CN102654757A - 一种密封循环系统用多位纺丝风量控制装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种密封循环系统用多位纺丝风量控制装置及其控制方法，所述控制装置包括侧吹风流量监测控制装置、侧吹回风压力监测控制装置、甬道风流量监测控制装置、甬道回风压力监测控制装置和控制器；所述控制方法包括(a)侧吹风流量监测控制、(b)侧吹回风压力监测控制、(c)甬道风流量监测控制和(d)甬道回风压力监测控制。本发明提供的控制装置及其控制方法，利用传统的标准孔板节流装置，通过可编程程序控制器，对密闭循环系统侧吹风流量、甬道风流量、侧吹回风压力和甬道回风压力进行控制，同时使用非密封管道微小压力控制阻断管道内外气体交换，能够使系统在很宽的温度范围内保持测量准确、控制精确稳定，且投资成本小。

Description

一种密封循环系统用多位纺丝风量控制装置及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种干法制造高强聚乙烯纤维生产装置中的密封循环系统用多位纺丝风量控制方法。

背景技术

干法制备高强聚乙烯纤维生产装置中，密闭循环风量系统的主要工艺为使用氮气风将纺位丝束中的溶剂蒸发，使丝束凝固成型；而带有溶剂蒸汽的氮气风在回收溶剂以后循环使用，并且不得泄露入大气或混入空气。在生产过程中，由压缩机驱动的高压、大风量氮气将会被分配到各个吹风装置和甬道中。由于高性能聚乙烯纤维产品质量好坏直接与进入每个吹风装置和甬道中的氮气流量和压力的均匀性有关。根据生产的工艺要求，进入每个吹风装置和甬道中的氮气流量要求稳定并保持一致，与设定值的偏差必须＜1％，并能够在很宽的温度范围内保持测量准确、控制精确稳定。而气体的流量和压力的控制精度相对液体来说，精度较难控制，以前往往采用高精度的仪表设备进行控制，投资成本较高。

采用干法纺丝工艺生产高强聚乙烯纤维的实验装置，其纺丝位置只有两个，所以各位的风量间的干扰不大，所以风量控制采用的是手动控制。而在实际生产中，纺丝位置高达几十个，甚至更多，各个位的风量、风压的相互干扰会很大，若仍然采用手动控制，无疑会加强人工劳动力，增加人工成本。因此手动控制风量和风压已不能适应工业化生产的要求，必须采用自动化控制；而目前针对干法纺丝生产工艺的自动控制风量方法还未出现。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种密封循环系统用多位纺丝风量控制方法，是一种针对密闭循环系统侧吹风和甬道风风量和回风压力控制而发明的宽温度范围气体流量测量、控制方法，多回路侧吹和甬道风流量压力控制解耦方法和非密封管道微小压力控制，阻断管道内外气体交换的控制方法。保证在多回路的密闭循环系统侧吹风和甬道风风量和风压的波动控制在设定范围内。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种密封循环系统用多位纺丝风量控制装置，包括侧吹风流量监测控制装置、侧吹回风压力监测控制装置、甬道风流量监测控制装置、甬道回风压力监测控制装置和控制器；所述侧吹风流量监测控制装置包括电阻体TE1、标准孔板节流装置FT1和控制阀V1，所述侧吹回风压力监测控制装置包括压力变送器PT2和控制阀V2，所述甬道风流量监测控制装置包括电阻体TE4、标准孔板节流装置FT4和控制阀V4，所述甬道回风压力监测控制装置包括压力变送器PT3和控制阀V3；所述侧吹风流量监测控制装置和侧吹回风压力监测控制装置设置在每个纺丝位的侧吹风进风管道和侧吹风回风管道上，所述甬道风流量监测控制装置和甬道回风压力监测控制装置设置在每个纺丝位的甬道风进风管道和甬道风回风管道上，在每个纺丝位甬道的丝束出口处设有氮封阀V5，通过V5施加一定压力的氮气阻断甬道内外介质交换；所述控制器内部设有侧吹风流量监测控制模块、侧吹回风压力监测控制模块、甬道风流量监测控制模块和甬道回风压力监测控制模块；所述电阻体TE1的输出端和标准孔板节流装置FT1的输出端连接侧吹风流量监测控制模块的输入端，侧吹风流量监测控制模块的输出端连接控制阀V1；所述压力变送器PT2的输出端连接侧吹回风压力监测控制模块的输入端，侧吹回风压力监测控制模块的输出端连接控制阀V2；所述电阻体TE4的输出端和标准孔板节流装置FT4的输出端连接甬道风流量监测控制模块的输入端，甬道风流量监测控制模块的输出端连接控制阀V4；所述压力变送器PT3的输出端连接甬道回风压力监测控制模块的输入端，甬道回风压力监测控制模块的输出端连接控制阀V3。

