sc o n c e m e db yp a p e r - m a k i n gi n d u s t r y f o ral o n gp e r i o do ft i m e ， b e c a u s eo ft h es t e a mc o n d e n s a t et h e r m a lc o n t r o ls y s t e mt e c h n o l o g ya n dc o n t r o l s y s t e m sa n a l y s i si sn o te n o u g h ，al o to fc o s ti sp u ti nt h es t u d yo fp a p e rm a c h i n e s t e a mc o n d e n s a t i o no nt h et h e r m a lc o n t r o ls y s t e ma th o m ea n da b r o a d s t e a m s u p p l yc o n t r o ls y s t e md e v e l o p e df r o mt h ei n i t i a ls i n g l e s t a g es t e a ms u p p l yt ot h e m u l t i s t a g es t e a ms u p p l y a f t e rt h er a i s e do fs t e a mj e tp u m p ，i ti sa p p l i e dt ot h e p a p e rm a c h i n ed r y e rs e c t i o no ft h es t e a mc o n d e n s a t et h e r m a lc o n t r o ls y s t e ma t h o m ea n da b r o a d h o w e v e r b e c a u s et h e r ee x i s t e ds o m ep r o b l e m si nt h e a p p l i c a t i o no fs t e a mj e tf o rs t e a mc o n d e n s a t et h e r m a lc o n t r o ls y s t e m ，a n dt h e c o s to f m a t u r ep r o g r a m su s e db yf o r e i g nf a c t o r i e si st o oh i g h ，t h ea p p l i c a t i o no f s t e a mje tp u m pf o r t h es t e a mc o n t r o ls y s t e mi nd o m e s t i cw a sn o ts u c c e s s f u l f o r t h ew h o l ec o n t r o ls y s t e m ，s t e a mc o n t r o lp r o g r a md e s i g na n de f f e c t i v ec o n t r o l a l g o r i t h mi nt h ea p p l i c a t i o no fs t e a ms u p p l ys y s t e mi st h ef u n d a m e n tt ou s e s t e a m b a s e d h e a tp u m pc o n d e n s a t e b a s e dt h e r m a lc o n t r o l s y s t e m ，s o i ti s e s s e n t i a lt oa n a l y s i sas e to fh e a tf o rt h es t e a mc o n t r o ls y s t e md e s i g n ，w h i c hc a n i m p r o v et h eh e a tp u m pe n e r g y