CN101792981A - 一种造纸机干燥部能量系统优化控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种造纸机干燥部能量系统优化控制系统，包括新增传感器群、工业组态软件模块、关系数据库、控制模型库，其中新增传感器群与干燥部DCS信号连接，工业组态软件模块通过SCADA与干燥部DCS和纸机QCS信号连接，关系数据库与工业组态软件模块信号连接，控制模型库与关系数据库信号连接。本发明能依照纸页干燥过程的特点，实时、动态、准确的控制当前造纸机干燥部能量系统的各关键变量，最大限度的降低对操作员经验的依赖、提高纸页干燥效率、节约干燥部能耗，以实现造纸机干燥部能量系统的优化运行。

Description

一种造纸机干燥部能量系统优化控制系统

技术领域

本发明涉及一种造纸机干燥部优化控制系统，特别涉及一种干燥部为全封闭式的多烘缸造纸机干燥过程的能量优化控制系统。

背景技术

造纸机干燥部的组成因所生产的纸种不同而有所不同，除生产薄页纸的造纸机为一大直径的杨克烘缸外，其他造纸机的干燥部则是由多组烘缸组成的，且被包围在一个全封闭式、半封闭式或敞开式的气罩内，需要表面施胶的纸机，其干燥部还包括表面施胶系统。其干燥过程为：经压榨后干度为33％～55％的湿纸页，进入造纸机干燥部经过多组烘缸(或一个杨克烘缸)的蒸发作用逐渐脱除纸页内残余的水分，使其出干燥部时干度为90％～97％；蒸发出来的水分在气罩通风系统上升气流的作用下向气罩上部运动，经抽风机排出干燥部；排出的高湿含量的湿热空气先经过换热系统回收废热，再由引风机送入烟囱排至大气。

造纸机干燥部的作用是借助于烘缸内蒸汽冷凝释放出的潜热蒸发脱除湿纸页中残留的水分，然后依赖于气罩通风系统把蒸发出来的湿热空气排出干燥部，同时还具有提高纸页强度、增加纸页平滑度和完成纸页的表面施胶等作用。

造纸机干燥部的质量约为纸机总质量的60％～70％；设备费用和动力消耗均占整个纸机的50％以上；能耗约占造纸总能耗的60％左右，为纸生产成本的10％～15％，是造纸工业流程中耗能最大的工段。因此，无论从重量、投资、能耗还是对纸页的质量来说，干燥部都是造纸机的重要组成部分。近年来随着造纸机高速化的发展，干燥部的发展也很快，许多新技术不断涌现，干燥理论和新的干燥设备也不断出现，但干燥部性能的好坏仍然是限制纸机向高速化发展的主要瓶颈。

影响干燥部性能的因素很多，包括蒸汽冷凝系统的设计和操作、气罩通风系统的效率、热回收系统的操作以及烘缸结构、烘缸外壁厚度和传热性能、干网的选用、纸机车速、纸页透气性及平滑度等众多因素，其中蒸汽冷凝系统、气罩通风系统及热回收系统的操作是影响其干燥过程能量系统效率的关键因素。

目前造纸机干燥部能量系统主要采用如下几种控制方案：

蒸汽冷凝系统控制：主蒸汽管道设有蒸汽流量和压力的控制阀；多组烘缸分布的干燥部，每一组烘缸都有供汽的压力控制；各组烘缸有独立的压差控制；汽水分离器的液位控制；二次蒸汽和冷凝水的流量控制等。这些变量的控制大多是通过PID控制(Proportion Integration Differentiation，这里指比例、积分、微分控制)实现的。

气罩通风系统控制：气罩排风露点温度的控制；通风量和通风温度的控制；加热器蒸汽流量的控制；抽风机、引风机阀门开度或功率的控制等。但在实际生产中，因为缺少准确可靠的理论指导，且为保证纸机的安全运行，并不是根据排风湿度来控制通风量的，即便是在转换纸种或纸机断纸时，进风量也只能靠操作员的经验来调节，这往往会使通风量过大而造成能源的浪费。

据调查，造纸厂中影响纸机干燥部能量系统效率的某些关键变量还没有实现在线测量，只能根据经验推理，无法根据实际数据做出科学的预测，给干燥部能量系统的优化带来了一定的困难。这些变量包括：气罩内空间方向的温度及湿度分布；烘缸的温度曲线；进出换热器冷物流和热物流的参数等。另外对其有影响的因素还有：现有DCS(Distributed Control System，这里指集散控制系统)校正不及时，某些关键变量的测量偏差较大，不能准确反映造纸机干燥部的真实条件。

