CN111241717A - 基于机理模型的卫生纸机干燥部操作参数优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于机理模型的卫生纸机干燥部操作参数优化方法，包括以下步骤：S1：建立生活用纸造纸机干燥部能量系统模型；S2：固定产量，设置不同的操作参数组合，利用S1模型模拟各操作参数组合下的纸页干燥过程的关键中间变量、成纸干度和干燥能耗，并根据干度与排风湿度剔除不合格的操作参数组合；S3：对S2剩余的操作参数组合的能源成本进行分析；S4：对S2剩余的操作参数组合的能源利用效率进行分析；S5：根据S3与S4的分析结果确定操作参数优化原则，制定完整的优化策略并建立对应的优化模型；S6：使用S5建立的优化模型对纸机干燥部历史操作参数进行优化；解决了数据驱动建模方法可解释差、鲁棒性差、优化过程易陷入局部最优的缺陷的问题。

Description

基于机理模型的卫生纸机干燥部操作参数优化方法

技术领域

本发明涉及卫生纸机干燥部操作参数优化领域，特别是基于机理模型的卫生纸机干燥部操作参数优化方法。

背景技术

在纸页干燥环节，需消耗大量的饱和蒸汽，卫生纸干燥能耗约占制浆造纸生产过程总能耗的67％以上。因此，降低干燥部能耗是降低造纸全过程能耗、节约生产成本的关键所在。纸页干燥过程中，烘缸蒸汽和通风状态都对纸页的干燥速度与干燥过程能耗有着巨大影响。烘缸内蒸汽的温度越高，纸页的温度与干燥速度越高，烘缸的能耗更大。气罩送风的温度和速度越高，纸页从热风中获取的能量越多，干燥速度越快，加热器与鼓风机的能耗越高。排风机的频率越低，气罩内空气的湿度越低，纸页水分的传质动力越大，烘缸的蒸汽压力可以调得更低，从而节省烘缸的蒸汽用量。气罩送风和排风以及蒸汽均对纸页的干燥速度有着重大影响，并决定了纸页干燥过程的能耗。其中必然存在一个最佳的平衡点，使得成纸干度达标的同时干燥能耗最低。然而实际生产过程中操作人员只能凭借经验进行参数的控制与优化，由于缺乏科学的计算指导，纸机的运行状态通常并非出于最佳状态。

基于干燥机理建立纸页干燥过程模拟模型，不仅可以实现对各种操作参数组合下干燥关键过程参数的准确模拟，还可以挖掘干燥部操作参数与干燥部各子系统能效之间的关系，为纸机干燥部操作参数优化模型的建立提供科学的依据。本发明提出的基于机理模型的卫生纸机干燥部操作参数优化方法可以有效解决数据驱动建模方法可解释差、鲁棒性差、优化过程易陷入局部最优的缺陷。

发明内容

为解决现有技术中存在的问题，本发明提供了基于机理模型的卫生纸机干燥部操作参数优化方法，解决了数据驱动建模方法可解释差、鲁棒性差、优化过程易陷入局部最优的缺陷的问题。

本发明采用的技术方案是，基于机理模型的卫生纸机干燥部操作参数优化方法，包括以下步骤：

S1：建立生活用纸造纸机干燥部能量系统模型；

S2：固定产量，设置不同的操作参数组合，利用S1模型模拟各操作参数组合下的纸页干燥过程的关键中间变量、成纸干度和干燥能耗，并根据干度与排风湿度剔除不合格的操作参数组合；