本发明提供的密封循环系统用多位纺丝风量控制装置，由于丝束运行的关系，在机械上不能做到完全密封，需要通过对整个装置管道内的风压控制，阻断风道内外气体交换，保证整个装置为实际密封循环的工作系统。在本发明中，通过对各个纺位的回风压力控制与总管的尾风压力精确控制，将循环风道非机械密封处的压力保持在非常接近于环境大气压值附近，只在丝束出口的开口处使用少量氮气风，阻断循环管道与周围大气的气体交换，使多位纺丝风量循环系统在实际上机械不密封情况下，构成了实际的密封系统。

所述控制器可以为PLC控制器。

一种针对本发明提供的密封循环系统用多位纺丝风量控制装置的控制方法，主要包括(a)侧吹风流量监测控制、(b)侧吹回风压力监测控制、(c)甬道风流量监测控制和(d)甬道回风压力监测控制几个部分：

其中，(a)侧吹风流量监测控制包括如下步骤：

(a1)侧吹风流量监测控制模块通过电阻体TE1和标准孔板节流装置FT1提供的信息计算侧吹风实际流量值；

(a2)比较侧吹风实际流量值与侧吹风设定流量值的差值ΔF1，判断差值ΔF1是否为零，若判断结果为是返回步骤(a1)；

(a3)若步骤(a2)的判断结果为否，则调节控制阀V1开度；

(a4)返回步骤(a1)；

其中，(b)侧吹回风压力监测控制包括如下步骤：

(b1)侧吹回风压力监测控制模块通过压力变送器PT2提供的信息计算侧吹回风实际压力值；

(b2)比较侧吹回风实际压力值与侧吹回风设定压力值的差值ΔP2，判断差值ΔP2是否为零，若判断结果为是返回步骤(b1)；

(b3)若步骤(b2)的判断结果为否，则调节控制阀V2开度；

(b4)返回步骤(b1)；

其中，(c)甬道风流量监测控制包括如下步骤：

(c1)甬道风流量监测控制模块通过电阻体TE4和标准孔板节流装置FT4提供的信息计算甬道风实际流量值；

(c2)比较甬道风实际流量值与甬道风设定流量值的差值ΔF4，判断差值ΔF4是否为零，若判断结果为是返回步骤(c1)；

(c3)若步骤(c2)的判断结果为否，则调节控制阀V4开度；

(c4)返回步骤(c1)；

其中，(d)甬道回风压力监测控制包括如下步骤：

(d1)甬道回风压力监测控制模块通过压力变送器PT3提供的信息计算甬道回风实际压力值；

(d2)比较甬道回风实际压力值与甬道回风设定压力值的差值ΔP3，判断差值ΔP3是否为零，若判断结果为是返回步骤(d1)；

(d3)若步骤(d2)的判断结果为否，则调节控制阀V3开度；

(d4)返回步骤(d1)。

本系统采用了传统的标准孔板节流装置差压/流量计作为流量测量仪表，结构简单、制造成本低。标准孔板节流装置是以伯努利方程和流体连续性方程为依据，根据节流原理，当流体流经标准孔板时，在其前后产生压差，此差压值与该流量的平方成正比。标