目前，在造纸机干燥部DCS中，纸页干燥过程的控制通常采用常规的PID控制，由于干燥过程的控制变量和被控变量之间具有强耦合、大滞后和非线性等复杂的动态特性，并存在苛刻的约束条件，使常规的PID控制无法根据纸机的实际情况来准确地调节干燥部能量系统的主要变量，不能取得满意的控制效果，不仅造成了能源的浪费，也不符合建设节约型工厂的要求。

发明内容

本发明提供了一种面向工艺的造纸机干燥部能量系统优化控制系统，其目的在于保证造纸机正常运行的前提下，获得比普通PID控制更好的控制效果，以提高干燥部的能量利用效率、节约干燥部能耗、实现造纸机干燥部能量系统的最优化。

为实现本发明的目的采用的技术方案为：一种造纸机干燥部能量系统优化控制系统，其特征是，包括：

安装在造纸机干燥部的在线测量装置，用于在线测量干燥部内的温度、湿度、露点、压力、风速及流量；

工业组态软件模块；

用于存储在线测量的数据、干燥过程各种参数的数据表、人工输入的随机参数和优化后各种参数数据的关系数据库；

用于调用存储在关系数据库中的相关数据，对其进行处理和优化运算，并预测未来时刻的控制作用，以此优化的结果作为造纸机干燥部能量系统优化控制的依据，同时将优化的结果作为控制信号反馈至关系数据库的控制模型库；

所述在线测量装置与干燥部DCS相互连接；工业组态软件模块分别与干燥部DCS、纸机QCS及关系数据库相互连接；关系数据库与控制模型库相互连接。

为了更好的实现本发明，所述系统还包括用于实时地显示优化后干燥部能量系统各参数数据的用户界面，所述用户界面分别与控制模型库和关系数据库相互连接。所述用户界面包括：工艺流程图和能流图；蒸汽冷凝系统、气罩通风系统和热回收系统的控制画面；总系统的控制画面。

所述工业组态软件模块包括通讯接口模块、数据分析功能模块、监测功能模块、控制功能模块以及事件管理模块。

所述关系数据库包括：

存储有纸页干燥过程变量的数据表；

存储有蒸汽冷凝系统参数的数据表；

存储有气罩通风系统参数的数据表；

存储有热回收系统参数的数据表；

存储有控制模型库模型系数的数据表；

存储有干燥部能耗数据的数据表；

存储有优化后参数的数据表；

存储有通过工业组态软件模块的界面人工输入的相关费用的随机参数数据表。

所述控制模型库包括：

用于根据进入干燥部的纸页特性，计算蒸汽冷凝系统、气罩通风系统和热回收系统所需新鲜蒸汽量的能耗目标模型；

用于根据各组烘缸蒸汽冷凝系统的非线性模型，预测各组烘缸的蒸汽消耗量、烘缸压差控制量以及二次蒸汽加入量的蒸汽冷凝系统模型；

用于根据气罩通风系统的非线性模型，结合排风温湿度和气罩内温湿度的分布情况，计算所需通风量和通风温度的气罩通风系统模型；

用于根据排风的热力学关系，计算换热器的换热量、出换热器冷物流的温度、湿空气最终排放温度及排风量的热回收系统模型；

用于融合上述各模型的计算结果，以干燥过程能源消耗最小化为目标，优化计算并动态分配各组烘缸的进汽参数、气罩通风系统的通风参数以及热回收系统物流流量的能量系统融合模型。

所述工业组态软件模块通过SCADA(Supervisory Control And DataAcquisition，这里指即数据采集与监视控制模块)与干燥部DCS及纸机QCS(Quality Control System，这里指质量控制系统)信号连接，并通过其通讯接口模块以OPC、ODBC或COM方式与关系数据库信号连接；所述关系数据库通过控制模型库中的API(Application Programming Interface，这里指应用程序接口)与控制模型库信号连接。

