FI109479B - Menetelmä ja laitteisto paperirainan kuivaamiseksi - Google Patents

Description

, 109479 i

MENETELMÄ JA LAITTEISTO PAPERIRAINAN KUIVAAMISEKSI

Keksinnön kohteena on menetelmä paperirainan kuivaamiseksi, missä paperirainan kuivaamisen yhteydessä käytetään ainakin yhtä kuivatus-5 yksikköä, jossa kuivatus tapahtuu kuivatuskaasulla ja kuivatusyksikköä säädetään säätämällä ainakin kuivatusyksikön puhallusnopeutta ja puhallusläm-pötilaa.

Edelleen keksinnön kohteena on laitteisto paperirainan kuivaamiseksi, johon laitteistoon kuuluu ainakin yksi kuivatusyksikkö, jossa paperirai-10 nan kuivatus tapahtuu kuivatuskaasulla.

Paperirainaa kuivataan tyypillisesti kuivatuslaitteella, jossa on useita höyrylämmitteisiä sylintereitä. Tällaista kuivatusosaa säädetään pääasiallisesti säätämällä kuivatussylintereihin syötettävän höyryn painetta. Paperin kosteuden säätö tällä tavalla on kuitenkin varsin hankalaa ja erityisesti säätö on var-15 sin hidas.

Tunnetaan myös ratkaisuja, joissa on paperirainan kuivatuksen yhteydessä käytetään kuivatusyksiköitä, jotka puhaltavat paperirainaan kuivatus-kaasua. Tällaisista ratkaisuista on esimerkkinä US-patentissa 5009016 esitetty leijukuivainyksikkö ja Fl-julkaisuissa 982625 ja 982615 sekä WO-20 julkaisussa 99/32714 esitetty päällepuhallusyksiköiden käyttäminen.

Leijukuivainyksikössä paperirainan läpi puhalletaan ilmaa paperirai- • · ‘ nan kuivaamiseksi. Leijukuivainyksikössä paperirainan kuivaus tapahtuu kos-: kettamatta paperirainaa. Pääosa paperirainan läpi puhalletusta ilmasta kier- \v rätetään takaisin kuumennettavaksi ja uudelleenpuhallettavaksi kohti rainaa.

25 Puhallettavan kuivatusilman kosteuden pitämiseksi halutulla tasolla osa papein”: rirainan läpi puhalletusta kosteasta kuivatusilmasta poistetaan poistoilmana ja : ‘ ‘ : korvataan tarvittavalla määrällä tuoretta korvausilmaa.

Päällepuhalluskuivatuksessa paperiraina saatetaan kulkemaan niin ,·. : sanotun päällepuhallustelan ympäri samalla puhaltaen kuumaa kuivatusilmaa .···’ 30 rainaa kohti. Päällepuhallustela on yleensä halkaisijaltaan tavanomaista kui-vatussylinteriä suurempi ja päällepuhalluselimien osalta kuumailmahuuvan kattama. Huuvan suutinpinta on tietyllä etäisyydellä telan pinnasta, jolloin huu-van suutinpinnan ja telan väliin muodostuu kuivatusvyöhyke. Paperirainan kulkiessa huuvan alla päällepuhallustelan kehää pitkin telan ja huuvan väliin pu-"... 35 halletaan huuvasta puhaltimien avulla kuumaa kuivatusilmaa. Pääosa paperi- rainaa kohti puhalletusta ilmasta palautetaan poistoilmana takaisin huuvaan 109479 2 kuumennettavaksi ja uudelleen puhallettavaksi kohti rainaa. Puhallettavan kui-vatusilman kosteuden pitämiseksi halutulla tasolla osa radalta palautuvasta kosteasta kuivatusilmasta poistetaan poistoilmana ja korvataan tarvittavalla määrällä tuoretta korvausilmaa.

5 Kuivatusyksiköitä, jotka puhaltavat paperirainaan kuivatuskaasua säädetään säätämällä kuivatusyksiköiden puhallusnopeutta ja puhalluslämpö-tilaa. WO-julkaisussa 99/32714 on lisäksi esitetty, että päällepuhallusyksikköä voidaan säätää säätämällä päällepuhallusyksikön kiertoilman kosteutta sekä huuvan etäisyyttä rainasta. Kuivatusyksikön ohjaussuureiden muuttaminen 10 vaikuttaa luonnollisesti paperin kosteuteen, mutta ohjaussuureella on myöskin erittäin monimutkaiset vaikutukset muihin kuivatusyksikön suureisiin, minkä johdosta säätö on hidasta ja epätarkkaa. Säädön vaikean hallittavuuden takia onkin ollut erittäin vaikea hyödyntää tällaisia kuivatusyksiköitä esimerkiksi laji-vaihtojen yhteydessä. Kuivatusyksiköitä, jotka puhaltavat paperirainaan kui-15 vatuskaasua käytetään tyypillisimmin kuivatustehokkuuden lisäämiseen ja pa-perirainan kosteuden säätö toteutetaan jotain muuta kuivatusjärjestelyä käyttäen. Esimerkiksi päällepuhallusyksiköitä on käytetty lähinnä veden poiston tehostamiseen kuivatusosan alkupuolella.

Tämän keksinnön tarkoituksena on saada aikaan ratkaisu, jolla kui- 20 vatusyksiköiden säätö saadaan hallittua nopeasti, tehokkaasti ja tarkasti.

... Keksinnön mukaiselle menetelmälle on tunnusomaista, se että • · ·' ‘ määritetään kuivatusyksikön puhallusnopeuden muutoksen vaikutus puhal- : V luslämpötilaan ja puhalluslämpötilan muutoksen vaikutus puhallusnopeuteen ja ohjataan puhallusnopeutta ja puhalluslämpötilaa samanaikaisesti siten, että 25 poistetaan kyseisten suureiden välillä vallitsevat ristikkäisvaikutukset.