$q_f=\frac{c}{\sqrt{1-{\mathrm{\β}}^4}}\·\mathrm{\ϵ}\·\frac{\mathrm{\π}}{4}\·d^2\·\sqrt{\frac{2\mathrm{\Δp}}{{\mathrm{\ρ}}_1}}$

准孔板节流装置流量计算公式如下：

式中，q_f为工况下的体积流量，单位为m³/s；c为流出系数，无量纲；β＝d/D，无量纲；d为工况下孔板内径，单位为mm；D为工况下上游管道内径，单位为mm；ε为可膨胀系数，无量纲；Δp为孔板前后的差压值，单位为Pa；ρ₁为工况下流体的密度，单位为kg/m³。

工程上一般使用上式直接得出标准孔板节流装置的流量值，但该式有明显的局限性，就是只能得到固定工况温度和压力下的流量值，如果温度和压力有较大的变化范围，则不适用。但对于实际工况，由于气体的可压缩性、非标准工作压力和来流的非均匀性以及工艺温度变化范围很大，需要给出不同工艺温度对应的实际工况下的流量/差压曲线关系，而这样的非线性曲线关系通过计算流体力学(以下简称CFD)计算方法得到。运用CFD计算方法，可以计算出工况范围内离散的流量/差压曲线关系表，然后在控制计算机内按照测得的孔板压差，利用差值算法得到连续的、当前工艺温度下的流量值，使得传统的标准孔板能够准确测量0℃～160℃工况条件下流量数据。而没有这种方法时，标准孔板作为测量仪表，只能准确测量固定工况下的数据。

采用流体力学(以下简称CFD)计算方法，可以计算出不同工艺温度下标准孔板截流装置的流量/压差曲线关系表。目前工程上以直接求解三维紊流N_S方程作为计算CFD的主要手段，常用的三维紊流N_S模型有0方程(如Cebeci_Smith平衡模型等)、松弛涡粘模型(如Baldwin模型等)；1方程模型(如Glusko_Rubesin模型等)。

有益效果：本发明提供的一种密封循环系统用多位纺丝风量控制装置及其控制方法，利用传统的标准孔板节流装置，通过可编程程序控制器，对密闭循环系统侧吹风流量、甬道风流量、侧吹回风压力和甬道回风压力进行控制，同时使用非密封管道微小压力控制阻断管道内外气体交换，能够使系统在很宽的温度范围内保持测量准确、控制精确稳定，且投资成本小。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为侧吹风流量监测控制流程图；

图3为侧吹回风压力监测控制流程图；

图4为甬道风流量监测控制流程图；

图5甬道回风压力监测控制流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1所示为一种密封循环系统用多位纺丝风量控制装置的机构示意图，包括侧吹风流量监测控制装置、侧吹回风压力监测控制装置、甬道风流量监测控制装置、甬道回风压力监测控制装置和控制器；所述侧吹风流量监测控制装置包括电阻体TE1、标准孔板节流装置FT1和控制阀V1，所述侧吹回风压力监测控制装置包括压力变送器PT2和控制阀V2，所述甬道风流量监测控制装置包括电阻体TE4、标准孔板节流装置FT4和控制阀V4，所述甬道回风压力监测控制装置包括压力变送器PT3和控制阀V3；所述侧吹风流量监测控制装置和侧吹回风压力监测控制装置设置在每个纺丝位的侧吹风进风管道和侧吹风回风管道上，所述甬道风流量监测控制装置和甬道回风压力监测控制装置设置在每个纺丝位的甬道风进风管道和甬道风回风管道上，在每个纺丝位甬道的丝束出口处设有氮封阀V5，通过V5施加一定压力的氮气阻断甬道内外介质交换；所述控制器内部设有侧吹风流量监测控制模块、侧吹回风压力监测控制模块、甬道风流量监测控制模块和甬道回风压力监测控制模块；所述电阻体TE1的输出端和标准孔板节流装置FT1的输出端连接侧吹风流量监测控制模块的输入端，侧吹风流量监测控制模块的输出端连接控制阀V1；所述压力变送器PT2的输出端连接侧吹回风压力监测控制模块的输入端，侧吹回风压力监测控制模块的输出端连接控制阀V2；所述电阻体TE4的输出端和标准孔板节流装置FT4的输出端连接甬道风流量监测控制模块的输入端，甬道风流量监测控制模块的输出端连接控制阀V4；所述压力变送器PT3的输出端连接甬道回风压力监测控制模块的输入端，甬道回风压力监测控制模块的输出端连接控制阀V3。

