FI119249B - Menetelmä ja laitteisto paperin kosteuden säätämiseksi - Google Patents

Description

119249

MENETELMÄ JA LAITTEISTO PAPERIN KOSTEUDEN SÄÄTÄMISEKSI

Keksinnön kohteena on menetelmä paperin kosteuden säätämiseksi paperinvalmistusprosessin aikana, missä menetelmässä paperirainaa kui-5 vataan kuivatusosassa, jossa on ainakin yksi kuivatusyksikkö, jossa kuivatus tapahtuu kuivatuskaasulla, mitataan paperirainan kosteuteen verrannollinen suure ennen paperirainan kuivatusta ja kompensoidaan mittauksessa havaitut kosteushäiriöt kuivatusyksikön avulla.

Edelleen keksinnön kohteena on laitteisto paperin kosteuden sää-10 tämiseksi paperikoneessa, johon paperikoneeseen kuuluu perälaatikko, forme-ri, kuivatusosa, rullain ja mittalaite paperirainan kosteuteen verrannollisen suureen mittaamiseksi ennen sen kuivatusta, jossa kuivatusosassa on ainakin yksi kuivatusyksikkö, jossa paperirainan kuivatus tapahtuu kuivatuskaasulla ja johon laitteiston kuuluu välineet mittalaitteella havaittujen kosteushäiriöiden 15 kompensoimiseksi kuivatusyksikön avulla.

Paperirainan kosteutta säädettään tyypillisesti siten, että mitataan kosteusprofiili paperikoneen kuivatusosan jälkeen ja korjataan takaisinkytkettyä säätöä hyödyntäen kosteusprofiilia jossain aikaisemmassa vaiheessa. Kosteusprofiilin korjaus voi tapahtua esimerkiksi höyrylaatikolla, joka on sovi-20 tettu esimerkiksi puristimelle tai kuivatusosaan. Luonnollisesti paperin kosteutta säädetään myös säätämällä kuivatusosan parametrejä. Tyypillisesti kui- • · · vatusosassa on useita kuivatussylintereitä, joita säädetään yleisimmin säätä- mällä kuivatussylintereille syötettävän höyryn painetta.

:Y: Edelleen on tunnettua käyttää paperin kuivatuksessa päällepuhal- :**.· 25 luskuivatusta. Päällepuhalluskuivatuksessa paperiraina saatetaan kulkemaan * · .·*·. niin sanotun päällepuhallustelan ympäri samalla puhaltaen kuumaa kuiva- tusilmaa rainaa kohti. Päällepuhallustela on yleensä halkaisijaltaan tavan- * · omaista kuivatussylinteriä suurempi ja päällepuhalluselimien osalta kuumail- .. mahuuvan kattama. Huuvan suutinpinta on tietyllä etäisyydellä telan pinnasta, • · · *;];* 30 jolloin huuvan suutinpinnan ja telan väliin muodostuu kuivatusvyöhyke. Paperi- *···' rainan kulkiessa huuvan alla päällepuhallustelan kehää pitkin telan ja huuvan :väliin puhalletaan huuvasta puhaltimien avulla kuumaa kuivatusilmaa. Pääosa • * · .**·. paperirainaa kohti puhalletusta ilmasta palautetaan poistollmana takaisin huu- vaan kuumennettavaksi ja uudelleenpuhallettavaksi kohti rainaa. Puhalletta- • * · · ] 35 van kuivatusilman kosteuden pitämiseksi halutulla tasolla osa radalta palautu- vasta kosteasta kuivatusilmasta poistetaan poistoilmana ja korvataan tarvitta- 2 119249 valla määrällä tuoretta korvausilmaa. Tällainen päällepuhallusjärjestelmä on esitetty esimerkiksi WO-julkaisussa 99/32714 ja Fl-julkaisussa 982625. Pääl-lepuhallusyksikköä säädetään tyypillisesti säätämällä puhallusilman lämpötilaa ja puhallusilman nopeutta. Päällepuhallusyksikön ohjaussuureiden muuttami-5 nen vaikuttaa luonnollisesti paperin kosteuteen, mutta ohjaussuureilla on myöskin erittäin monimutkaiset vaikutukset muihin päällepuhallusyksikön suureisiin. Säädön vaikean hallittavuuden takia onkin ollut erittäin vaikea hyödyntää päällepuhallusyksiköitä esimerkiksi lajinvaihtojen yhteydessä. Käytännössä päällepuhallusyksiköitä ei ole pystytty käyttämään paperirainan kosteuden 10 säätämiseen, vaan päällepuhallusyksiköitä on käytetty lähinnä veden poiston tehostamiseen kuivatusosan alkupuolella.