所述工业组态软件模块以及SCADA是指GE公司的iFIX模块。

所述在线测量装置是指安装在造纸机干燥部的现场传感器。

本发明的原理是这样的：首先对干燥部DCS作了适当补充，对一些没有实时测量的变量，安装了现场传感器群，包括温度、湿度、露点、压力、风速及流量现场传感器，并通过现场总线把测控信号集成到干燥部DCS中。上述所述变量包括：各用汽点蒸汽的流量、压力及温度；气罩通风空气的流量、温度和湿度；气罩内空间方向的温度、湿度分布；气罩内的压力、露点；进、出各换热器的物流的流量、温度和湿度；最终排风温度、湿度及风速。本发明以造纸机干燥部DCS为平台，通过SCADA与干燥部DCS及纸机QCS进行实时通讯，将所采集数据通过其通讯接口模块传送至关系数据库相应的数据表中存储；另外，关系数据库中还存储有相关费用等随机参数组成的数据表；然后，控制模型库通过API调用关系数据库中数据，由内部子系统模型分别对其进行处理和优化运算，并预测未来某一时刻各子系统的控制作用，以此作为造纸机干燥部能量系统优化运行的依据，并将优化运算的结果作为控制信号反馈至关系数据库；最后，工业组态软件模块采用OPC、ODBC或COM方式与关系数据库互连，调用存储在关系数据库中的控制信号，并发送至干燥过程DCS，由DCS根据模型控制库所产生的存储在关系数据库中控制作用调节蒸汽冷凝系统、气罩通风系统及热回收系统的各关键变量，从而实现干燥部能量系统的优化控制。

控制模型库子模型简介：

(1)能耗目标模型，包括：蒸汽冷凝系统的能耗模型；气罩通风系统的能耗模型；热回收系统的能耗模型。能耗目标模型以干燥部能源消耗最小为目标，可通过以下方程进行说明：

${\min q}_s=\mathrm{\Σ}{q}_{s,i_{-}\mathrm{SCS}}+\mathrm{\Σ}{q}_{s,i_{-}\mathrm{SCS}}+\mathrm{\Σ}{q}_{s,i_{-}\mathrm{HVS}}+\mathrm{\Σ}{q}_{s,i_{-}\mathrm{HRS}}---\left(1\right)$

式(1)中：

q_s是干燥部消耗的蒸汽总量，kg/h；

q_{s，i_SCS}是蒸汽冷凝系统各组烘缸消耗的蒸汽量，kg/h，n＝1，2，3…；

q_{s，i_HVS}是气罩通风系统各加热器消耗的蒸汽量，kg/h，n＝1，2，3…；

q_{s，i_HRS}是热回收系统循环水加热消耗的蒸汽量，kg/h，n＝1，2，3…；

(2)蒸汽冷凝系统模型，包括：质量和能量平衡模型；烘缸热量传递模型；蒸发速率模型；不同烘缸组蒸汽压力之间的关系模型；烘缸压差控制模型；纸幅热量传递与湿度分配模型。用于调节各烘缸组的进汽压力及压差、优化二次蒸汽的利用、改善干燥曲线，以提高干燥部的干燥效率，降低能源消耗。

蒸汽冷凝系统的部分模型如下：

质量平衡模型：

$\frac{d}{\mathrm{dt}}\left({\mathrm{\ρ}}_s{V}_s\right)=q_{s,\mathrm{SCS}}-q_c---\left(2\right)$

q_s，SCS进烘缸蒸汽流量，kg/s；

q_c烘缸内蒸汽冷凝速率，kg/s；

ρ_s蒸汽密度，kg/m³；

V_s烘缸内蒸汽的体积，m³；

$\frac{d}{\mathrm{dt}}\left({\mathrm{\ρ}}_w{V}_w\right)=q_c-q_w---\left(3\right)$

q_w排水速率，kg/s；

ρ_w水的密度，kg/m³；

V_w烘缸内水的体积，m³；

其中，烘缸的体积V＝V_s+V_w。

能量平衡模型：

$\frac{d}{\mathrm{dt}}\left({\mathrm{\ρ}}_s{u}_s{V}_s\right)=q_{s,\mathrm{SCS}}{H}_s-q_c{H}_s---\left(4\right)$

H_s蒸汽的焓值，kJ/kg；

u_s蒸汽内能，kJ/kg；

$\frac{d}{\mathrm{dt}}\left({\mathrm{\ρ}}_w{u}_w{V}_w\right)=q_c{H}_s-q_w{H}_w-Q_m---\left(5\right)$

H_w水的焓值，kJ/kg；

Q_m蒸汽冷凝界面-烘缸壁的能量，kW；

u_w水的内能，kJ/kg；

$\frac{d}{\mathrm{dt}}\left({\mathrm{mC}}_{p,m}{T}_m\right)=Q_m-Q_p---\left(6\right)$

Q_p烘缸壁-纸页的能量，kW；

m烘缸外壁质量，kg；

C_p，m烘缸外壁的比热，kJ/(kg·℃)；

T_m烘缸壁平均温度，℃。

烘缸热量传递模型：

Q_m＝α_scA(T_s-T_m)                        (7)