Edelleen keksinnön mukaiselle laitteistolle on tunnusomaista se, • · · että kuivatusyksikössä on välineet sen puhallusnopeuden ja puhalluslämpöti- • · · lan säätämiseksi ja että laitteistoon kuuluu välineet määrittämään kuivatusyk-.·. : sikön puhallusnopeuden muutoksen vaikutus puhalluslämpötilaan ja puhal- 30 luslämpötilan muutoksen vaikutus puhallusnopeuteen ja välineet puhallusnopeuden ja puhalluslämpötilan ohjaamiseksi samanaikaisesti siten, että poiste-:. ·. ’ taan kyseisten suureiden välillä vallitsevat ristikkäisvaikutukset.

: Keksinnön olennainen ajatus on, että paperirainan kuivaamisen ;·' yhteydessä käytetään ainakin yhtä kuivatusyksikköä ja kuivatusyksikköä sää- 35 detään säätämällä ainakin kuivatusyksikön puhallusnopeutta ja puhallusläm-’···* pötilaa. Edelleen olennaista on, että määritetään kuivatusyksikön puhallusno- 109479 3 peuden muutoksen vaikutus puhalluslämpötilaan ja vastaavasti puhallusläm-pötilan muutoksen vaikutus puhallusnopeuteen ja ohjataan puhallusnopeutta ja lämpötilaa samanaikaisesti siten, että poistetaan kyseiset ristikkäisvaikutuk-set. Erään edullisen sovellutusmuodon ajatuksena on, että määritetään edel-5 lämainittujen suureiden vaikutus kuivatusyksikön poistoilman kosteuteen ja poistoilman kosteuden muutoksen vaikutus edellämainittuihin suureisiin ja ohjataan kuivatusyksikön puhallusnopeutta, lämpötilaa ja poistoilman kosteutta samanaikaisesti siten, että poistetaan kyseiset ristikkäisvaikutukset. Erään toisen edullisen sovellutusmuodon ajatuksena on, että määritetään edellämai-10 nittujen suureiden vaikutus kuivatusyksikön korvausilman lämpötilaan ja kor-vausilman lämpötilan vaikutus edellämainittuihin suureisiin ja ohjataan kuivatusyksikön puhallusnopeutta, lämpötilaa, poistoilman kosteutta ja korvausilman lämpötilaa samanaikaisesti siten, että poistetaan kyseiset ristikkäisvaikutukset. Erään kolmannen edullisen sovellutusmuodon ajatuksena on, että mi-15 tataan kuivatusyksikön korvausilman lämpötilaa ja virtausmäärää ja poistetaan niiden muutoksesta säätöjärjestelmään aiheutuva häiriö myötäkytkennällä. Erään neljännen edullisen sovellutusmuodon ajatuksena on, että määritetään mallit, jotka kuvaavat suureiden ristikkäisvaikutuksia ja toteutetaan suureiden ohjaus malliprediktiivisellä monimuuttajasäädöllä. Erään viidennen edullisen 20 sovellutusmuodon ajatuksena on, että kuivatusyksikkö on päällepuhallusyksik-kö.

• : : Keksinnön etuna on, että eliminoimalla ristikkäisvaikutukset sää- : dettävien suureiden välillä saadaan huomattavasti parannettua kuivatusyksi- kön hallintaa. Esimerkiksi puhalluslämpötilan ja puhallusnopeuden säätö saa-25 daan tarkaksi ja nopeaksi. Paperin kosteuden hallinnasta saadaan tarkka ja nopea ja kaiken kaikkiaan paperin loppukosteuden säätö saadaan merkittä-. · · ·. västi ja aikaisempaa paremmaksi.

Keksintö on selitetty tarkemmin oheisissa piirustuksissa joissa . . kuvio 1 esittää kaavamaisesti paperinvalmistusprosessia, 30 kuvio 2 esittää kaavamaisesti osaa eräästä paperikoneen kuivatus- •; · ‘ osasta sivultapäin katsottuna ja osittain poikkileikattuna, : kuvio 3 esittää kaavamaisesti erästä kuvion 2 mukaisen päällepu- : “ ’: hallusyksikön säätöjärjestelmän periaatetta, kuvio 4 esittää päällepuhallusyksikön prosessisuureiden riippu-35 vuutta eri ohjaussuureiden välillä, * · · 4 109479 kuvio 5 esittää lohkokaaviota päällepuhallusyksikön puhalluslämpö-tilan puhallusnopeuden säädöstä, kuvio 6 esittää kaavamaisesti paperin päällystysyksikköä sivulta päin katsottuna ja 5 kuvio 7 esittää kuvion 6 mukaisen ratkaisun yhteydessä käytettävän leijukuivainyksikön ilmavirtauskaaviota.

Kuviossa 1 on esitetty kaavamaisesti paperinvalmistusprosessi. Paperi valmistetaan paperikoneella, johon kuuluu perälaatikko 1, josta kuitu-massa syötetään formeriin 2, missä kuitumassasta muodostuu kuituraina 3.

10 Formerin 2 jälkeen kuituraina 3 johdetaan kuivatusosaan 4. Formerin 2 ja kui-vatusosan 4 väliin voidaan sovittaa puristinosa 5. Kuivatusosan 4 jälkeen kuituraina johdetaan rullaimelle 6. Paperikoneeseen voi vielä kuulua liimapuristi-mia, kalanteri tai päällystysyksiköitä, joita ei selvyyden vuoksi ole esitetty kuviossa 1. Edelleen paperikoneen toiminta on alan ammattimiehelle sinänsä täy-15 sin tunnettua eikä sitä sen vuoksi tässä yhteydessä sen tarkemmin selitetä.