S3：对S2剩余的操作参数组合的能源成本进行分析；

S4：对S2剩余的操作参数组合的能源利用效率进行分析；

S5：根据S3与S4的分析结果确定操作参数优化原则，制定完整的优化策略并建立对应的优化模型；

S6：使用S5建立的优化模型对纸机干燥部历史操作参数进行优化。

本发明基于机理模型的卫生纸机干燥部操作参数优化方法有益效果如下：

1.本发明的基于干燥机理建立纸页干燥过程模拟模型可以实现对各种操作参数组合下干燥关键过程参数的准确模拟。

2.本发明基于干燥机理建立纸页干燥过程模拟模型可以挖掘干燥部操作参数与干燥部各子系统能效之间的关系，为纸机干燥部操作参数优化模型的建立提供科学的依据。

3.本发明提出的基于机理模型的卫生纸机干燥部操作参数优化方法可以有效解决数据驱动建模方法可解释差、鲁棒性差、优化过程易陷入局部最优的缺陷。

附图说明

图1是本发明基于机理模型的卫生纸机干燥部操作参数优化方法的流程图。

图2是本发明基于机理模型的卫生纸机干燥部操作参数优化方法的优化操作参数下的高压蒸汽流量值与原始高压蒸汽流量值效果对比图。

图3是本发明基于机理模型的卫生纸机干燥部操作参数优化方法的优化操作参数下的低压蒸汽流量值与原始低压蒸汽流量值效果对比图。

图4为本发明基于机理模型的卫生纸机干燥部操作参数优化方法的干燥部操作参数的优化幅度折线图。

图5为本发明基于机理模型的卫生纸机干燥部操作参数优化方法的送风温度、鼓风频率与能源成本与最大值之比图。

图6为本发明基于机理模型的卫生纸机干燥部操作参数优化方法的烘缸热效率与气罩热效率效率的对比图。

图7为本发明基于机理模型的卫生纸机干燥部操作参数优化方法的对气罩热效率与气罩送风温度进行相关性分析图。

图8为本发明基于机理模型的卫生纸机干燥部操作参数优化方法的对气罩热效率与排风湿度进行相关性分析图。

图9为本发明基于机理模型的卫生纸机干燥部操作参数优化方法的操作参数优化流程图。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

一种基于机理模型的卫生纸机干燥部操作参数优化方法，包含下述的建模步骤，如图1所示：

一种基于机理模型的卫生纸机干燥部操作参数优化方法，包括下述步骤：

S1：建立生活用纸造纸机干燥部能量系统模型；

S2：固定产量，设置不同的操作参数组合，利用S1模型模拟各操作参数组合下的纸页干燥过程的关键中间变量、成纸干度和干燥能耗，并根据干度与排风湿度剔除不合格的操作参数组合；

S3：对S2剩余的操作参数组合的能源成本进行分析；

S4：对S2剩余的操作参数组合的能源利用效率进行分析；

S5：根据S3与S4的分析结果确定操作参数优化原则，制定完整的优化策略并建立对应的优化模型；

S6：使用S5建立的优化模型对纸机干燥部历史操作参数进行优化。

首先根据纸页干燥动力学模型公式建立纸页干燥中温、湿度模型，如下式所示：

其中，u_p为纸页的含水量，即单位质量绝干纤维所携带的水量，单位为kg水/kg绝干纤维；T_p为烘缸上各点纸页的温度，单位为℃；L为纸页在烘缸上经过的纵向距离，单位为m；K为纸页和空气之间的对流传质系数，单位为kg/(m²·s)；G为纸页的绝干定量，即纸页定量与干度的乘积，单位为kg/m²；v为纸机车速，单位为m/s；P_p为纸页表面水蒸气质量分数；P_a为纸页所处环境空气中的水蒸气质量分数；h_c-p为从烘缸内蒸汽到纸页的总传热系数，单位为W/(m²·℃)；T_c为烘缸内蒸汽温度，单位为℃；h_p-a为纸页和空气之间的对流传热系数，单位为W/(m²·℃)；T_a为纸页所处环境空气的温度，单位为℃；H_v,△H_s分别为纸页中的水分的蒸发相变热和吸附热，单位均为kJ/kg；C_f,C_w分别为纤维和水的比热，单位均为kJ/(kg·℃)。