s a v i n ge f f e c t t h ep a p e rs t u d i e dt h et h e r m a l c o n t r o ls y s t e mo fc o n d e n s a t ef r o mt h ef o l l o w i n ga s p e c t s ： ( 1 ) b ya n a l y z i n ge a c hl i n ko fav a r i e t yo fs t e a ms u p p l yc o n t r o ls y s t e m a p p l i e da th o m ea n da b r o a d ，w es u m m e du pt h es t e a mc o n d e n s a t ev a r i o u s a d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so f t h e r m a lc o n t r o ls y s t e m ( 2 ) f o rt h ep a p e rm a c h i n es t e a mc o n d e n s a t et h e r m a lc o n t r o ls y s t e md e s i g n i st o oc o m p l e x ，t h er e l e v a n tp a r a m e t e r so ft h ep a p e ri nt h ed r y i n gp r o c e s sa r e s u m m a r i z e d ，h e a tb a l a n c ec a l c u l a t i o nm e t h o di sp r o p o s e d i no r d e rt or e d u c et h e b u r d e no nt h ed e s i g na n dv i s u a l i z e dt h ew h o l ec a l c u l a t ep r o c e s s ，h e a tb a l a n c e c a l c u l a t i o ns o f t w a r ei sd e v e l o p e db a s e do nm a t l a bt o o l b o xg u ii n t e r f a c e i i ( 3 ) b ya n a l y z i n gt h ep r o g r a ma n dc o n t r o la l g o r i t h mu s e di nt h es t e a m c o n d e n s a t et h e r m a lc o n t r o ls y s t e m ，i nc o m b i n a t i o nw i t har e l a yb a s e do n f e e d b a c kf r o mt h e t u n i n gp i dc o n t r o la l g o r i t h m ，o n l i n es e l f - t u n i n gp i d c o n t r o l l e r p a r a m e t e r s m e t h o di sp r o p o s e d b yu s i n gt h es i e m e n s3 0 0 p l c p a c k a g e s t e p 7 ，j o i n tw i t ht h ee x i s t i n gs t e a mc o n d e n s a t et h e r m a lc o n t r o l s y s t e mp a r a m e t e r s ，t h em e t h o do fo n l i n es e l f - t u n i n gp i d c o n t r o l l e rp a r a m e t e r si s p r o g r a m m e d ( 4 ) t h em a j o rr o l