Kuviossa 2 on esitetty osa kuivatusosasta 4. Kuivatusosassa 4 on useita konventionaalisia höyrylämmitteisiä kuivaussylintereitä 7. Osa sylintereistä voi olla korvattu alipaineteloilla. Tämän lisäksi kuivatusosaan 4 on sovitettu yksi tai useampia päällepuhallussylintereitä 8, joiden yhteyteen on sovi-20 tettu päällepuhallushuuvat 9 kuuman ilman tai kaasun tai tulistetun höyryn tai jonkin muun kuivatuskaasun puhaltamiseksi kuivattamaan kuiturainaa. Päälle-: puhallus voi tapahtua joko suoraan kohti paperirainaa tai viiran läpi puhalta- : maila. Selvyyden vuoksi ei oheisessa kuviossa ole esitetty kuiturainaa, viiroja, ·.·*.: aputeloja, tukirakenteita ja muita vastaavia kuivatusosaan 4 kuuluvia osia, jot- 25 ka ovat alan ammattimiehelle täysin itsestään selviä. Päällepuhallusyksiköiden : avulla saadaan kuivatusosan 4 kuivaustehokkuutta ja kuivausnopeutta paran- .···. nettua huomattavasti verrattuna esimerkiksi konventionaaliseen kuivatus-osaan, jossa kuivatus perustuu pelkästään höyrylämmitteisiin sylintereihin 7.

. . Päällepuhallushuuvalla 9 puhalletaan kuivatuskaasua esimerkiksi, 30 kuumaa ilmaa, korkealla nopeudella päin paperirainaa. Ilman lämpötila voi olla ·;·' esimerkiksi noin 350 °C ja nopeus noin 90 metriä sekunnissa. Kun tämä kuu-: ma ilma puhalletaan kosketuksiin kostean paperirainan kanssa luovuttaa kui- vatusilma lämpöenergiaa paperirainalle. Paperissa oleva vesi höyrystyy tällöin ympäröivään ilmaan. Noin 250 °C lämpötilatasolle jäähtynyt ja kostunut kuiva-35 tusilma imetään paluuilmana takaisin päällepuhallushuuvaan. Saavutettavissa '···* oleva haihdutusteho riippuu puhallusparametreistä, joita ovat esimerkiksi pu- 5 109479 hallusilman lämpötila, suutinnopeus ja ilman kosteustaso. Edelleen haihdu-tusteho riippuu myös paperirainan kuiva-ainepitoisuudesta, alkulämpötilasta ja paperirainan massan koostumuksessa jne.

Kuuma kuivatusilma ohjataan päällepuhallushuuvan 9 puhallus-5 kammion 10 kautta kohti paperirainaa. Paperirainasta haihtuva vesi imetään paluuilman mukana takaisin huuvaan, huuvan poistoilmatilaan 11. Suurin osa paluuilmasta kierrätetään poistoilmatilasta poistoilmapuhaltimella 12 takaisin puhalluskammioon 10. Poistoilmapuhaltimella 12 saadaan aikaan tarvittava paine oikean puhallusnopeuden saavuttamiseksi. Poistoilmapuhaltimen 12 10 tuottama ilmamäärä ja tällöin myös puhallusnopeus suuttimessa säädetään säätämällä poistoilmapuhaltimen 12 moottorin kierroslukua.

Poistoilmapuhaltimen 12 jälkeen ilmaa lämmitetään ilmankuumen-nusyksiköllä, johon kuuluu poltinkammio, kaasupoltin 13 ja liekkisuoja. Poltin-kammio on periaatteessa osa poistoilmakanavistoa. Puhallusilman lämpötilaa 15 säädetään muuttamalla kaasupolttimen 13 tehoa. Lämpötilan säätö vaikuttaa myös puhallusnopeuteen, koska ilman tiheys muuttuu lämpötilan funktiona. Jos siis poistoilmapuhaltimen 12 kierrosluku pidetään muuttumattomana nousee puhallusnopeus puhalluslämpötilan noustessa. Kaasupolttimen 13 tehoa säädetään säätämällä polttimelle 13 syötettävän kaasun määrää. Saman ai-20 kaisesti säädetään myös kaasupolttimen 13 palamisilman määrää palamisil-man ja poistoilman paine-eron perusteella. Polttimen ympärillä on liekkisuoja | : jonka tarkoituksen on suojata liekki poistoilmavirtauksesta sekä suojata poltin- ! kammion seinät hyvin kuumasta liekistä, ja myös siirtää lämpöä ympäröivään poistoilmaan. Kaasupolttimen 13 lisäksi tai sijaan voidaan puhallusilmaa läm-: * ·.: 25 mittää myös höyryllä lämmönvaihtimen kautta.

Kaasupolttimelta 13 ilma kulkeutuu kanavistoja pitkin puhalluskam- • * · .···. mioon 10. Puhalluskammion 10 avulla puhallusilmaa jaetaan tasaisesti koko päällepuhallusalueelle. Puhallusilma puhalletaan puhalluskammion 10 pinnas-. . sa olevien pienien reikien eli puhallussuuttimen läpi. Puhalluskammiossa 10 30 on edelleen puhallussuuttimia suurempia poistoaukkoja, joiden kautta paluuil-•; ·' ma ja haihdutettu vesi imetään poistoilmatilaan 11.

: Puhalluskammion 10 suutinpinnan ja paperirainan välinen etäisyys on tyypillisesti esimerkiksi noin 25 mm. Kyseinen etäisyys vaikuttaa suoraan haihdutustehoon. Jos etäisyys on selvästi suurempi kuin 25 mm heikkenee 35 kuivatusteho. Jos taas etäisyys on selvästi tätä pienempi voi syntyä ongelmia 109479 6 ratakatkon sattuessa, eli paperiraina voi esimerkiksi törmätä puhalluskammi-oon ja tällöin saattaa syntyä tukkeuma paperikoneeseen.

Tyypillisesti noin 20 % paluuilmasta poistetaan huuvasta 10 paperi-rainasta haihdutetun veden pois kuljettamiseksi. Ulos poistettava ilma imetään 5 poistoilmatilasta 11 poistoilman jakokanavan 15 kautta.