成纸干度根据纸页离开烘缸时的含湿量确定，如下式所示：

式中，Dryness表示成纸干度，单位为％；u_out表示纸页离开烘缸时的含湿量，单位为kg水/kg绝干纤维。

如图2所示，烘缸能耗分为三部分，即通过各段干燥区和压榨处传给纸页的热量以及烘缸壳体的热损失，如下式所示：

式中，

为单位时间内烘缸的能耗，单位为kW；L_AE为纸页在烘缸经过的纵向行程，单位为m；h_sc为烘缸内蒸汽到烘缸表面总传热系数，单位为W/(m²·℃)；T_s为烘缸蒸汽温度，单位为℃；T_c为烘缸表面温度，单位为℃；W为纸页幅宽，单位为m；

为单位时间内烘缸在压榨处传给纸页的热量，单位为kW；

为单位时间内烘缸的热损失，单位为kW。

如图3所示，气罩加热器能耗分为两部分，即空气加热能耗和加热器热损失，如下式所示。

式中，

为单位时间内加热器能耗，单位为kW；

为气罩送风流量，单位为kg/s；ΔH_h为气罩送风焓变，单位为J/kg；X_h为送风湿度kg水/kg干空气；T_h为气罩送风温度，单位为℃；T_E为环境温度，单位为℃；A_hi、h_hi分别为加热器外表面第i块区域的传热系数和面积，为了简化热损失的计算，∑A_hih_hi视为常数，作为待定参数，单位为W/℃。

然后根据能管系统历史运行数据，选取纸机最常用的产量。在该产量下，分别设置不同的烘缸蒸汽压力、气罩送风温度、风机频率，得到4000组操作参数，分别代入S1中建立的生活用纸造纸机干燥部能量系统模型进行模拟，求解干燥过程的关键中间变量和成纸干度以及干燥能耗。生活用纸造纸机干燥部能量系统模型的输入变量有11个，包括：烘缸压力DP，单位为MPa；车速v，单位为m/min；纸种克重m，单位为g/cm²；卷取率CR，单位为％；湿侧送风温度T_w，单位为℃；干侧送风温度T_d，单位为℃；湿侧送风机频率f_w，单位为Hz；干侧送风机频率f_d，单位为Hz；排风机频率f_e，单位为Hz；环境温度T_E，单位为℃；环境相对湿度X_E，单位为％。

根据企业成纸质量标准要求，设置标准干度，本发明中成纸质量标准干度设置为≥92％，剔除掉过干燥的干燥部操作参数组合，只保留成纸模拟干度结果在92％-92.5％范围内的参数。

实际生产中，为了防止气罩滴水，必须将排风温度控制在露点以上。由于空气与气罩壳体的温度分布并不均匀，为了防止局部温度低于露点，必须将排风温度控制在较高的数值，与露点形成一定的差值。根据实际经验，这个差值在20℃以上时气罩内不会形成滴水。

露点由空气的含湿量确定，计算公式如下：

其中，T_dp为露点，单位为℃；P_a为水蒸气压，单位为Pa，根据空气含湿量计算：

其中，P_tot为空气总压，取常数101325Pa；X_a为空气含湿量，单位为％。

剔除掉干度不合格和排风温度低于露点20℃的数据后，剩余115组数据。

对剩余数据根据能源成本进行从高到低地排序，并与其它参数对比，如图5所示：

从图5可看出，在相同产量和成纸干度的前提下，不同操作参数产生的能源成本最大相差20％。经过排序后，发现送风温度的变化趋势与能源成本大致相关，而鼓风机频率在小趋势上与送风温度完全相反，但对能源成本的影响不大。这说明，虽然提高鼓风机频率，成纸达到干度要求所需的送风温度会降低，但是对总的能源成本并不会产生节降的效果。因此，在参数优化时可以忽略鼓风机频率，仅在产能不足时进行调节。干燥部的节能优化应重点考虑气罩送风温度。