在本例中，纺丝位置可以有多个，所述控制器分别对各个回路进行控制，针对控制器对单个回路的控制过程包括(a)侧吹风流量监测控制、(b)侧吹回风压力监测控制、(c)甬道风流量监测控制和(d)甬道回风压力监测控制：

其中，(a)侧吹风流量监测控制流程图如图2所示，该控制过程中包括手动控制过程，针对自动控制过程部分，包括如下步骤：

(a1)侧吹风流量监测控制模块通过电阻体TE1和标准孔板节流装置FT1提供的信息计算侧吹风实际流量值；

(a2)比较侧吹风实际流量值与侧吹风设定流量值的差值ΔF1，判断差值ΔF1是否为零，若判断结果为是返回步骤(a1)；

(a3)若步骤(a2)的判断结果为否，则调节控制阀V1开度；

(a4)返回步骤(a1)；

其中，(b)侧吹回风压力监测控制流程图如图3所示，该控制过程中包括手动控制过程，针对自动控制过程部分，包括如下步骤：

(b1)侧吹回风压力监测控制模块通过压力变送器PT2提供的信息计算侧吹回风实际压力值；

(b2)比较侧吹回风实际压力值与侧吹回风设定压力值的差值ΔP2，判断差值ΔP2是否为零，若判断结果为是返回步骤(b1)；

(b3)若步骤(b2)的判断结果为否，则调节控制阀V2开度；

(b4)返回步骤(b1)；

其中，(c)甬道风流量监测控制流程图如图4所示，该控制过程中包括手动控制过程，针对自动控制过程部分，包括如下步骤：

(c1)甬道风流量监测控制模块通过电阻体TE4和标准孔板节流装置FT4提供的信息计算甬道风实际流量值；

(c2)比较甬道风实际流量值与甬道风设定流量值的差值ΔF4，判断差值ΔF4是否为零，若判断结果为是返回步骤(c1)；

(c3)若步骤(c2)的判断结果为否，则调节控制阀V4开度；

(c4)返回步骤(c1)；

其中，(d)甬道回风压力监测控制流程图如图5所示，该控制过程中包括手动控制过程，针对自动控制过程部分，包括如下步骤：

(d1)甬道回风压力监测控制模块通过压力变送器PT3提供的信息计算甬道回风实际压力值；

(d2)比较甬道回风实际压力值与甬道回风设定压力值的差值ΔP3，判断差值ΔP3是否为零，若判断结果为是返回步骤(d1)；

(d3)若步骤(d2)的判断结果为否，则调节控制阀V3开度；

(d4)返回步骤(d1)。

所述控制器为PLC控制器。

由于控制器对单个回路单独控制，各个回路具有自身的收敛性，在收到扰动时能迅速回到设定偏差以内，不超调、不震荡，且不对相邻纺位产生新的干扰；这样，在整个密封循环系统中，各个纺丝位置风量控制精度都能保证在1％以内。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种密封循环系统用多位纺丝风量控制装置，其特征在于：所述控制装置包括侧吹风流量监测控制装置、侧吹回风压力监测控制装置、甬道风流量监测控制装置、甬道回风压力监测控制装置和控制器；所述侧吹风流量监测控制装置包括电阻体TE1、标准孔板节流装置FT1和控制阀V1，所述侧吹回风压力监测控制装置包括压力变送器PT2和控制阀V2，所述甬道风流量监测控制装置包括电阻体TE4、标准孔板节流装置FT4和控制阀V4，所述甬道回风压力监测控制装置包括压力变送器PT3和控制阀V