α_sc蒸汽冷凝界面-烘缸壁的传热系数，W/(m²·℃)；

A烘缸内表面积，m²；

T_s蒸汽温度，℃。

α_cp烘缸壁-纸页的传热系数，W/(m²·℃)；

T_p纸页温度，℃；

β烘缸包角，°。

烘缸内的蒸汽近似认为饱和蒸汽。由于烘缸是一密闭容器，其内部温度无法测量，但可以根据饱和蒸汽压力与温度的关系式，来间接测量烘缸内饱和蒸汽的温度，其关系为：

$T_s=\frac{A}{B-\log (P_s+P_{\mathrm{atm}})}-C---\left(9\right)$

T_s是蒸汽的温度，℃；

P_s是蒸汽的压力(表压)，kPa；

P_atm是大气压力，为101.325kPa；

A，B，C是与蒸汽相关的特性系数，A＝1668.21；B＝7.092；C＝228。

因此，蒸汽冷凝系统某一烘缸组的蒸汽耗用量为：

$q_{s,i,\mathrm{SCS}}=\frac{d}{\mathrm{dt}}\left({\mathrm{\ρ}}_s{V}_s\right)+\frac{q_w{H}_w+{\mathrm{\α}}_{\mathrm{sc}}A(T_s-T_m)}{H_s}$ (10)

$=\frac{d}{\mathrm{dt}}\left({\mathrm{\ρ}}_s{V}_s\right)+[q_w{H}_w+{\mathrm{\α}}_{\mathrm{sc}}A(\frac{A}{B-\log (P_s+P_m)}-C-T_m)]\×\frac{1}{H_s}$

其中，V_s≤V

根据烘缸的传质和传热模型，可得其压差控制模型：

压差控制采用非线性代数微分方程表示如下，

$h_s\left(p\right)V\frac{{\mathrm{d\ρ}}_s}{\mathrm{dp}}\frac{\mathrm{dp}}{\mathrm{dt}}=q_s{h}_s\left(p\right)-q_w\left(p\right)h_w\left(p\right)-{\mathrm{\α}}_{\mathrm{sc}}{A}_{\mathrm{cyl}}(T_s\left(p\right)-T_m)---\left(11\right)$

${\mathrm{mC}}_{p,m}\frac{{\mathrm{dT}}_m}{\mathrm{dt}}={\mathrm{\α}}_{\mathrm{sc}}{A}_{\mathrm{cyl}}(T_s\left(p\right)-T_m)-{\mathrm{\α}}_{\mathrm{sc}}{A}_{\mathrm{cyl}}\mathrm{\η}(T_m-T_p)---\left(12\right)$

水分蒸发速率模型：

$M_{\mathrm{evp}}=\frac{m_{f}W}{n{A}_0}---\left(13\right)$

M_evp蒸发速率，kg水/(m²·h)

m_f纸机每小时生产能力，kg绝干纤维/h；

W每产1kg纸所蒸发水分量，kg水/kg绝干纤维；

n烘缸总个数，个；

A₀每个烘缸的有效传热面积，m²；

m_f＝wvl                     (14)

w-纸页定量，kg绝干纤维/m²；

v-车速，m/min；

l-幅宽，m；

其中，v_min≤v≤v_max

l＝l_des

$W=\frac{(100-d_1)}{d_1}-\frac{(100-d_2)}{d_2}---\left(15\right)$

d₁-进干燥部纸页干度，％

d₂-出干燥部纸页干度，％

其中，33％≤d₁≤55％

      90％≤d₂≤97％

D-烘缸直径，m；

β-烘缸包角，°；

其中，220°≤β≤240°

因此，水分蒸发速率为：

(3)气罩通风系统模型，包括：通风温度、湿度和流量与干燥速率的关系模型；漏气与干燥速率的关系模型；气罩露点与通风的关系模型。通过优化通风量与排风量的温度和露点之间的关系，调节通风温度或减少通风量，节约蒸汽用量。