eo fs t e a mj e tp u m pi ns t e a mc o n d e n s a t et h e r m a lc o n t r o l s y s t e m i s s t u d i e d ，a f t e rc o l l e c t i n gt h er e l e v a n tt h e o r ya n ds t r u c t u r a ld e s i g n p a r a m e t e r s ，t h er e l e v a n tc o e f f i c i e n t sa n ds t e a mje tp u m p h e a tp u m p j e tt h es i z e o ft h ek e yc o m p o n e n t si ss u m m a r i z e db a s e do nt h eg a sd y n a m i c s a tl a s t ，t h e s i z eo f t h es t e a m j e tp u m p i sd e s i g n e db a s e do ng u i ( 5 ) b a s e do nt h ea c t u a ls i e m e n sp l cp r o j e c t so fs t e a mc o n d e n s a t et h e r m a l c o n t r o ls y s t e m ，s o m ec h a r a c t e r so fs t e a mj e tp u m pf o rs t e a ms u p p l ya r ep r o p o s e d t h e nan e ws t e a mc o n d e n s a t et h e r m a lc o n t r o ls y s t e mp r o g r a mr a i s e d ，t h ec o n t r o l a l g o r i t h m sb a s e do nt h ep r e p a r a t i o no ft h ec o r r e s p o n d i n g3 0 0 p l cp r o c e s sa r e p l a n t e d k e yw o r d s ：s t e a me j e c t o r ，h e a tb a l a n c ec a l c u l a t i o n ，g u ii n t e r f a c e ，s e l f t u n i n ga l g o r i t l m a ，s t e a ms u p p l yc o n t r o ls y s t e m 1 1 1 目录 摘要一i a b s t r a c t i i l 绪论1 1 1 研究动机1 1 1 1 造纸工业在国民经济中地位1 1 1 2 造纸工业能源利用现状1 1 1 3 纸机干燥部节能的意义2 1 2 纸机干燥部概述2 1 2 1 纸机干燥部干燥基本组成2 1 2 2 干燥部供汽系统的发展历程3 1 3 热泵供汽系统的主要设备及组成5 1 3 1 蒸汽喷射式热泵5 1 3 2 高效闪蒸罐6 1 3 3 烘缸排水装置虹吸管6 1 3 4 供汽系统的辅助设备7 1 4 热泵供汽系统研究意义及内容安排7 1 4 1 蒸汽喷射式热泵研究的意义7 1 4 2 课题研究的主要工作及内容安排8 2 供汽系统热力平衡分析及蒸汽喷射式热泵研究9 2 1 供汽系统热力平衡分析9 2 1 1 纸机生产能力的相关计算9 2 1 2 蒸发水量的计算l o 2 1 3 烘缸的设计1 0 2 1 4 耗热量的计算1 l 2 1 5 烘缸耗汽量的计算1 2 2 1 6 闪蒸蒸汽的计算1 2 2 1 7 管径的计算1 3 2 2 基于m a t l a bg u i 界面的热力平衡计算软件1 3 2 2 1 热力平衡计算软件需求和性能分析1 3 2 2 2 热力平衡计算g u i 界面的设计1 4 2 3 蒸汽喷射式热泵的结构研究与设计一18 2 3 1 蒸汽喷射式热泵的国内外研究动态1 8 2 3 2 蒸汽喷射式热泵的性能分析1 8 2 3 3 蒸汽喷射式热泵的喷射系数2 3 2 3 4 蒸汽喷射式热泵尺寸设计及界面编制2 5 2 3 5 蒸汽喷射式热泵尺寸设计案例2 9 3 常用热泵供汽控制系统及控制方案3 0 3 1 开式和闭式热泵供汽系统。