纸页干燥过程的直接能耗与干燥部能量消耗的比值即为干燥部的能量利用效率。本发明选取了两个效率指标用于衡量干燥部的关键传热传质过程的能量利用效率，即烘缸热效率、气罩热效率。

烘缸热效率为烘缸传给纸页的热量与蒸汽传给烘缸的热量之比，计算公式如下式所示：

式中，η_C为烘缸热效率，单位为％；

为单位时间内烘缸传递给纸页的热量，单位为J/s；ΔH_c为烘缸蒸汽焓变，单位为J/kg；

为烘缸消耗的蒸汽流量，单位为kg/s。

气罩热效率为纸页在干燥过程中从气罩内的热风获取的热量与加热器消耗的热量之比，计算公式如下式所示：

式中，η_H为气罩热效率，单位为％；ΔH_p为干燥过程中纸页焓变，单位为J/kg；

为纸页质量流量，单位为kg/s。

烘缸热效率与气罩热效率效率的对比如图6所示。

由图6可知，气罩的热效率存在较大的波动，烘缸的热效率较为稳定，且高于气罩。

对气罩热效率与气罩送风温度进行相关性分析，如图7所示。

从图7可知，气罩送风温度越高，气罩加热器效率越低。分析原因可知，相比于烘缸的接触传热，纸页更难从气罩送风中吸收热量。导致气罩送风所携带的热量被排放，故温度越高，效率越低。

对气罩热效率与排风湿度进行相关性分析，如图8所示。

由图8可知，气罩的热效率与湿侧气罩排风湿度呈正相关，即排风湿度越高，所需要加热的气罩送风流量越低，加热器能耗越低。且在当前范围内效率并未到达拐点，说明在湿侧气罩排风湿度进行控制时应尽量调高。

根据前述分析结果确定如下的干燥部操作参数优化原则：

(1)参数优化时可不考虑调节鼓风机频率。

(2)气罩的热效率低于烘缸。参数调节时应优先利用烘缸进行加热，送风温度在允许范围内越低越好。

(3)气罩的热效率与排风湿度正相关，说明在满足产能和防止气罩滴水的前提下，排风湿度越高越好。

优化模型通过Python语言实现，具体流程如下：

步骤一：将干燥部能量系统模型输入中的操作参数初始化，然后开始迭代。操作参数保持不变，对排风湿度进行模拟。通过调整排风机频率，使得排风湿度保持在人为设置的最佳范围。

步骤二：求解成纸干度，根据干度结果对烘缸压力进行迭代，直到模拟干度达标。若烘缸压力达到极限，则对湿侧、干侧送风温度进行迭代。过程中对排风露点和排风温度进行模拟，若可能造成滴水(排风露点和排风温度温差在20℃以内不会发生滴水现象)，继续增加送风温度，直到成纸干度达标。具体的操作参数优化流程如图9所示。

步骤三：模拟优化后的每一组操作参数的蒸汽流量，风机电耗，计算能耗费用，得出能耗费用优化潜力。

最后从能源管理系统获取纸机干燥部历史运行数据，包括：包括:烘缸压力DP，单位为MPa；车速v，单位为m/min；纸种克重m，单位为g/cm²；卷取率CR，单位为％；湿侧送风温度T_w，单位为℃；干侧送风温度T_d，单位为℃；湿侧送风机频率f_w，单位为Hz；干侧送风机频率f_d，单位为Hz；排风机频率f_e，单位为Hz；环境温度T_E，单位为℃；环境相对湿度X_E，单位为％，使用建立的优化模型对纸机每一组操作参数组合下的排风频率、烘缸压力、送风温度进行优化。

Claims (9)

1.基于机理模型的卫生纸机干燥部操作参数优化方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：建立生活用纸造纸机干燥部能量系统模型；

S2：固定产量，设置不同的操作参数组合，利用S1模型模拟各操作参数组合下的纸页干燥过程的关键中间变量、成纸干度和干燥能耗，并根据干度与排风湿度剔除不合格的操作参数组合；