Tämän keksinnön tarkoituksena on saada aikaan ratkaisu, jolla saadaan aikaan erittäin hyvä paperin kosteuden hallinta.

Keksinnön mukaiselle menetelmälle on tunnusomaista se, että häi-15 riöt kompensoidaan säätämällä kuivatusyksikön puhallusnopeutta, määritetään puhallusnopeuden vaikutus puhalluslämpötilaan ja kompensoidaan pu-hallusnopeuden muutoksesta puhalluslämpötilaan aiheutuva vaikutus.

Edelleen on keksinnön mukaiselle laitteistolle tunnusomaista se, että kuivatusyksikössä on välineet sen puhallusnopeuden ja puhalluslämpöti-20 lan säätämiseksi ja että laitteistoon kuuluu välineet paperin kosteushäiriöiden kompensoimiseksi kuivatusyksikön puhallusnopeutta säätämällä, välineet • · · määrittämään kuivatusyksikön puhallusnopeuden vaikutus puhalluslämpöti-laan ja välineet kompensoimaan puhallusnopeuden muutoksesta puhallus-lämpötilaan aiheutuva vaikutus.

• · 25 Keksinnön olennainen ajatus on, että paperirainaa kuivataan kui- t · .···. vatusosassa, jossa on ainakin yksi kuivatusyksikkö, jossa kuivatus tapahtuu .···. kuivatuskaasulla ja mitataan paperirainan kosteus ennen sen kuivaamista.

• ·

Edelleen olennaista on, että mittauksella havaitut kosteushäiriöt kompensoi- , . daan kuivatusyksikön avulla siten, että häiriöt kompensoidaan säätämällä kui- • · · 30 vatusyksikön puhallusnopeutta ja määritetään kuivatusyksikön puhallusno-:···: peuden muutoksen aiheuttama vaikutus puhalluslämpötilaan ja kompensoi- ; :*: daan puhallusnopeuden muutoksesta puhalluslämpötilaan aiheutuva vaikutus.

• · · . *·. Erään edullisen sovellutusmuodon ajatuksena on, että puhallusnopeuden ./,* muutoksesta puhalluslämpötilaan aiheutuva vaikutus kompensoidaan myötä- • ·* 35 kytkennällä. Erään toisen edullisen sovellutusmuodon ajatuksena on, että kui- vatusyksikkö, jolla kosteushäiriöt kompensoidaan, on sovitettu kuivatusosan 3 119249 puolivälin jälkeen. Erään kolmannen edullisen sovellutusmuodon ajatuksena on, että kuivatusyksikkö on päällepuhallusyksikkö. Erään neljännen edullisen sovellutusmuodon ajatuksena on, että mitataan paperirainan kosteus useasta kohdasta paperirainan poikittaissuunnassa samanaikaisesti optisia kuituja 5 hyödyntäen.

Keksinnön etuna on, että kuivatusosalle tulevat kosteushäiriöt saadaan kompensoitua ennen rullainta ilman, että takaisinkytketty kosteussäätö muuttaa ohjausta. Kaiken kaikkiaan paperin kosteuden hallinnasta saadaan tarkka ja nopea. Eliminoimalla ristikkäisvaikutus puhallusnopeuden ja -lämpö-10 tilan välillä saadaan kuivatusyksikön hallinta erittäin tarkaksi ja nopeaksi.

Keksintöä selitetään tarkemmin oheisissa piirustuksissa, joissa kuvio 1 esittää kaavamaisesti paperinvalmistusprosessia, kuvio 2 esittää kaavamaisesti osaa eräästä paperikoneen kuivatus-osasta sivultapäin katsottuna ja osittain poikkileikattuna, 15 kuvio 3 on lohkokaavio, jossa kuvataan paperin kosteuden säätöä, kuvio 4 esittää kaavamaisesti erästä paperikoneen kuivatusosaa sivultapäin katsottuna ja kuvio 5 esittää kaavamaisesti erilaisten säätöratkaisuiden dynamiikkaa.

20 Kuviossa 1 on esitetty kaavamaisesti paperinvalmistusprosessi.

Paperi valmistetaan paperikoneella, johon kuuluu perälaatikko 1, josta kuitu- • · · massa syötetään formeriin 2, missä kuitumassasta muodostuu kuituraina 3. Formerin 2 jälkeen kuituraina 3 johdetaan kuivatusosaan 4. Formerin 2 ja kui-: V; vatusosan 4 väliin voidaan sovittaa puristinosa 5. Kuivatusosan 4 jälkeen kui- 25 turaina johdetaan rullaimelle 6. Paperikoneeseen voi vielä kuulua liimapuristi- • · .*·*. mia, kalenteri tai päällystysyksiköitä, joita ei selvyyden vuoksi ole esitetty kuvi- .···. ossa 1. Edelleen paperikoneen toiminta on alan ammattimiehelle sinänsä täy- • * sin tunnettua eikä sitä sen vuoksi tässä yhteydessä sen tarkemmin selitetä.