Ulos poistettava ilma korvataan kaasupolttimelle 13 syötettävällä palamisilmalla sekä suoraan poistoilmatilaan 11 syötettävällä korvausilmalla. Korvausilma tuodaan poistoilmatilaan 11 korvausilman jakokanavan 16 kautta. Haluttaessa voidaan ulos poistettu ilma korvata pelkästään kaasupolttimelle 10 13 syötettävällä palamisilmalla eli poistoilmatilaan 11 ei tuoda ollenkaan suo raan korvausilmaa.

Ulos poistettavan ilman ja tuloilman käsittelyssä käytettävät laitteet on sovitettu huuvan 9 ulkopuolelle eikä niitä selvyyden vuoksi ole esitetty kuviossa 2. Kyseiset laitteen ja niiden toiminta käy kuitenkin ilmi kuviosta 3. Tyypil-15 lisesti päällepuhallushuuva 9 on jaettu kahteen osaan, jolloin esimerkiksi pu-halluskammiota 10, poistoilmapuhaltimia 12 ja kaasupolttimia 13 on kahdet kappaleet kuten on esitetty kuviossa 3.

Poistoilman jakokanavassa 15 on poistoilmapuhallin 17. Ulos poistettavan ilman määrää säädetään poistoilmakanavassa 15 olevalla säätösälei-20 köliä 18 säätösäleikköä säädetään ilmanvirtauksen säätimellä 19. Säätösälei-kön 18 sulkeminen johtaa poistettavan ilmamäärän pienentämiseen ja pois- • : : tollman kosteustason nostamiseen.

: Tuloilmapuhaltimella 20 puhalletaan ilmaa korvausilman jakokana- • V: viin 16 ja paloilman jakokanaviin 21. Palamisilman määrää säädetään paloil- 25 man jakokanavassa 21 olevalla palamisilman säätösäleiköllä 22. Säätösäleik-; köä säädetään mittaamalla poistoilman paine paineanturilla 23a ja palamisil- .···. man paine paineanturilla 23b sekä säätämällä säätösäleikköä 22 paine-erosää-timellä24.

. , Korvausilman määrää säädetään säätösäleiköllä 25, jota ohjataan 30 ilmavirtauksen säätimellä 26. Korvausilman säädön tarkoitus on ylläpitää hy-*··* vää ilmatasetta eli varmistaa että huuvasta pursuaa ulos tai huuvaan kulkeu-: f: tuu mahdollisimman vähän vuotoilmaa.

Päällepuhallushuuvan ulos poistettavan ilman lämpötila on normaalitilanteessa n. 200 - 250 °C. Tätä ilmaa käytetään palamis- ja korvausilman 35 esilämmittämiseen johtamalla poistoilma lämmön talteenottolaitteen 27 läpi. '···' Tuloilma otetaan tyypillisesti ulkoa ja johdetaan lämmön talteenottolaitteen 27 7 109479 läpi, minkä jälkeen korvausilmana käytettävän tuloilman lämpötila on tyypillisesti tasolla 160 - 180°C. Korvausilman lämmittämiseen voidaan käyttää vielä erillistä korvausilman lämmitintä 14.

Kuviossa 4 on esitetty päällepuhallusyksikön vastematriisi, joka ku-5 vaa prosessisuureiden riippuvuutta eri ohjaussuureiden välillä. Päällepuhallu-syksikössä on kolme primääristä hallittavaa suuretta, joiden käyttäytyminen on toisistaan voimakkaasti riippuvaista nimittäin puhallusilman nopeus, puhal-lusilman lämpötila ja poistoilman kosteus. Kuvion 4 matriisissa on lisäksi otettu huomioon korvausilman lämpötila, joka myös riippuu edellä mainituista suu-10 reistä ja vaikuttaa olennaisesti ilmajärjestelmän dynamiikkaan.

Kuvion 4 kullakin vaakarivillä on esitetty miten tietyn suureen ohjaus vaikuttaa muihin suureisiin. Ensimmäisessä pystysarakkeessa on esitetty kunkin suureen ohjaus. Ensimmäisestä vaakarivistä huomataan, että puhallusno-peudella on suuret ristikkäisvaikutukset puhalluslämpötilaan sekä poistoilman 15 kosteuteen. Kun puhallusnopeutta kasvatetaan niin puhalluslämpötila laskee ja samalla myös laskee korvausilman lämpötila. Samanaikaisesti poistoilman kosteus kasvaa, koska rainasta poistetaan vettä enemmän.

Kun puhalluslämpötilaa kasvatetaan, kasvaa korvausilman lämpötila kuten myös poistoilman kosteus ja samalla myöskin puhallusnopeus. Kun 20 kolmannen vaakarivin mukaisesti poistettavan ilman, eli ulos poistettavan ilman määrää kasvatetaan, pienenee siis poistoilman kosteus ja puhallusnope-.: : us, puhalluslämpötila ja korvauslämpötila laskevat.

: Kun korvausilman lämpötilaa nostetaan, kasvavat sekä puhallusno- .Y: peus, puhalluslämpötila että poistoilman kosteus. Kuviossa 4 ei ole huomioitu 25 sitä miten suuri ohjauksen vaste on tai millainen sen dynamiikka on vaan kuvi-ossa on vain havainnollistettu minkä tyyppinen kukin vaste tyypillisesti on eri • · · .···. suureiden ohjauksilla tietyssä toimintapisteessä. Keksinnön mukaisesti kyseiset vaikutukset kuitenkin mallinnetaan. Kyseinen mallinnus tapahtuu prosessi-. . kokeilla esimerkiksi siten, että ohjataan yhtä suuretta ja muut ohjaukset pide-30 tään muuttumattomina ja mitataan kukin vaste ja tämä toistetaan niin monta ·;* kertaa, että saadaan aikaiseksi riittävän luotettavat mallit. Malleina voidaan : käyttää fysikaalisia malleja ja fysikaalisten mallien parametrit voidaan määrit- tää prosessikokein. Malleja voidaan päivittää toimintapisteiden muuttuessa.