3 0 3 1 1 开式热泵供汽控制系统3 0 3 1 2 闭式热泵供汽控制系统3 1 3 2 国内外热泵供汽系统3l 3 2 1 美国g a r d n e r 热泵供汽系统31 3 2 2 国家环保局南京环保所开发的热泵供汽系统3 3 。 3 2 3 国内其他热泵供汽控制系统的应用与分析3 5 3 3 常用热泵供汽控制方案及控制算法3 6 3 3 1 供汽控制方案3 7 3 3 - 2 自整定控制算法及在热泵供汽中应用4 0 4 基于热泵的供汽系统4 9 4 1 高强瓦楞纸热泵供气系统4 9 4 1 1 浙江华宇纸业热泵供汽控制系统4 9 4 1 2 西安兄弟纸业热泵供汽控制系统：51 4 2 新的蒸汽冷凝水热力控制系统方案5 3 4 2 1 国外热泵供汽系统单元控制策略5 3 4 2 2 新的蒸汽冷凝水热力控制单元5 5 4 2 3 新的热泵供汽单元实施5 8 5 总结与展望5 9 5 1 总结5 9 5 2 未来展望5 9 墅l 【谢。6 0 参考文献6 l 附录a ：部分m a t l a b 界面设计参考代码6 5 附录b ：自整定控制器的相关程序6 7 附录c ：新的热泵供汽系统烘缸压力控制程序代码7 3 附录d ：新的热泵供汽系统监控画面j 7 6 攻读学位期间发表的学位论文目录7 7 原创性声明及关于学位论文使用授权的声明7 8 基于热泵的蒸汽冷凝水热力控制系统研究 1 绪论 1 1 研究动机 1 1 1 造纸工业在国民经济中地位 造纸工业是一个与国民经济发展和社会经济建设息息相关的重要产业。在经济发达 国家纸及纸板消费量增长速度通常与其国内生产总值增长速度同步。造纸产业以木材、 竹、芦苇等原生植物纤维和废纸等再生纤维为原料，可部分替代一些不可再生资源，是 国民经济中具有可持续发展特点的重要产业，被国际上公认为“永不衰竭 的朝阳工业。 在美国、加拿大、日本、芬兰、瑞典等经济发达国家，造纸工业已成为其国民经济十大 支柱制造业之一。现代造纸工业的特点是不同于一般的日用消费品工业，而是技术、资 金、资源、能源密集型，规模效益显著，连续、高效生产的基础原料工业。 1 1 2 造纸工业能源利用现状 中国已成为世界纸产品的主要生产国和消费国，同时也是世界造纸产品主要进口国。 2 0 0 8 年，我国造纸量首次超越美国成为世界第一，其中纸和纸板的生产量达7 8 9 0 万吨， 美国的产量为7 9 6 0 万吨，在0 8 年中国造纸工业产值占国内生产总值1 5 ，拉动了整个 上下游产业。在0 9 年由于受国际金融危机影响，全年纸及纸板生产总量约为8 6 0 0 万吨 左右，增幅约为8 左右，纸及纸板生产增速有所减缓。另外由于节能减排和淘汰落后 产能政策实施，也导致国内的造纸产业出现了结构调整和产品升级的态势，整个造纸行 业在扩大规模同时，注重降低生产成本和提升行业产品技术含量。 现在影响着造纸工业发展的三大关键性问题是造纸原料、环境污染、能源。能源与 造纸工业关系极大，能源供需矛盾长期存在，纸业节能已成为人们关注的问题。据统计， 我国能源人均拥有量不足世界平均水平的1 2 ，天然气资源仅为世界人均的6 ，但单位 产值能耗却是世界平均水平的3 倍。目前我国国内生产总值只占全球总量的1 3 0 ，但消 耗能源总量却高于全球。我国单位产值所耗能源是美国的4 3 倍，德、法的8 倍，日本、 瑞士的1 1 倍。目前，美国装机容量8 亿干瓦，但内生产总值是中国的1 0 倍。到2 0 2 0 年，我国国内生产总值能源系数总效率仅约1 0 ，不及发达国家的l 2 ，另外9 0 的能源 在加工转换、储运和终端利用过程中损失和浪费了。能源低效率利用造成我国每年浪费 资源占国内生产总值的5 ，再加上“电荒”耽误企业正常生产，造成的损失占我国国 内生产总值的1 0 ，仅此两项，我国每年至少损失2 0 0 0 0 亿元。 另一方面，低能源使用效率还加剧了我国生态环境的污染。