. Paperikoneessa on vielä ensimmäinen mittalaite 14 ja toinen mitta- 30 laite 15. Ensimmäisellä mittalaitteella 14 mitataan paperirainan 3 kosteus en- '·;·* nen sen kuivatusta. Ensimmäinen mittalaite 14 voi olla sijoitettuna esimerkiksi : puristinosan 5 ja kuivatusosan 4 väliin tai sitten kuivatusosan 4 alkuosalle.

···

Toisella mittalaitteella 15 mitataan paperirainan kosteus kuivatuksen jälkeen, „·. jolloin toinen mittalaite 15 on sovitettu kuivatusosan 4 ja rullaimen 6 väliin.

• · · : 35 Kosteuden lisäksi tai sijaan voidaan mittalaitteilla 14 ja 15 mitata esimerkiksi • · 4 119249 paperin vesimäärä tai neliöpaino tai jokin muun paperin kosteuteen verrannollinen suure.

Mittalaitteet 14 ja 15 voivat olla rakenteeltaan sellaisia, että niissä on mittakelkka, joka liikkuu rainan kulkusuuntaan nähden poikittaisessa suun-5 nassa edestakaisin rainan yli. Toisaalta mitta-antureita voi olla myös useita vierekkäin, jolloin paperirainan ominaisuuksia mitataan useasta kohdasta pa-perirainan poikittaissuunnassa samanaikaisesti. Useaa vierekkäistä mitta-anturia käytettäessä voidaan paperirainan poikittaisprofiili mitata erittäin nopeasti. Edelleen mikäli mitta-antureita on useita voidaan ne sovittaa liikutettavak-10 si edestakaisin osan matkaa paperin poikittaissuunnassa, jolloin mitta-antureita ei tarvitse olla vieri vieressä, mutta silti paperirainan poikittaisprofiili saadaan mitattua erittäin nopeasti. Mittalaitteissa 14 ja 15 voi olla optisia kuituja, joiden avulla mittaustieto paperirainasta johdetaan edelleen käsiteltäväksi. Mittalaitteiden 14 ja 15 yhteydessä voi olla järjestettynä paperirainalle 3 va-15 paa vienti tai sitten mittalaitteet 14 ja 15 voidaan sovittaa mittaamaan viiraa tai telaa vasten, jolloin paperiraina 3 on mittaushetkellä tuettuna.

Kuviossa 2 on esitetty osa kuivatusosasta 4. Kuivatusosassa 4 on useita konventionaalisia höyrylämmitteisiä kuivaussylintereitä 7. Osa sylintereistä voi olla korvattu aiipaineteloilla. Tämän lisäksi kuivatusosaan 4 on sovi-20 tettu yksi tai useampia päällepuhallussylintereitä 8, joiden yhteyteen on sovitettu päällepuhallushuuvat 9 kuuman ilman tai kaasun tai tulistetun höyryn pu-:...· haltamiseksi kohti kuivatettavaa kuiturainaa. Päällepuhallus voi tapahtua joko "M* suoraan kohti paperirainaa tai viiran läpi puhaltamalla. Selvyyden vuoksi ei : V: oheisessa kuviossa ole esitetty kuiturainaa, viiroja, aputeloja, tukirakenteita ja 25 muita vastaavia kuivatusosaan 4 kuuluvia osia, jotka ovat alan ammattimie-.·♦·. helle täysin itsestään selviä. Päällepuhallusyksiköiden avulla saadaan kuiva- tusosan 4 kuivaustehokkuutta ja kuivausnopeutta parannettua huomattavasti • · *** verrattuna esimerkiksi konventionaaliseen kuivatusosaan, jossa kuivatus pe- .. rustuu pelkästään höyrylämmitteisiin sylintereihin 7.