S3：对S2剩余的操作参数组合的能源成本进行分析；

S4：对S2剩余的操作参数组合的能源利用效率进行分析；

S5：根据S3与S4的分析结果确定操作参数优化原则，制定完整的优化策略并建立对应的优化模型；

S6：使用S5建立的优化模型对纸机干燥部历史操作参数进行优化。

2.根据权利要求1所述的基于机理模型的卫生纸机干燥部操作参数优化方法，其特征在于，所述S1包括以下子步骤：

S11：根据纸页干燥动力学模型公式建立纸页干燥中温模型和湿度模型，所述纸页干燥中温度模型为：

所述纸页干燥中湿度模型为：

其中，u_p为纸页的含水量即单位质量绝干纤维所携带的水量；T_p为烘缸上各点纸页的温度；L为纸页在烘缸上经过的纵向距离；K为纸页和空气之间的对流传质系数；G为纸页的绝干定量；v为纸机车速；P_p为纸页表面水蒸气质量分数；P_a为纸页所处环境空气中的水蒸气质量分数；h_c-p为从烘缸内蒸汽到纸页的总传热系数；T_c为烘缸内蒸汽温度；h_p-a为纸页和空气之间的对流传热系数；T_a为纸页所处环境空气的温度；H_v为纸页中的水分的蒸发相变热；△H_s为纸页中的水分的吸附热；C_f为纤维,C_w水的比热；

S12：根据纸页离开烘缸时的含湿量确定成纸干度，所述成纸干度的计算公式为：

式中，Dryness表示成纸干度；u_out表示纸页离开烘缸时的含湿量；

S13：根据烘缸能耗的计算公式计算烘缸能耗，所述烘缸能耗的计算公式为：

式中，

为单位时间内烘缸的能耗；L_AE为纸页在烘缸经过的纵向行程；h_sc为烘缸内蒸汽到烘缸表面总传热系数；T_s为烘缸蒸汽温度；T_c为烘缸表面温度；W为纸页幅宽；

为单位时间内烘缸在压榨处传给纸页的热量；

为单位时间内烘缸的热损失；

S14：根据气罩加热器能耗计算公式计算气罩加热器能耗，所述气罩加热器能耗计算公式为：

式中，

为单位时间内加热器能耗；

为气罩送风流量；ΔH_h为气罩送风焓变；X_h为送风湿度；T_h为气罩送风温度；T_E为环境温度；A_hi为加热器外表面第i块区域的传热系数，h_hi为加热器外表面第i块区域的传热面积，为了简化热损失的计算，∑A_hih_hi视为常数，作为待定参数。

3.根据权利要求1所述的基于机理模型的卫生纸机干燥部操作参数优化方法，其特征在于，所述S2包括以下子步骤：

S21：根据能管系统历史运行数据，选取纸机最常用的产量；

S22：在纸机最常用的产量下，分别设置不同的烘缸蒸汽压力、气罩送风温度、风机频率，得到4000组操作参数；

S23：将4000组操作参数分别代入S1建立的生活用纸造纸机干燥部能量系统模型进行模拟，求解干燥过程的关键中间变量、成纸干度和干燥能耗；

所述生活用纸造纸机干燥部能量系统模型的输入变量有11个分别为：烘缸压力DP；车速v；纸种克重m；卷取率CR；湿侧送风温度T_w；干侧送风温度T_d；湿侧送风机频率f_w；干侧送风机频率f_d；排风机频率f_e；环境温度T_E；环境相对湿度X_E；

S24：根据企业成纸质量标准要求，设置标准干度，成纸质量标准干度设置为≥92％，剔除掉过干燥的干燥部操作参数组合，保留成纸模拟干度结果在92％-92.5％范围内的参数；