气罩通风系统的部分模型如下：

气罩通风系统质量平衡方程为：

m_exhx_exp＝m_inx_in+m_evp+m_leakx_leak         (18)

m_exh＝m_in+m_leak                          (19)

m_sup＝a₀·m_exh                           (20)

m_exh气罩的排风量，kg干空气/s；

x_exh气罩排风湿度，kg水/kg干空气；

m_in气罩的进气量，kg干空气/s；

x_in气罩进气湿度，kg水/kg干空气；

m_leak漏气量，kg干空气/s；

x_leak漏气湿度，kg水/kg干空气；

m_evp蒸发水分量，kg/s；

a₀气罩平衡，％。

蒸汽加热器能量平衡：

q_s，i，HVSH_s-q_c，i，HVSH_c＝m_in(1+x_in)c_p，in(T_in-T₁)   (21)

q_{s，n_HVS}是某蒸汽加热器消耗的蒸汽量，kg/s；

H_s蒸汽的焓值，kJ/kg；

H_c蒸汽冷凝水的焓值，kJ/kg；

T₁新鲜空气与排风换热之后的温度，℃；

因此，气罩通风系统消耗的蒸汽量为：

$q_{s,i,\mathrm{HVS}}=\frac{m_{\mathrm{in}}(1+x_{\mathrm{in}})c_{p,\mathrm{in}}(T_{\mathrm{in}}-T_1)+q_{c,i,\mathrm{HVS}}{H}_c}{H_s}---\left(22\right)$

气罩通风系统能量平衡方程为：

m_exh(1+x_exh)c_p，exhT_exh＝m_in(1+x_in)c_p，inT_in+m_leak(1+x_leak)c_p，leakT_lead+m_evpH_evp

                                                                            (23)

c_p，a＝c_a+c_vx_a＝1.01+1.88x_a                                                 (24)

C_p，exh，C_p，in，C_p，leak分别是排风、进气和漏气的比热，kJ/(kg·℃)；

T_exh排风温度，℃；

T_in供气温度(指蒸汽加热后空气的温度)，℃；

T_leak气罩空气温度，℃；

C_p，a空气的比热，kJ/(kg·℃)；

x_a空气湿度，kg水/kg干空气；

T_in＝f(T_exh，T_leak，m_exh，m_leak，m_in，m_evp，T_dew，x_exh x_leak，x_in)      (25)

其中，25≤T_dew-T_exh≤30

T_dew气罩排风露点温度，℃。

(4)热回收系统模型，包括：热回收系统的质量和能量平衡模型；排风温度、湿度对传热的影响关系模型；换热器非线性模型。运用非线性规划法，结合遗传算法合理调配各换热单元的负荷，通过各换热单元的冷、热物流参数的调优，增加气罩排风的余热回收率，以减少热量损失。热回收系统调节的关键变量是换热器的换热面积和各物流的流速。

热回收系统的部分模型如下：

热回收系统消耗的蒸汽量：

q_s，i，HRS＝f(H_s(P_s)，H_c，q_c，i，HRS，T，x)        (26)

排出气罩的T_exh与T₁的关系：

$Q_{a-a}={\mathrm{\α}}_1{A}_1(T_{\mathrm{exh}}-T_{\mathrm{sur}})+m_c^{\′}{A}_{1}h\left(T_{\mathrm{sur}}\right)=\frac{A_2}{\frac{s}{\mathrm{\λ}}+\frac{1}{{\mathrm{\α}}_2}}(T_{\mathrm{sur}}-T_1)---\left(27\right)$

α₁排风侧的对流传热系数，W/m²/℃；

α₂被加热流体侧的对流传热系数，W/m²/℃；

A₁排风侧的传热面积，m²；

A₂被加热流体侧的传热面积，m²；

T_sur换热器排气侧的表面温度，℃；

m_c’冷凝水的质量流量，kg/m²/s；

h汽化潜热，J/kg；

s换热器表面厚度，m；

λ导热系数，W/m/℃；

其中，冷凝水的质量流量m_c’为：

$m_c^{\′}=M_{H_{2}O}\frac{p_0}{\mathrm{RT}}k\ln \frac{p_0{p}_v^{\′}\left(T_s\right)}{p_0-p_v}---\left(28\right)$

M_H2O水的摩尔质量，kg/mol；

P₀排风的压力，Pa；

P_v水蒸气分压，Pa；

R摩尔气体常数，J/mol/℃；

k传质系数，m/s。

(5)能量系统融合模型，用于融合前馈控制信息和反馈控制信息，并根据蒸汽冷凝系统、气罩通风系统和热回收系统的优化结果，从整体上考虑如何优化调节子系统的变量才能使系统能耗最小，从而使造纸机干燥部能量系统达到最优。所述各子系统主变量的优化结果为此模型的输入，存储在关系数据库中的该系统的最终控制作用即为此模型的输出。