• Λ · 30 Päällepuhallushuuvalla 9 puhalletaan esimerkiksi kuumaa ilmaa korkealla nopeudella kohti paperirainaa. Ilman lämpötila voi olla esimerkiksi : noin 350 °C ja nopeus noin 90 metriä sekunnissa. Kun tämä kuuma ilma pu- ··· .···. halletaan kosketuksiin kostean paperirainan kanssa luovuttaa kuivatusilma ..*·* lämpöenergiaa paperirainalle. Paperissa oleva vesi höyrystyy tällöin ympäröi- • 35 vään ilmaan. Noin 250 °C lämpötilatasolle jäähtynyt ja kostunut kuivatusilma imetään paluuilmana takaisin päällepuhallushuuvaan. Saavutettavissa oleva 5 119249 haihdutusteho riippuu puhallusparametreistä, joita ovat esimerkiksi puhallusil-man lämpötila, suutinnopeus ja ilman kosteustaso. Edelleen haihdutusteho riippuu myös paperirainan kuiva-ainepitoisuudesta, alkulämpötilasta ja paperi-rainan massan koostumuksesta jne.

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

Kiertoilmapuhaltimen 12 jälkeen ilmaa lämmitetään ilmankuumen-nusyksiköllä, johon kuuluu poltinkammio, kaasupoltin 13 ja liekkisuoja. Poltin-15 kammio on periaatteessa osa kiertoilmakanavistoa. Puhallusilman lämpötilaa säädetään muuttamalla kaasupolttimen 13 tehoa. Lämpötilan säätö vaikuttaa myös puhallusnopeuteen, koska ilman tiheys muuttuu lämpötilan funktiona. Jos siis kiertoilmapuhaltimen 12 kierrosluku pidetään muuttumattomana nousee puhallusnopeus puhalluslämpötilan noustessa. Kaasupolttimen 13 tehoa 20 säädetään säätämällä polttimelle 13 syötettävän kaasun määrää. Kaasupolttimen 13 lisäksi tai sijaan voidaan puhallusilmaa lämmittää myös höyryllä ··· lämmönvaihtimen kautta.

"V Puhalluskammion 10 avulla puhallusilmaa jaetaan tasaisesti koko :Y: päällepuhallusalueelle. Puhallusilma puhalletaan puhalluskammion 10 pinnas- 25 sa olevien pienien reikien eli puhallussuuttimen läpi. Puhalluskammiossa 10 .1··. 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 ’·]·1 30 haihdutustehoon. Jos etäisyys on selvästi suurempi kuin 25 mm heikkenee kuivatusteho. Jos taas etäisyys on selvästi tätä pienempi, voi syntyä ongelmia • ratakatkon sattuessa eli paperiraina voi esimerkiksi törmätä puhalluskammioon • · · .···. ja tällöin saattaa syntyä tukkeuma paperikoneeseen.

Tyypillisesti noin 20 % paluuilmasta poistetaan huuvasta 10 paperi-i V 35 rainasta haihdutetun veden pois kuljettamiseksi. Poistoilma korvataan kaasu- t · 6 119249 polttimelle 13 syötettävällä palamisilmalla sekä suoraan poistoilmatilaan 11 syötettävällä korvausilmalla.

Kuvion 3 lohkokaavio kuvaa erästä keksinnön mukaista säätöratkaisua. Säätö- ja systeemitekniikassa systeemin toimintaa voidaan kuvata 5 differentiaaliyhtälöillä. Systeemin toiminnan selvittämiseksi halutussa tilanteessa differentiaaliyhtälö pitää ratkaista. Differentiaaliyhtälöiden ratkaisemiseksi on olemassa useita mahdollisuuksia. Yksi tapa esittää ja ratkaista differentiaaliyhtälöitä on käyttää konvoluutiointegraalimuunnoksia, jollainen on esimerkiksi Laplace-muunnos. Tässä hakemuksessa Laplace-muunnoksen 10 kanssa ekvivalenteiksi muunnoksiksi ymmärretään myös muut konvoluutioin-tegraalimuunnokset, jollaisiksi katsotaan esimerkiksi Fourier- ja Z-muunnokset ja joiden avulla keksinnöllistä ratkaisua voidaan kuvata. Laplace-muunnoksen ja -käänteismuunnoksen matemaattiset esitystavat ovat seuraavassa: oo i{/(/)} = f(i)= je-“f(t)dt, 0 00 o missä L tarkoittaa Laplace-muunnosoperaattoria, L'1 tarkoittaa Laplace-käänteismuunnosoperaattoria, s on Laplace-muunnoksessa imaginaarisen s-avaruuden $-20 muuttuja, ..*·* t on aikamuuttuja, :Y: f(t) on funktio muuttujalla t ja :*·.· F(s) on Laplace muunnettu funktio muuttujalla s.