从2 0 0 7 年以来，全国用 电量及电负荷增长过快，由于长期使用煤炭和石油而导致产生的环境污染和生态问题已 严重威胁到人类自身的生存，每生产一度电，产生的污染物：火力发电：二氧化硫9 9 ， 碳氧化物4 4 9 ，二氧化碳l l o o g ；燃油发电：二氧化硫3 7 9 ，碳氧化物1 5 9 ，二氧化碳 陕西科技大学硕士学位论文 8 6 0 9 ；燃气发电：二氧化硫5 9 ，碳氧化物2 4 9 ，二氧化碳6 4 0 9 。由于在这些发电过程中 产生的二氧化碳在空气中的不断积累形成的温室效应导致全球变暖，冰山融化和海水热 膨胀，海平面上升已经严重的影响人类的生产和生活，而二氧化硫、碳氧化物和酸雨使 材料加速腐蚀破坏土壤和水的质量，影响动植物的生长，对人类也会形成呼吸道和其它 疾病。据统计目前我国每年仅因火电燃煤这一项造成的环境污染损失是2 0 0 0 亿人民币。 因此，节能是保障我国能安全和实现可持续发展的必然选择，随着我国国民经济的 高速发展，不仅对能源的需求量愈来愈大，而且对能源质量的要求也愈来愈高。 1 1 3 纸机干燥部节能的意义 对于造纸行业，其中原料、环境污染和能耗制约着整个行业的发展。能源是制约发 展的瓶颈，如今社会能源供求矛盾越来越突出，同样节能降耗也已成为造纸业十分关注 的问题。随着能源价格的不断上涨和能源的短缺，该比值呈上升趋势。所以合理的设计 纸机干燥部与节省建设投资，提高生产能力，保证成品质量和降低生产成本都有着极为 重要的关系。据统计，国外吨纸耗煤为1 1 2 吨标准煤，而我国为1 1 8 吨，存在着较大差距。 由于我国造纸工业与发达国家相比差距还较大，节能的任务十分迫切。就制浆造纸各个 环节的能耗而言，纸机干燥部是能耗最大的工段，造纸机中最长的就是干燥部，干燥部 的重量为纸机总重量的6 0 - 7 0 ，设备费用和动力消耗均占整个纸机的一半以上，蒸汽 消耗占全厂汽耗总量的2 0 - - 3 0 。显然，造纸机干燥部的节能是十分迫切而具有重大意 义的。随着能源价格的不断上涨和能源的短缺，该比值呈上升趋势。所以合理的设计纸 机干燥部与节省建设投资，提高生产能力，保证成品质量和降低生产成本都有着极为重 要的关系。 1 2 纸机干燥部概述 造纸机的干燥装置主要目的是脱去纸页中多余水分。由于湿纸页经压榨部压榨后一 般仍然含有6 0 - 7 0 的水分，即使是用最新式的复合压榨，湿纸页也含有5 0 - 6 0 的水分，而这些水分用机械压榨的方法已经不易脱除，必须用加热干燥的方法进一步脱 水。同时，在干燥的过程中可以提高成纸的质量，t 提高纸张的物理强度，使纸具有一定 的平滑度。现今纸幅的最终干燥仍然是以采用烘缸干燥的方法为主，辅助以各种通风装 置。 1 2 1 纸机干燥部干燥基本组成 烘缸干燥部主要由烘缸、烘毯缸、冷缸、导毯辊、刮刀、引纸绳、帆毯校正器和张 紧器、汽罩或热风罩，以及机架和传动装置等组成的。干燥部主要的设备是烘缸，它是 干燥部中影响产品质量的各因素中的主要因素。对于干燥部主要设备烘缸及其辅助设备 对整个干燥部的影响，从表1 1 中可以看得更清楚： 2 基于热泵的蒸汽冷凝水热力控制系统研究 袁1 - 1 热力系统中的设备因素影响力 t a b l - 1e q u i p m e n te l e m e n ta f f e c t i o ni nh e a ts y s t e m 由上表分析得知，有效的供汽及冷凝水系统是整个烘干过程的关键因素。纸机干燥 部对能源的消耗，表现为两个部分：一是纸机传动对电能的消耗，几乎占整个纸机动力 消耗的一半；二是蒸汽冷凝水热力系统对蒸汽的消耗，约占纸张生产成本的1 2 1 5 。 对于一台平稳运行的纸机而言，其纸机传动对电能的消耗一般是变化不大的。然而，如 果其蒸汽冷凝水系统运行不正常，导致烘缸积水，这就会明显增加纸机传动的负荷，导 致不必要的电能消耗。就蒸汽冷凝水系统本身而言，采用不同的工艺，不同的二次蒸汽 循环利用设备，不同的控制策略，其对热能的利用效率也大不相同。因此如果能合理有 效的改造供汽一冷凝水系统不仅是对最终产品的质量，而且对系统的能耗的降低都具有 重大意义。 