»»»

Mallien muodostaminen tällä tavoin on alan ammattimiehelle sinänsä täysin ; 35 selvää eikä niitä sen vuoksi tässä yhteydessä käsitellä sen tarkemmin.

8 109479

Mallien identifioimisen jälkeen ne syötetään malliprediktiiviseen mo-nimuuttujasäätimeen 28. Säätimelle 28 syötetään asetusarvoina päällepuhal-lusnopeus, päällepuhalluslämpötila ja poistoilman kosteus. Puhallusnopeus mitataan ilmanpaineanturilla 29 ja puhallusilman lämpötila lämpötila-anturilla 5 30. Edelleen mitataan poistoilman kosteus kosteusanturilla 31 poistoilman ja-kokanavasta 15.

Puhallusilman lämpötilaa säädetään säätämällä kaasuventtiiliä 32, joka määrittelee kaasupolttimelle syötettävän kaasuvirtauksen määrää. Edelleen säädetään puhallusilman nopeutta säätämällä poistoilmapuhaltimen 12 10 moottorin kierroslukua. Poistoilman kosteutta säädetään säätämällä säätösä-leikön 18 asentoa säätimen 19 avulla. Säätimen 19 säätämisessä voidaan hyödyntää myös kaskadiratkaisua, jossa huomioidaan poistettavan ilmavirtauksen suuruus ilmavirtausanturin 33 avulla.

Sekä puhallusnopeutta, puhalluslämpötilaa että poistoilman koste-15 utta säädetään kaikkia samanaikaisesti malliprediktiivisellä monimuuttujasää-timellä 28, jossa on siis mallit kyseisten suureiden ristikkäisvaikutuksesta ja joka säädin huomioi kyseiset ristikkäisvaikutukset siten, että ne saadaan poistettua. Malliprediktiivisen monimuuttujasäädön perusrakenne on alan ammattimiehelle sisänsä tunnettu, eikä sitä sen vuoksi tässä yhteydessä ole käsitelty 20 sen tarkemmin.

Edellisten säätöpiirien lisäksi säätimellä 28 säädetään korvausilman : määrä säätämällä ilmavirtaussäädintä 26, joka ohjaa säätösäleikköä 25. Kor- • · · : vausilman syöttöä säädetään huuvasta poistettavan ilmamäärän perusteella v.: jota siis säädetään ilmavirtauksen säätimellä 19. Poistettavan ilmamäärän :\i 25 kasvaessa huuvaan syötetään lisää korvausilmaa ja näin ollen ilmavirtauksen säätimen 19 ja ilmavirtauksensäätimen 26 säätöpiirit on kytketty toisiinsa. Il- I I » .···. mavirtauksen säätimelle 26 johdetaan lisäksi tietoa korvausilman määrästä il-manvirtausanturilta 34.

. . Korvausilman virtausmuutokset aiheuttava häiriöitä muihin päälle- 30 puhallusyksikön säädettäviin suureisiin. Korvausilman virtausmäärä mitataan siis ilmanvirtausanturilla 34 ja korvausilman lämpötila mitataan korvausilman : lämpötila-anturilla 35. Kyseisistä mittauksista johdetaan myötäkytkentäsignaa- lit 36a ja 36b säätimelle 28, jolloin korvausilman virtauksen muutoksen aiheuttamat häiriöt voidaan eliminoida myötäkytkennällä.

35 Kuvion 3 mukaisessa ratkaisussa säätimen koko on 3x3, jolloin siis *···’ hallitaan kolmea primäärisuuretta eli puhallusnopeus, puhalluslämpötila ja 9 109479 poistoilman kosteus kolmen eri ohjausmuuttujan avulla. Tällainen konstruktio tulee kysymykseen esimerkiksi päällepuhallusyksiköissä, joissa ei ole kor-vausilman lämmitintä. Mikäli päällepuhallusyksikkö varustetaan esimerkiksi korvausilman lämmittimellä voi säätimen 28 koko olla 4x4, jolloin voidaan hal-5 Iita samanaikaisesti neljää eri suuretta eli puhallusnopeus, puhalluslämpötila, korvausilman lämpötila ja poistoilman kosteus.

Suureiden välisen ristikkäisvaikutusten kompensointi voidaan toteuttaa myös myötäkytkentöjen avulla. Kuviossa 5 on esitetty lohkokaavio siitä, miten puhalluslämpötilan ja puhallusnopeuden väliset ristikkäisvaikutukset 10 saadaan kompensoitua.

Säätö- ja systeemitekniikassa systeemin toimintaa voidaan kuvata differentiaaliyhtälöillä. Systeemin toiminnan selvittämiseksi halutussa tilanteessa differentiaaliyhtälö pitää ratkaista. Differentiaaliyhtälöiden ratkaisemiseksi on olemassa useita mahdollisuuksia. Yksi tapa esittää ja ratkaista diffe-15 rentiaaliyhtälöitä on käyttää konvoluutiointegraalimuunnoksia, jollainen on esimerkiksi Laplace-muunnos. Tässä hakemuksessa Laplace-muunnoksen kanssa ekvivalenteiksi muunnoksiksi ymmärretään myös muut konvoluutioin-tegraalimuunnokset, jollaisiksi katsotaan esimerkiksi Fourier- ja Z-muunnokset ja joiden avulla keksinnöllistä ratkaisua voidaan kuvata. Laplace-muunnoksen 20 ja -käänteismuunnoksen matemaattiset esitystavat ovat seuraavassa: äo

·* 0 • · * QO

v! £·'</(0) o V·: missä L tarkoittaa Laplace-muunnosoperaattoria, .···; 25 L'l tarkoittaa Laplace-käänteismuunnosoperaattoria, i on Laplace-muunnoksessa imaginaarisen s-avaruuden s-: muuttuja, t »· !..* t on aikamuuttuja, f(t) on funktio muuttujalla t ja 30 F(s) on Laplace muunnettu funktio muuttujalla s.