本发明的造纸机干燥部能量系统优化控制系统是这样工作的：

1)在造纸机干燥部安装新增现场传感器群，包括温度、湿度、露点、压力、风速及流量传感器，并集成到干燥部DCS中去，作为本发明的基层平台。

2)通过SCADA与DCS、QCS通信，采集DCS、QCS中影响干燥部能量系统的关键变量，然后将所采集数据送至工业组态软件模块中的数据分析功能模块进行预处理，再传送到关系数据库相应的数据表中存储，采样周期为1～10秒钟。

3)通过工业组态软件模块的界面人工输入相关费用等随机参数，并借助于其通讯接口将以上数据存储到关系数据库相应的数据表中。

4)控制模型库通过API调用存储在关系数据库数据表中的相关数据，并对其进行处理和优化运算，由控制模型库中的各个控制模型预测未来某一时刻的控制作用，并将此控制信号反馈至关系数据库。

5)工业组态软件模块以OPC、ODBC或COM方式与关系数据库通信，用于调用存储在关系数据库中的控制信号，并通过SCADA将其发送至造纸机干燥部DCS。

6)造纸机干燥部DCS根据关系数据库中存储的由控制模型库产生的控制信号调节蒸汽冷凝系统、气罩通风系统及热回收系统的各相关变量，实现干燥部能量系统的优化控制。

7)用WinCC开发该系统的用户界面，并把优化后各关键变量的数据，如温度、湿度、露点、压力、风速、流量及能耗情况，动态地连接到用户界面相应的画面中。

上述第3)步的随机参数根据实际情况的变化输入，第4)、5)、6)步每1～30秒钟执行一次，往复循环以实现对干燥过程能量系统的控制。

本发明相对于现有技术的主要优点和效果是：

1)本发明是基于模型预测的优化控制系统，根据控制模型预测未来时刻的偏差从而确定控制作用，可以获得比PID控制(根据过去和当前偏差确定控制作用)更好的控制效果；

2)本发明是一种有限时域的滚动优化控制系统，以造纸机干燥部能量消耗最小化为目标，来确定未来某一时刻干燥部的控制作用，在任意采样时刻，干燥部能耗只涉及从该时刻起未来有限的时域，计算出今后一段时间间隔内应该施加的控制量；到执行时，只把即时控制量施加于对象，到下一采样时刻，又重新计算。

3)本发明具有自动反馈校正的优点，为避免在模型失配或环境干扰等因素引起干燥部发生异常情况(如纸机断纸、纸种转换或意外停机等)，内部模型在每一步都检测对象的实际输出，并利用这一实时信息对模型的预测进行修正，提高了模型的适应能力。

4)本发明适应于具有耦合性强、大滞后和非线性等动态特性的造纸机干燥部能量系统优化控制，可以根据纸机的实际运行状况、纸页的性质和气罩内的温、湿度分布等参数自动调节各系统的蒸汽加入量(包括加入烘缸的蒸汽量和加热空气的蒸汽量)和气罩通风量，实验表明可以使干燥部的能耗降低5～10％。

5)本发明不需要改变原系统的工作环境就可以集成到其操作员站或工程师站，方便快捷。本发明的安装与调试无需使纸机停机便可进行，不会影响企业的正常生产。

6)本发明把干燥部能量系统的历史数据集成到关系数据库中，作为不同时期或生产不同纸种时的参考依据，有利于分析干燥部的能耗变化情况，便于管理层及时做出决策。

7)本发明具有很好的可行性。在纸页的干燥过程中，蒸汽冷凝系统、气罩通风系统及热回收系统的性能是表征干燥部能量系统的重要参数，适当的蒸汽压力和通风量是保证干燥效率的重要因素；同时气罩露点、通风温度和排风湿度也是影响干燥部的重要因素。通过对这些变量的有效控制，可以优化造纸机干燥部能量系统，实时地给出当前干燥部能量系统控制的最佳值，实现在线优化控制，达到了提高干燥效率和节能的目标。

附图说明

图1是本发明的原理框图；

图2是本发明的实物连接示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

本发明的原理框图如图1所示，包括造纸机干燥部DCS、纸机QCS、SCADA、工业组态软件模块、关系数据库、控制模型库及用户界面。新增的现场传感器群与干燥部DCS相连接；工业组态软件模块分别与干燥部DCS、纸机QCS及关系数据库相互连接；关系数据库与控制模型库相互连接；用户界面分别与控制模型库和关系数据库相互连接。

造纸机干燥部DCS中集成了原有的现场传感器群和新增的现场传感器群。所述新增传感器群包括：温度、湿度、露点、压力、风速及流量现场传感器。用以测量各用汽点蒸汽的流量、压力；气罩通风空气的流量、温度和湿度；气罩内空间方向的温度、湿度分布；气罩内的压力、露点；进入气气换热器物流的流量、温度和湿度；进入气液换热器物流的流量、温度和湿度；最终排风温度、湿度及风速。