1 2 2 干燥部供汽系统的发展历程 现在纸机干燥装置的供热方法有多种，但是以饱和蒸汽做为热源的干燥仍然占有绝 大部分，在纸机发展过程中，主要存在以下几个供汽系统阍j 3 ： ( 1 ) 单段供汽系统招， ) 黼( 卜 ， 汽 水 分 离 罐 图1 - i 单段供汽系统 f i g1 - 1o n e s t a g es t e a ms u p p l y i n gs y s t e m 如图卜l 所示是单段供汽系统的示意图，由电厂来的新鲜蒸汽经过减压阀减压后直接送 入烘缸内烘干纸张，烘缸内产生的凝结水和不冷凝气体经过汽水分离器的分离之后，大 部分的不凝气体被纸机的真空系统直接抽走排放掉，剩余的冷凝水通过阀门或者是泵被 陕西科技大学硕士学位论文 送往冷凝水储槽中去。由于该系统是针对早期的直径比较大的烘缸或者是一两个单独的 烘缸设计的，整个供汽系统比较简单，热能利用效率比较低，大部分的蒸汽没有进入循 环环节，而且产生的二次蒸汽直接被浪费掉，在生产过程中耗费了大量的新鲜蒸汽，而 且烘缸容易出现积水无法排出。这种供汽系统由于不适合纸机提速和生产不同纸种的需 求，已经被淘汰掉。 ( 2 ) 多段式供汽系统 图卜2 常规三段式供汽系统 f i g l 2c o n v e n t i o n a lt h r e e - s t a g es t e a ms u p p l y i n gs y s t e m 常见的多段式供汽系统如上图1 - 2 所示，一般情况下采用三段通汽f 3 】j 【4 l 【卯。在多段供 汽的系统中，增加了闪蒸罐、排水阀、表面冷凝器等工艺设备。在原来的单段供汽系统 的基础上，将烘缸分开设置为不同的段。相对于以前的供汽系统，由于烘缸分段的实现， 工艺变的复杂，每一段的烘缸供汽压力不一样，烘缸表面的温度也不一样，开始出现了 烘缸温升曲线。通过分析烘缸的温升曲线，工艺人员开始分析烘缸干燥的机理和纸张在 干燥过程中水分的变化情况。随着自动化控制系统在造纸工业中的应用，上述供汽系统 在国内利用木浆和草浆生产纸张的企业得以推广应用盯，。由于纸张的干燥是一个缓慢的 过程，利用多段供汽系统干燥纸张符合干燥的需求。为了保证纸张的水分达到要求，经 常需要对每段烘缸的压力进行调节，但是上述的供汽系统不同的烘缸段之间是相互串联 的关系，使得单独调节每一段烘缸的压力显得比较困难。总结该供汽系统的缺点，主要 有以下几个方面【8 】，【9 】，【l o 】： 1 ) 新鲜蒸汽在通过减压阀的减压以后，能量打了折扣，蒸汽的熵值增加。 2 ) 为了保证纸张的成纸水分要求，采取的是烘缸的压力控制和差压控制，由于烘缸 各段的相互串联关系，通常低温段烘缸组的差压难以保证，而由高温段来的不凝气体在 中温段和低温段之间循环，导致上述的烘缸组差压不稳或者是零差压的存在，使得烘缸 4 基于热泵的蒸汽冷凝水热力控制系统研究 中的凝结水和不凝结气体很难排出，烘缸积水现象严重。 3 ) 在生产过程中为了保证烘缸的排水，通常在低温段后采取抽真空的方法，大量的 有一定能量和品位的蒸汽被浪费掉，造成环境的破坏和能源的浪费。 4 ) 由于烘缸积水，传动系统消耗了大量的电能，而且由于控制策略单一，压力控制 不能保证建立比较合理的烘缸温升曲线。 5 ) 在生产中，纸机传动系统和d c s 控制系统在控制过程中很难保证一致，断纸现象 比较严重，纸机的产量受到很大影响，而且不利于纸机车速的提高。 ( 3 ) 常规热泵供汽系统问 新鲜蒸汽 图卜3 热泵供汽系统 f i g l 一3s t e a me j e c t o rf o rs t e a ms u p p l ys y s t e m 热泵供汽 1 2 l 是在原有供汽系统的基础上，利用热泵的引射作用，将闪蒸罐中大量的 低品味的二次蒸汽中的热能利用起来，同时降低了闪蒸罐内的压力，在保持烘缸压力稳 定的同时提高了烘缸与闪蒸罐之间的压差，一定程度上缓解了烘缸排水困难的问题，有 利于保持整个供汽系统的热力平衡。 1 3 热泵供汽系统的主要设备及组成 1 3 1 蒸汽喷射式热泵 如图卜4 所示，蒸汽喷射式热泵是一种没有运转部件的热力压缩机【1 2 j ，高压蒸汽从 热泵入口进入喷射器，经过拉伐尔喷嘴后以很高的速度从喷嘴出来，进入喷射器的接受 室，同时带走一部分低压蒸汽。高压蒸汽通常称之为工作蒸汽，被带走的低压蒸汽称之 为引射蒸汽，这两股蒸汽在进入混合室后充分混合均匀形成一股同轴的蒸汽流。