: Laplace-muunnoksella muunnetaan yleensä prosessin sisäänmeno- ja ulos- ;·' tulosuureiden aikamuuttujafunktioita, jolloin s-avaruus kuvaa sisäänmeno ja *... ulostulosuureiden aikamuuttujafunktioita, jolloin s-avaruus kuvaa sisäänmeno- 1Π 109479 10 ja ulostulosuureiden taajuusriippuvuutta. Tyypillinen yksinkertainen siirtofunktio on esimerkiksi Y(s) Ke-T<s ^ X(s) l + Ts ’ missä 5 G(s) on prosessin siirtofunktio, K on prosessin vahvistuskerroin,

Td on prosessin kuollut aika, r on prosessin aikavakio, X(s) on sisäänmenosuure ja 10 Y(s) on ulostulosuure.

Sisäänmenosuureita voivat olla esimerkiksi päällepuhallusnopeus tai päällepuhalluslämpötila, jotka vaikuttavat ulostulosuureena olevaan paperin kosteuteen.

Kuvion 5 lohkokaaviossa ylempänä on esitetty puhalluslämpötilan 15 säätöpiiri, jota ohjaa lämpötilan säätäjä TIC sekä siirtofunktiot säätöpiirien ohjauksesta puhalluslämpötilaan GT sekä puhalluslämpötilasta paperin kosteuteen GM1. Lohkokaaviossa alempana on vastaavasti esitetty puhallusnopeuden säätöpiiri, jota ohjaa puhallusnopeuden säätäjä PIC sekä siirtofunktiot säätöpiirin ohjauksesta puhallusnopeuteen Gv että puhallusnopeudesta paperin-... 20 kosteuteen GM2. Kyseiset siirtofunktiot kuvaavat kuinka eri suureet vaikuttavat toisiinsa taajuuden funktiona.

• ·* Kuviossa 5 on myös esitetty häiriön siirtofunktio GD puhallusnopeu- v.: den ja puhalluslämpötilan välillä. Häiriön siirtofunktio GD aiheutuu puhallusläm- V·· potilaan ja paperin kosteuteen puhallusnopeutta muutettaessa.

25 Dynamiikaltaan puhalluslämpötila on huomattavasti hitaampi kuin puhallusnopeus. Tämän lisäksi puhallusnopeuden muutokset vaikuttavat nopeasti ja häiritsevästi puhalluslämpötilaan ja samalla paperin kosteuteen. Kun : puhallusnopeus kasvaa, laskee puhalluslämpötila ja päinvastoin. Toisaalta ,’···’ puhallusnopeuden kasvattaminen saa ensin paperin kosteuden pienenemään, :* 30 mutta koska samalla puhalluslämpötila laskee, kasvaa loppujen lopuksi myös paperin kosteus, mikäli lämpötilamuutosta ei mitenkään kompensoida. Vas-taavasti puhalluslämpötilan muutoksilla ei ole niin suurta vaikutusta puhallus-nopeuteen.

’Koska puhallusnopeuden ja lämpötilan välillä on merkittävä ristik-35 käisvaikutus, on päällepuhallusyksikön nopea säätäminen varsin vaikeata.

11 109479 j

Ristikkäisvaikutuksesta aiheutuvan häiriön vaikutusta voidaan pienentää kuviossa 5 esitetyllä myötäkytketyllä päällepuhallusyksikön säädöllä, jossa on muodostettu myötäkytkentä GFF puhallusnopeuden ja puhalluslämpötilan välillä. Myötäkytkentä voidaan määritellä yhtälöllä 5 Gff = -Gq/Gt

Kyseisessä yhtälössä muuttujina käytetään prosessikokeilla määritettyjä malleja.

Kaiken kaikkiaan puhallusnopeutta ja puhalluslämpötilaa säädetään seuraavasti: Puhallusnopeutta hallitaan takaisinkytketyllä säädöllä A ja puhal-10 luslämpötilaa hallitaan takaisinkytketyllä säädöllä B. Asetusarvot molemmille säätimille voidaan antaa ylemmältä tasolta, esimerkiksi kosteussäätäjälle. Asetusarvot voivat olla myös paikallisia. Takaisinkytkentöjä varten mitataan puhallusnopeus ja puhalluslämpötila. Puhallusnopeuden muuttuessa puhalluslämpötilan säätäjän TIC ohjausta muutetaan myötäkytkennän GFF avulla 15 siten, että puhallusnopeuden muutoksen aiheuttamat vaikutukset puhallus-lämpötilaan eliminoituvat. Jos siis esimerkiksi puhallusnopeutta kasvatetaan : niin vastaavasti puhalluslämpötilan säätöpiirin ohjausta kasvatetaan, jotta puhalluslämpötila ei muuttuisi tavoitearvosta. Myötäkytkennän avulla siis puhalluslämpötila saadaan pidettyä tavoitearvossaan vaikka puhallusnopeutta 20 muutetaan nopeasti.

.;.t Kuviossa 6 on esitetty kaavamaisesti paperin päällystysyksikkö si- vultapäin katsottuna. Paperiraina 3 tulee kuivatusosasta 4 päällystysyksikölle • · · *, f 37. Päällystetty paperiraina 3 johdetaan infrapunakuivaimen 38 kautta ja sen < i jälkeen leijukuivainyksikön 39 läpi. Leijukuivainyksikön 39 jälkeen on vielä so- :.’*i 25 vitettu jälkikuivausyksikkö 40. Leijukuivainyksikössä 39 paperirainan 3 läpi pu-halletaan ilmaa paperirainan 3 kuivaamiseksi. Leijukuivainyksikössä paperirai-nan 3 kuivaus tapahtuu koskettamatta paperirainaa.