所述工业组态软件模块包括：通讯接口模块、数据分析功能模块、监测功能模块、控制功能模块以及事件管理模块等模块，这里采用的是GE公司的iFIX组态软件。

所述关系数据库包括：存储有纸页干燥过程变量的数据表；存储有蒸汽冷凝系统参数的数据表；存储有气罩通风系统参数的数据表；存储有热回收系统参数的数据表；存储有控制模型库中各模型的系数和参数的数据表；存储有干燥部能耗数据的数据表；存储有优化后参数的数据表；存储有通过工业组态软件模块的界面人工输入相关费用的随机参数数据表。

所述控制模型库包括：用于根据进入干燥部的纸页特性，计算蒸汽冷凝系统、气罩通风系统和热回收系统所需新鲜蒸汽的量的能耗目标模型；用于根据各组烘缸蒸汽冷凝系统的非线性模型，预测各组烘缸的蒸汽消耗量、烘缸压差控制量以及二次蒸汽加入量的蒸汽冷凝系统模型；用于根据气罩通风系统的非线性模型，结合排风温湿度和气罩内温湿度的分布情况，计算所需通风量和通风温度的气罩通风系统模型；用于根据排风的热力学关系，计算换热器的换热量、出换热器冷物流的温度、湿空气最终排放温度及排风量的热回收系统模型；用于融合上述各模型的计算结果，以干燥过程能源消耗最小化为目标，优化计算并动态分配各组烘缸的进汽参数、气罩通风系统的通风参数以及热回收系统冷物流的流量的能量系统融合模型。

所述用户界面包括：工艺流程图和能流图；蒸汽冷凝系统、气罩通风系统和热回收系统的控制画面；总系统的控制画面。用于实时地显示优化后干燥部能量系统各参数数据的情况。

本实施例的实物连接示意图如图2所示，新增现场传感器群被集成到干燥部DCS中。本系统的功能集成在一台主机中实现，通过系统总线与干燥部DCS实现通信。

本实施例的具体实施方式如下所述：

第一步，在造纸机干燥部安装新增现场传感器群，以实现在线测量各用汽点蒸汽的流量、压力；气罩通风空气的流量、温度和湿度；气罩内空间方向的温度、湿度分布；气罩内的压力、露点；进入气气换热器物流的流量、温度和湿度；进入气液换热器物流的流量、温度和湿度；最终排风温度、湿度及风速。并将其集成到纸机干燥部DCS中，作为本发明的基层平台。

第二步，通过SCADA与纸机干燥部DCS和纸机QCS信号的连接，采集DCS中主蒸汽管道的蒸汽流量、压力及温度，各烘缸或烘缸组的蒸汽流量、压力及温度，各组烘缸的压力差，蒸汽加热器的流量、压力及温度，闪蒸罐二次蒸汽的流量、压力及温度等影响干燥部蒸发效率的关键变量以及气罩内温度、湿度的空间分布，气罩通风空气的流量、温度和湿度，离开气罩时排风的风速、温度和湿度，进入各换热器前的湿空气流量、温度，进、出各换热器的空气和水的温度、流量，最终排放的温度、风速等变量；采集纸机QCS中有关纸页质量的指标，如纸页的定量、水分等参数。并将所采集到的数据传送到工业组态软件模块，工业组态软件模块再将其传送到关系数据库相应的数据表中存储，这里采样周期设定为5秒钟。

第三步，通过工业组态软件模块的操作界面，人工输入相关费用等随机参数，借助于其通讯接口将以上数据存储到关系数据库相应的数据表中。相关费用数据包括各种能源的费用、设备投资费用、运行费用及操作费用等人工输入参数。

第四步，控制模型库通过API调用存储在关系数据库中的数据表，由其内部的各子系统模型，包括：能耗目标模型、蒸汽冷凝系统模型、气罩通风系统模型、热回收系统模型和能量系统融合模型，对数据进行处理和优化运算，并预测未来某一时刻各子系统的控制作用，以此控制作用作为造纸机干燥部能量系统优化控制的依据，并将优化运算的结果作为控制信号反馈至关系数据库。