在混合 的过程中，工作蒸汽的一部分动能传给引射蒸汽，两者动能经过交换后，混合蒸汽的动 能在流动的过程中相反的转变为势能或热能。在沿喷射器流动的过程中，混合蒸汽的速 度逐渐均衡，伴随着压力逐渐升高。进入扩散室之后，混合蒸汽的压力继续升高，当到 陕西科技大学硕士学位论文 图1 - 4 蒸汽喷射式热泵的结构( 1 一喷嘴2 一接受室3 一混合室4 一扩压室) f 追1 - 4s t r u c t u r eo fs t e a me j e c t o rp u m p 扩散器出口处时，混合蒸汽的压力高于进入接受室时引射蒸汽的的压力，从而将蒸汽压 力提高到了烘缸干燥所需的压力，进入热力系统。 1 3 2 高效闪蒸罐 闪蒸罐是一种特殊装置，通常是一个直径8 0 0 - - - 1 0 0 0 m m ，高1 5 - - 2 o m 的圆柱形容 器。在烘缸干燥纸页的过程中产生的积水和部分不凝蒸汽由管路进入闪蒸罐的上部，在 闪蒸罐的内部设置有多层挡板，这些挡板交错排列，水和不凝汽体进入后跌落在挡板上， 7 经过层层“塔式”跌落，大部分的水和不凝蒸汽由于压力大于闪蒸罐内部的压力，产生 了二次蒸汽。蒸汽由闪蒸罐的上方引出，闪蒸产生的凝结水则聚集在闪蒸罐底部，用于 隔离二次蒸汽。 1 3 3 烘缸排水装置虹吸管 烘缸内凝结水的有效排除是提高纸机的干燥能力和降低蒸汽消耗的重要因素之一， 目前主要的凝结水排除装置是虹吸管 i l l ，分为固定式和旋转式。虹吸管的结构如下所示： 图1 - 5 悬臂式虹吸管 f i g l - 5c a n t i l e v e rs i p h o n 固定式虹吸管的一段固定在烘缸蒸汽入口的接头壳体上，吸管的另一端深入到烘缸 内，利用虹吸原理将烘缸内产生的凝结水排除缸内。固定式虹吸管的悬臂较长，容易挠 曲变形，或是由于缸内凝结水产生的水环破坏时产生的冲击作用，导致虹吸头与烘缸内 6 基于热泵的蒸汽冷凝水热力控制系统研究 壁产生擦撞，导致虹吸管损坏。如图1 - 5 所示的悬臂式虹吸管，主要用于车速较高时， 如超过3 0 0 m m i n 时，烘缸内凝结水已经形成，则必须使用旋转虹吸管，应用旋转虹吸管 可使烘缸内的凝结水层厚度不超过0 8 m m 。 1 3 4 供汽系统的辅助设备 在烘缸的转动过程中，随着烘缸的速度提高，其离心力大于重力引力，冷凝水环在 烘缸内壁的摆动和湍动也越来越小，烘缸内的蒸汽冷凝水形成完整的环状，覆盖在烘缸 内壁，降低了传热效率。在烘缸内设置扰流棒，可使凝结水环产生振荡，扰流棒的间距 合适可以产生共振，从而获得很强的湍流；同时，扰流棒还会将烘缸内壁分隔成许多开 敞的隔仓，凝结水被扰流棒导向或轴向流动进去烘缸端部的环形槽内被虹吸管排除，水 环就可以被破坏。经研究和实践证明，使用扰流棒可以使烘缸的干燥能力提高3 - - - 1 5 左右。 ， 在烘缸和闪蒸罐的出口以及其它的冷凝水排出的管道上设置有疏水阀和各种疏水 器。常用的有一种孔板疏水器，主要利用其疏水、阻气的原理，各个孔板疏水器的使用 过程中，需要根据每个管道的管径大小设计孔板的孔径大小。由于孔板的加工比较简单、 体积较小，在实际使用过程中安装方便，受到了市场的欢迎。 1 4 热泵供汽系统研究意义及内容安排 1 4 1 蒸汽喷射式热泵研究的意义 蒸汽喷射式热泵是一种热量由低温物体转移到高温物体的能量转移装置。热泵具有 非常明显的节能效果与直接用电采暖相比采用热泵可节电8 0 以上。若生产和生活中 需要1 0 0 以上的热水采用热泵比直接采用锅炉供热可节约燃料5 0 。随着社会和科学 技术的不断发展，热泵技术逐渐应用于干燥领域热泵干燥技术是2 0 世纪7 0 年代末8 0 年代初发展起来的一项高新技术。热泵干燥技术具有干燥除湿快、热效率高和显著的节 能效果，在常温下即可获得较为理想的干燥速度，既大幅度节省了资源，又提高了产品 的质量，经济效益显著，并可消除废气和噪声的污染，改善了工作环境，因其独特的干 燥原理、高效节能、热效率高、除湿快并能较好地保持物料的品质而受到重视。 