Kuviossa 7 on esitetty leijukuivainyksikön 39 ilmavirtauskaavio. Ilma syötetään leijukuivaimeen 41 sisäänsyöttökanavaa 42 pitkin ja poistetaan lei- » i .···, 30 jukuivaimesta 41 ulostulokanavaa 43 pitkin. Leijukuivainyksikköön 39 kuuluu ’·[ edelleen kaasupoltin 44, jolla säädetään puhallusilman lämpötilaa. Kaasupolt- timen 44 säätö taas tapahtuu säätämällä kaasupolttimelle 44 syötettävän kaa-sun määrää kaasuventtiilillä 45. Kaasupolttimelle 44 syötetään palamisilmaa » : ·, palamisilmapuhaltimella 46 palamisilmakanavaa 47 pitkin.

t

I I

I · I · · ί 12 109479

Puhallusilman virtauksen saa aikaan poistoilmapuhallin 48. Puhal-lusnopeuden säätö tapahtuu säätämällä poistoilmapuhaltimen 48 moottorin kierroslukua.

Kaikkea ulostulokanavasta 43 tulevaa ilmaa ei kierrätetä takaisin 5 poistoilmapuhaltimella 48 vaan osa ilmasta johdetaan poistoilmakanavaan 49. Poistoilmakanavassa 49 on myös poistoilmapuhallin 50. Poistetun ilman tilalle tuodaan korvausilmaa korvausilmakanavan 51 kautta.

Leijukuivainuksikköön 39 kuuluu edelleen ohituskanava 52. Normaalisti ohituskanavassa 52 oleva ohitussäleikkö 53 on suljettuna, jolloin ilma 10 virtaa sisäänsyöttökanavaa 42 pitkin leijukuivaimeen 41 ja sieltä edelleen ulostulokanavaa 43 pitkin pois, jolloin kuivain on ns. pitkällä kierrolla. Sulkemalla sulkusäleiköt 54 ja avaamalla ohitussäleikkö 53 saadaan estettyä ilman virtaus leijukuivaimeen 41, jolloin ilma virtaa ohituskanavan 52 kautta eli leiju-kuivainyksikkö 39 on ns. lyhyellä kierrolla. Siirtyminen lyhyelle kierrolle on tar-15 peen esimerkiksi ratakatkon sattuessa.

Poistoilmakanavassa 49 on säätösäleikkö 55, jolla voidaan säätää poistoilman määrää. Poistoilman määrää säädetään mitatun kosteuden perusteella. Leijukuivainyksikön 39 säätäminen vastaa periaatteeltaan kuviossa 3 esitetyn päällepuhallusyksikön säätämistä. Myös leijukuivainyksikössä 39 20 säädetään siis puhallusnopeutta ja puhalluslämpötilaa sekä poistoilman mää-... rää poistoilman kosteuden säätämiseksi. Edelleen myös leijukuivainyksikössä . 39 voidaan haluttaessa säätää korvausilman lämpötilaa. Myös leijukuivainyk sikössä 39 voidaan määrittää säädettävien suureiden ristikkäisvaikutukset ja ohjata kyseisiä suureita samanaikaisesti siten, että poistetaan kyseiset ristik-•.' ·: 25 käisvaikutukset keksinnössä esitetyllä tavalla.

Piirustukset ja niihin liittyvä selitys on tarkoitettu vain havainnollis-tamaan keksinnön ajatusta. Yksityiskohdiltaan keksintö voi vaihdella patenttivaatimusten puitteissa. Niinpä kuivatusyksiköllä puhallettava kuivatuskaasu voi .·. : olla ilmaa tai höyryä tai jotain muuta kuivatuskaasua. Edelleen keksintöä voi- .···. 30 daan soveltaa muidenkin kuivatusyksiköiden kuin päällepuhallusyksiköiden tai ’·’ leijukuivainyksiköiden yhteydessä. Kuivatusyksikkö voi siten olla jenkkikui- vausyksikkö, läpivirtauskuivausyksikkö tai sellun ilmakuivausyksikkö. Mallipre-diktiivisen monimuuttujasäädön tai myötäkytkentöjen sijaan voidaan keksintö :·. toteuttaa myös sumealla logiikalla tai neuraaliverkolla tai jollain muullakin mo- ’···. 35 nimuuttujasäätömenetelmällä kuin malliprediktiivisellä monimuuttujasäädöllä.

• »

Selityksessä on esitetty, että säädön yhteydessä mitataan esimerkiksi kuiva- 13 109479 tuskaasun kosteutta, lämpötilaa ja virtausta. Säädössä voidaan kuitenkin hyödyntää myös mitatuista suureista johdettuja suureita kuten kuivatuskaasussa olevan veden ja ilman määrää tai sitä paljonko kuivatuskaasussa on lämpöä energiana.

5 Päällepuhalluslaitteistoon, erityisesti päällepuhallusyksikön huuvan yhteyteen on myös mahdollista asentaa infrapunakuivainyksikkö. Infrapunakuivaus perustuu infrapuna-alueen säteilyyn, joka suunnataan IR-säteilylähteestä kohti kuivattavaa rainaa. IR-säteily lämmittää kuivattavaa rai-naa ja parantaa kuivumista. Kun infrapunayksikkö on asennettu päällepuhallu-10 syksikön yhteyteen, saadaan kuivatustehokkuutta parannettua. IR-yksikkö takaa yhdistelmälle jatkuvan peruslämmityksen, jolloin päällepuhallusyksikön ei tarvitse lämmittää rataa lämpötilatasolle, jolla haihtuminen alkaa, vaan se voi I suoraan keskittyä profilointiin. Infrapunakuivain voidaan asentaa myös paperi koneen märkään päähän tehostamaan paperin kosteusprofilointia.

tl* • · · I « t • · · • · • · · • · t • · • · » • e • • · t t · · • · • · • · • · ·

Claims (16)