第五步，工业组态软件模块采用COM方式与关系数据库通信，并调用存储在关系数据库中的控制信号，通过SCADA将其发送至干燥过程DCS。

第六步，干燥过程DCS根据关系数据库中存储的由控制模型库产生的控制信号调节蒸汽冷凝系统、气罩通风系统及热回收系统的各关键变量，实现干燥部能量系统的优化运行。

第七步，用WinCC开发该系统的用户界面，并把优化后各关键变量的数据，如温度、湿度、露点、压力、风速、流量及能耗情况，动态地连接到用户界面相应的画面中，以便操作员能及时掌握干燥部的实时操作数据。

上述第三步输入的随机参数根据实际情况的变化来输入，第四、五、六步每10秒钟执行一次，往复循环以实现对干燥过程能量系统的控制。通过实际项目可验证，应用本发明可以使造纸机干燥部的能耗降低约6％。

上述实施例为本发明的较佳实施方式，但本发明并不仅限于上述实施例。本发明还可用于半封闭或敞开式多组烘缸纸机和杨克烘缸纸机，任何未违背本发明的原理而做的改变、修饰、替代、简化或组合，均为其等效置换方式，应包含在本发明范围之内。

Claims (8)

1.一种造纸机干燥部能量系统优化控制系统，其特征是，包括：

安装在造纸机干燥部的在线测量装置，用于在线测量干燥部内的温度、湿度、露点、压力、风速及流量；

工业组态软件模块；

用于存储在线测量的数据、干燥过程各种参数的数据表、人工输入的随机参数和优化后各种参数数据的关系数据库；

用于调用存储在关系数据库中的相关数据，对其进行处理和优化运算，并预测未来时刻的控制作用，以此优化的结果作为造纸机干燥部能量系统优化控制的依据，同时将优化的结果作为控制信号反馈至关系数据库的控制模型库；

所述在线测量装置与干燥部DCS相连接；工业组态软件模块分别与干燥部DCS、纸机QCS及关系数据库相互连接；关系数据库与控制模型库相互连接。

2.根据权利要求1所述的造纸机干燥部能量系统优化控制系统，其特征是，所述系统还包括用于实时地显示优化后干燥部各参数数据的用户界面；所述用户界面分别与控制模型库和关系数据库相互连接。

3.根据权利要求1或2所述的造纸机干燥部能量系统优化控制系统，其特征是，所述工业组态软件模块包括通讯接口模块、数据分析功能模块、监测功能模块、控制功能模块以及事件管理模块。

4.根据权利要求1或2所述的造纸机干燥部能量系统优化控制系统，其特征是，所述关系数据库包括：

存储有纸页干燥过程变量的数据表；

存储有蒸汽冷凝系统参数的数据表；

存储有气罩通风系统参数的数据表；

存储有热回收系统参数的数据表；

存储有控制模型库模型系数的数据表；

存储有干燥部能耗数据的数据表；

存储有优化后参数的数据表；

存储有通过工业组态软件模块的界面人工输入的相关费用的随机参数数据表。

5.根据权利要求1或2所述的造纸机干燥部能量系统优化控制系统，其特征是，所述控制模型库包括：

用于根据进入干燥部的纸页特性，计算蒸汽冷凝系统、气罩通风系统和热回收系统所需新鲜蒸汽的量的能耗目标模型；

用于根据各组烘缸蒸汽冷凝系统的非线性模型，预测各组烘缸的蒸汽消耗量、烘缸压差控制量以及二次蒸汽加入量的蒸汽冷凝系统模型；

用于根据气罩通风系统的非线性模型，结合排风温湿度和气罩内温湿度的分布情况，计算所需通风量和通风温度的气罩通风系统模型；

用于根据排风的热力学关系，计算换热器的换热量、出换热器冷物流的温度、湿空气最终排放温度及排风量的热回收系统模型；

用于融合上述各模型的计算结果，以干燥过程能源消耗最小化为目标，优化计算并动态分配各组烘缸的进汽参数、气罩通风系统的通风参数以及热回收系统物流的流量的能量系统融合模型。

6.根据权利要求1或2所述的造纸机干燥部能量系统优化控制系统，其特征是，所述工业组态软件模块通过SCADA与干燥部DCS及纸机QCS信号连接，通过其通讯接口模块以OPC、ODBC或COM方式与关系数据库信号连接；所述关系数据库通过控制模型库中的API与控制模型库信号连接。

7.根据权利要求3所述的造纸机干燥部能量系统优化控制系统，其特征是，所述工业组态软件模块及SCADA是指GE公司的iFIX模块。

8.根据权利要求1或2所述的造纸机干燥部能量系统优化控制系统，其特征是，所述在线测量装置是指安装在造纸机干燥部的现场传感器群。

Images