S25：将排风温度控制在较高的数值，与露点形成一定的差值，这个差值在20℃以上时气罩内不会形成滴水，

露点由空气的含湿量确定，所述露点计算公式为：

其中，T_dp为露点；P_a为水蒸气压，根据空气含湿量计算：

其中，P_tot为空气总压，取常数101325Pa；X_a为空气含湿量；

S26：剔除掉干度不合格和排风温度低于露点20℃的数据后，剩余115组数据。

4.根据权利要求1所述的基于机理模型的卫生纸机干燥部操作参数优化方法，其特征在于，所述S3的分析结果为在参数优化时忽略鼓风机频率，仅在产能不足时进行调节，干燥部的节能优化应重点考虑气罩送风温度。

5.根据权利要求1所述的基于机理模型的卫生纸机干燥部操作参数优化方法，其特征在于，所述S4包括以下子步骤：

S41：选取烘缸热效率、气罩热效率衡量干燥部的关键传热传质过程的能量利用效率，所述烘缸热效率的计算公式为：

式中，η_C为烘缸热效率；

为单位时间内烘缸传递给纸页的热量；ΔH_c为烘缸蒸汽焓变；

为烘缸消耗的蒸汽流量；

所述气罩热效率的计算公式为：

式中，η_H为气罩热效率，％；ΔH_p为干燥过程中纸页焓变；

为纸页质量流量；分析结果为：气罩的热效率存在较大的波动，烘缸的热效率较为稳定，且高于气罩；

S42：对气罩热效率与气罩送风温度进行相关性分析，分析结果为气罩送风温度越高，气罩加热器效率越低；

S43：对气罩热效率与排风湿度进行相关性分析，分析结果为气罩的热效率与湿侧气罩排风湿度呈正相关，且在当前范围内热效率并未到达拐点，说明在湿侧气罩排风湿度进行控制时应尽量调高。

6.根据权利要求1所述的基于机理模型的卫生纸机干燥部操作参数优化方法，其特征在于，所述S5包括以下步骤：

S51：根据S3与S4分析结果，确定了如下的干燥部操作参数优化原则；

S52：使用Python语言建立优化模型；

S53：模拟经过S52优化模型优化后得到的每组操作参数的蒸汽流量和风机电耗，计算能耗费用，得出能耗费用优化潜力。

7.根据权利要求6所述的基于机理模型的卫生纸机干燥部操作参数优化方法，其特征在于，所述S51的操作参数优化原则包括：

第一、参数优化时可不考虑调节鼓风机频率；

第二、气罩的热效率低于烘缸，参数调节时应优先利用烘缸进行加热，送风温度在允许范围内越低越好；

第三、气罩的热效率与排风湿度正相关，说明在满足产能和防止气罩滴水的前提下，排风湿度越高越好。

8.根据权利要求6所述的基于机理模型的卫生纸机干燥部操作参数优化方法，其特征在于，所述S52包括以下子步骤：

S521：将干燥部能量系统模型输入中的操作参数初始化，开始迭代，操作参数保持不变，对排风湿度进行模拟，通过调整排风机频率，使得排风湿度保持在人为设置的最佳范围；

S522：根据干度结果对烘缸压力进行迭代，直到模拟干度达标，若烘缸压力达到极限，则对湿侧、干侧送风温度进行迭代，过程中对排风露点和排风温度进行模拟，若可能造成滴水,排风露点和排风温度温差在20℃以内不会发生滴水现象，继续增加送风温度，直到成纸干度达标，求解成纸干度。

9.根据权利要求1所述的基于机理模型的卫生纸机干燥部操作参数优化方法，其特征在于，所述S6包括以下子步骤:

S61：从能源管理系统获取纸机干燥部历史运行数据，包括：烘缸压力DP，；车速v；纸种克重m；卷取率CR；湿侧送风温度T_w；干侧送风温度T_d；湿侧送风机频率f_w；干侧送风机频率f_d；排风机频率f_e；环境温度T_E；环境相对湿度X_E；

S62：使用S5建立的优化模型对纸机每一组操作参数组合下的排风频率、烘缸压力、送风温度进行优化。

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