1. Menetelmä paperirainan kuivaamiseksi, missä paperirainan (3) kuivaamisen yhteydessä käytetään ainakin yhtä kuivatusyksikköä, jossa kui- 5 vatus tapahtuu kuivatuskaasulla ja kuivatusyksikköä säädetään säätämällä ainakin kuivatusyksikön puhailusnopeutta ja puhalluslämpötilaa, tunnettu siitä, että määritetään kuivatusyksikön puhallusnopeuden muutoksen vaikutus puhalluslämpötilaan ja puhalluslämpötilan muutoksen vaikutus puhallusno-peuteen ja ohjataan puhailusnopeutta ja puhalluslämpötilaa samanaikaisesti 10 siten, että poistetaan kyseisten suureiden välillä vallitsevat ristikkäisvaikutuk-set.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että määritetään edellämainittujen suureiden vaikutus kuivatusyksikön pois-toilman kosteuteen ja poistoilman kosteuden muutoksen vaikutus edellä mai- 15 nittuihin suureisiin ja ohjataan kuivatusyksikön puhailusnopeutta, puhalluslämpötilaa ja poistoilman kosteutta samanaikaisesti siten, että poistetaan kyseisten suureiden välillä vallitsevat ristikkäisvaikutukset.

3. Patenttivaatimuksen 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että määritetään edellämainittujen suureiden vaikutus kuivatusyksikön kor- 20 vausilman lämpötilaan ja korvausilman lämpötilan vaikutus edellä mainittuihin suureisiin ja ohjataan kuivatusyksikön puhailusnopeutta, puhalluslämpötilaa, ,;*/ poistoilman kosteutta ja korvausilman lämpötilaa samanaikaisesti siten, että '· ·’ poistetaan kyseisten suureiden välillä vallitsevat ristikkäisvaikutukset. v.:

4. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, 25 tunnettu siitä, että määritetään mallit, jotka kuvaavat suureiden ristikkäis-vaikutuksia ja toteutetaan suureiden ohjaus malliprediktiivisellä monimuuttuja-säädöllä.

5. Patenttivaatimuksen 4 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, : että käytetään malleina fysikaalisia malleja ja fysikaalisten mallien parametrit .···' 30 määritetään prosessikokein.

6. Patenttivaatimuksen 4 tai 5 mukainen menetelmä, tunnettu :.i.: siitä, että malleja päivitetään toimintapisteiden muuttuessa.

7. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, :·] tunnettu siitä, että kuivatuskaasu on ilmaa. '... 35

8. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että kuivatusyksikkö on päällepuhallusyksikkö. 15 109479

9. Laitteisto paperirainan kuivaamiseksi, johon laitteistoon kuuluu ainakin yksi kuivatusyksikkö, jossa paperirainan (3) kuivatus tapahtuu kuiva-tuskaasulla, tunnettu siitä, että kuivatusyksikössä on välineet sen puhal-lusnopeuden ja puhalluslämpötilan säätämiseksi ja että laitteistoon kuuluu vä-5 lineet määrittämään kuivatusyksikön puhallusnopeuden muutoksen vaikutus puhalluslämpötilaan ja puhalluslämpötilan muutoksen vaikutus puhallusno-peuteen ja välineet puhallusnopeuden ja puhalluslämpötilan ohjaamiseksi samanaikaisesti siten, että poistetaan kyseisten suureiden välillä vallitsevat ris-tikkäisvaikutukset.

10. Patenttivaatimuksen 9 mukainen laitteisto, tunnettu siitä, että laitteistoon kuuluu välineet määrittämään edellä mainittujen suureiden vaikutus kuivatusyksikön poistoilman kosteuteen ja poistoilman kosteuden muutoksen vaikutus edellä mainittuihin suureisiin ja välineet kuivatusyksikön puhallusnopeuden, puhalluslämpötilan ja poistoilman kosteuden ohjaamiseksi 15 samanaikaisesti siten, että poistetaan kyseisten suureiden välillä vallitsevat ristikkäisvaikutukset.

11. Patenttivaatimuksen 10 mukainen laitteisto, tunnettu siitä, että laitteistoon kuuluu välineet määrittämään edellä mainittujen suureiden vaikutus kuivatusyksikön korvausilman lämpötilaan ja korvausilman lämpötilan 20 vaikutus edellä mainittuihin suureisiin ja välineet kuivatusyksikön puhallusno-... peuden, puhalluslämpötilan, poistoilman kosteuden ja korvausilman lämpötilan ohjaamiseksi samanaikaisesti siten, että poistetaan kyseisten suureiden välillä : · ' vallitsevat ristikkäisvaikutukset. v.:

12. Jonkin patenttivaatimuksen 9-11 mukainen laitteisto, tun- 25 nettu siitä, että laitteistoon kuuluu välineet kuivatusyksikön korvausilman '[[[: lämpötilan mittaamiseksi ja myötäkytkentävälineet korvausilman lämpötilan muutoksesta puhalluslämpötilaan aiheutuvan häiriön poistamiseksi.

13. Jonkin patenttivaatimuksen 9-12 mukainen laitteisto, tun- .·. : nettu siitä, että laitteistoon kuuluu välineet korvausilman lämpötilan säätä- .··’ 30 miseksi.

14. Jonkin patenttivaatimuksen 9 - 13 mukainen laitteisto, tun-nettu siitä, että laitteistoon kuuluu malliprediktiivinen monimuuttujasäädin (28), johon on muodostettu mallit, jotka kuvaavat suureiden ristikkäisvaikutuk-sia.

14 109479 j

15. Jonkin patenttivaatimuksen 9-14 mukainen laitteisto, tun nettu siitä, että kuivatuskaasu on ilmaa. ie 109479

16. Jonkin patenttivaatimuksen 9-15 mukainen laitteisto, tunnettu siitä, että kuivatusyksikkö on päällepuhallusyksikkö. * f 17 109479