3；所述侧吹风流量监测控制装置和侧吹回风压力监测控制装置设置在纺丝位的侧吹风进风管道和侧吹风回风管道上，所述甬道风流量监测控制装置和甬道回风压力监测控制装置设置在纺丝位的甬道风进风管道和甬道风回风管道上，在纺丝位甬道的丝束出口处设有氮封阀V5；所述控制器内部设有侧吹风流量监测控制模块、侧吹回风压力监测控制模块、甬道风流量监测控制模块和甬道回风压力监测控制模块；所述电阻体TE1的输出端和标准孔板节流装置FT1的输出端连接侧吹风流量监测控制模块的输入端，侧吹风流量监测控制模块的输出端连接控制阀V1；所述压力变送器PT2的输出端连接侧吹回风压力监测控制模块的输入端，侧吹回风压力监测控制模块的输出端连接控制阀V2；所述电阻体TE4的输出端和标准孔板节流装置FT4的输出端连接甬道风流量监测控制模块的输入端，甬道风流量监测控制模块的输出端连接控制阀V4；所述压力变送器PT3的输出端连接甬道回风压力监测控制模块的输入端，甬道回风压力监测控制模块的输出端连接控制阀V3。

2.根据权利要求1所述的密封循环系统用多位纺丝风量控制装置，其特征在于：所述控制器为PLC控制器。

3.根据权利要求1所述的密封循环系统用多位纺丝风量控制装置的控制方法，其特征在于：所述控制方法包括(a)侧吹风流量监测控制、(b)侧吹回风压力监测控制、(c)甬道风流量监测控制和(d)甬道回风压力监测控制；

其中，(a)侧吹风流量监测控制包括如下步骤：

(a1)侧吹风流量监测控制模块通过电阻体TE1和标准孔板节流装置FT1提供的信息计算侧吹风实际流量值；

(a2)比较侧吹风实际流量值与侧吹风设定流量值的差值ΔF1，判断差值ΔF1是否为零，若判断结果为是返回步骤(a1)；

(a3)若步骤(a2)的判断结果为否，则调节控制阀V1开度；

(a4)返回步骤(a1)；

其中，(b)侧吹回风压力监测控制包括如下步骤：

(b1)侧吹回风压力监测控制模块通过压力变送器PT2提供的信息计算侧吹回风实际压力值；

(b2)比较侧吹回风实际压力值与侧吹回风设定压力值的差值ΔP2，判断差值ΔP2是否为零，若判断结果为是返回步骤(b1)；

(b3)若步骤(b2)的判断结果为否，则调节控制阀V2开度；

(b4)返回步骤(b1)；

其中，(c)甬道风流量监测控制包括如下步骤：

(c1)甬道风流量监测控制模块通过电阻体TE4和标准孔板节流装置FT4提供的信息计算甬道风实际流量值；

(c2)比较甬道风实际流量值与甬道风设定流量值的差值ΔF4，判断差值ΔF4是否为零，若判断结果为是返回步骤(c1)；

(c3)若步骤(c2)的判断结果为否，则调节控制阀V4开度；

(c4)返回步骤(c1)；

其中，(d)甬道回风压力监测控制包括如下步骤：

(d1)甬道回风压力监测控制模块通过压力变送器PT3提供的信息计算甬道回风实际压力值；

(d2)比较甬道回风实际压力值与甬道回风设定压力值的差值ΔP3，判断差值ΔP3是否为零，若判断结果为是返回步骤(d1)；

(d3)若步骤(d2)的判断结果为否，则调节控制阀V3开度；

(d4)返回步骤(d1)。

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