热泵的种类很多，其中蒸汽喷射式热泵是一种没有运转部件的热力压缩机，它能简单 地解决提高废汽压力的问题，它不直接消耗机械能或电能而提高低压蒸汽的参数，是一种 重要的节能装置，亦可用于凝结水回收中二次蒸汽的利用，因而在冶金、纺织、轻工、 供热、制冷机械、化工、石油等许多工业部门得到广泛的应用。 目前在造纸机干燥部采用的传统的热力系统普遍存在烘缸积水影响造纸产品的质量： 热能利用不充分造成能源浪费：不利于调节纸机干燥部各段烘缸的供汽压力和用汽量：锅 炉供热蒸汽通常具有较大的过热度，其压力比纸机烘缸压力要高得多，而冷凝闪蒸罐蒸汽 达不到工艺要求，常常被放空于环境，或没有得到充分利用，这样就导致了一方面低参数 7 陕西科技大学硕士学位论文 的热源的浪费，而另一方面高参数热源降质使用并不利于建立合理的烘缸温升曲线。 近年来，从国外引进的蒸汽冷凝水热泵系统不仅能够有效避免烘缸积水、提高系统 传热传质效率、改善纸机干燥部烘缸温度曲线、利用低参数品位的热源达到节能降耗的 目的，而且还有助于提高纸机烘缸转动时的动平衡度和纸机车速，能够满足改变纸机车 速、产量、产品品种和纸幅定量等变化的需要疆1 。因此，目前该系统在我国造纸行业得 到广泛应用。但是，同国外可调节热泵相比，目前国内广泛采用的常规热泵( t g 叫质量 调节热泵) 又具有调节范围相对较窄、适应纸种变化的范围仍不够宽等缺点。 可见，研究可调蒸汽喷射式热泵，并通过采用可调蒸汽喷射式热泵供汽改造烘干热 力系统，对提高干燥效率和干燥部的节能有重大意义。 总之，在节能方面和提高纸机干燥效率等方面，纸机干燥部都急需采用新型高效热 泵，建立新的热力系统替代传统热力系统，使高、低参数蒸汽都得到合理应用，提高整个 系统运行的经济性。 1 4 2 课题研究的主要工作及内容安排 本课题着眼于热泵供汽控制系统的应用，重点在蒸汽冷凝水控制系统中控制策略和 控制算法的研究。从蒸汽冷凝水热力控制系统的工艺和热泵的应用和设计以及控制算法 角度出发，提出新型蒸汽冷凝水热力控制系统单元。 主要研究内容： ( 1 ) 综合纸机干燥部中所采用的供汽控制系统，指出各种供汽控制系统的优缺点； ( 2 ) 对蒸汽冷凝水热力控制系统中的工艺参数进行分析，结合当前热泵的结构和性 能特点，总结前人设计经验，采用m a t l a b 中的g u i 编程设计纸机热力平衡计算和热泵设 计软件。 ( 3 ) 对控制方案进行研究，结合供汽系统特点提出一种基于西门子工控软件s t e p 7 的在线自整定p i d 控制器参数算法。 ( 4 ) 分析不同的控制策略和控制算法，结合实践工程项目，提出新型热力供汽控制 单元流程，采取新型控制方案。 8 基于热泵的蒸汽冷凝水热力控制系统研究 2 供汽系统热力平衡分析及蒸汽喷射式热泵研究 造纸干燥部的供汽系统采用热泵供汽有利于实现干燥部的节能，但是要成功将热泵 应用到干燥过程当中，需要对整个纸机干燥过程进行详细的分析，掌握整个供汽系统的 动态运行规律，才能设计一个运行良好的纸机蒸汽冷凝水系统，达到纸张干燥的目的。 同时，为了实现干燥部节能的目的，需要分析蒸汽喷射式热泵的内部结构和运行性能， 作为一个固定的机械部件，尺寸设计的好坏决定了蒸汽喷射式热泵的性能，是整个纸机 干燥部节能的关键所在。 2 1 供汽系统热力平衡分析 纸机热泵蒸汽冷凝水系统的设计比较复杂，热力系统的布置、热泵结构尺寸的设计、 控制回路设计等与系统运行效果密切相关且相互影响，目前我国尚没有规范的基于热泵 的蒸汽冷凝水系统的设计指导，所以系统经常要经过实践和改造才能达到较满意的效果。 要实现一个运行效果良好的系统，成功的热力系统设计设计是第一步。热力计算是热力 系统设计的基础，准确进行热力计算为热力系统的设计提供依据。 纸幅干燥过程中，所需热能由蒸汽提供，湿纸获取蒸汽冷凝放出的热量进行干燥。 纸机热力计算主要是计算在满足干燥曲线，各段使用不同压力蒸汽的情况下，将纸幅干 燥到目标干度所需的烘缸干燥面积、耗热量、耗气量、冷凝水量等参数，从而进行热力 流程布置、管道的选择及热泵尺寸的设计。计算依据热力学第一定律、质量守恒定律、 水和水蒸汽的焓熵性质图表等热力学基本方法。热力计算需要用户提供纸机生产能力方 面的原始参数及工艺要求，产能参数主要包括产量和车速，工艺要求参数主要包括抄造4 率、成纸率、定量范围、目标干度等。用户提供的参数应尽量详细准确，热力计算和热 力系统设计才能达到更佳的效果。