Laplace-muunnoksella muunnetaan yleensä prosessin sisäänmeno- ja ulos-25 tulosuureiden aikamuuttujafunktioita, jolloin s-avaruus kuvaa sekä sisäänmeno ja ulostulosuureiden aikamuuttujafunktioita että sisäänmeno- ja ulostulosuu-aV' reiden taajuusriippuvuutta. Tyypillinen yksinkertainen siirtofunktio on esimer- kiksi !"· : j : x (j) l + ra · · 30 missä G(s) on prosessin siirtofunktio, : ·] ÄOn prosessin vahvistuskerroin, "**: Td on prosessin kuollut aika, 7 119249 ron prosessin aikavakio, X(s) on sisäänmenosuure ja Y(s) on ulostuiosuure.

Sisäänmenosuureita voivat olla esimerkiksi päällepuhallusnopeus 5 tai päällepuhalluslämpötila, jotka vaikuttavat ulostulosuureena olevaan paperin kosteuteen.

Päällepuhallusyksikön kuivatustehoon voidaan vaikuttaa usealla hallintasuureella. Päällepuhallusyksikön primääriset hallintasuureet ovat kuitenkin puhalluslämpötila ja puhallusnopeus. Kuvion 3 lohkokaaviossa ylempä-10 nä on esitetty puhalluslämpötilan säätöpiiri, jota ohjaa lämpötilan säätäjä TIC sekä siirtofunktiot säätöpiirin ohjauksesta puhalluslämpötilaan GT sekä puhal-luslämpötilasta paperin kosteuteen GM1. Kyseiset siirtofunktiot kuvaavat kuinka suureet vaikuttavat toisiinsa taajuuden funktiona.

Lohkokaaviossa alempana on vastaavasti esitetty puhallusnopeu-15 den säätöpiiri, jota ohjaa puhallusnopeuden säätäjä PIC sekä siirtofunktiot säätöpiirin ohjauksesta puhallusnopeuteen Gv että puhallusnopeudesta paperin kosteuteen GM2. Kyseiset siirtofunktiot kuvaavat kuinka eri suureet vaikuttavat toisiinsa taajuuden funktiona.

Lohkokaaviossa on myös esitetty häiriön siirtofunktio GD puhallus-20 nopeuden ja puhalluslämpötilan välillä. Häiriön siirtofunktio G0 aiheutuu puhalluslämpötilaan sekä paperin kosteuteen puhallusnopeutta muutettaessa.

Dynamiikaltaan puhalluslämpötila on huomattavasti hitaampi kuin ;:· puhallusnopeus. Tämän lisäksi puhallusnopeuden muutokset vaikuttavat no- peasti ja häiritsevästi puhalluslämpötilaan ja samalla paperin kosteuteen. Kun • φ ;\a: 25 puhallusnopeus kasvaa, laskee puhalluslämpötila ja päinvastoin. Toisaalta ,···] puhallusnopeuden kasvattaminen saa ensin paperin kosteuden pienenemään, • · a"Ia mutta koska samalla puhalluslämpötila laskee, kasvaa loppujen lopuksi myös **** paperin kosteus, mikäli lämpötilamuutosta ei mitenkään kompensoida. Vas- , , taavasti puhalluslämpötilan muutoksilla ei ole merkittävää vaikutusta puhallus- *·*;* 30 nopeuteen. Tehdyissä prosessikokeissa on havaittu, että puhallusnopeuden ja puhalluslämpötilan aikavakiot ovat sangen eri suuruiset. Aikavakiolla tarkoite- • taan sitä aikaa, joka tarvitaan säätimen aiheuttaman muutoksen lopullisen ar- ··· ,*··. von saavuttamiseksi. Puhallusnopeuden aikavakiot em. kokeissa olivat alle 10 a]*a' s ja vastaavasti puhalluslämpötilan aikavakiot olivat noin viisi minuuttia. Viiveet : 35 molemmille suureille olivat suunnilleen yhtä pitkiä. Edellä esitetyt aikavakiot voidaan suoraan rinnastaa paperin kosteuden dynamiikkaan eli puhallusno- 8 119249 peutta muuttamalla pystytään erittäin nopeasti muuttamaan paperin kosteutta kun taas puhalluslämpötilan muuttaminen vaikuttaa paperin kosteuteen huomattavasti hitaammin. Verrattaessa päällepuhallusta esimerkiksi sylinterikui-vatukseen on päällepuhallus moninkertaisesti sylinterikuivatusta nopeampi ja 5 tarkempi paperin kuivatuksessa.

Koska puhallusnopeuden ja lämpötilan välillä on merkittävä ristik-käisvaikutus, on päällepuhallusyksikön nopea säätäminen varsin vaikeata. Säätöä voidaan parantaa ja ristikkäisvaikutuksesta aiheutuvan häiriön vaikutusta voidaan pienentää merkittävästi käyttämällä kuviossa 5 esitettyä myötä-10 kytkettyä päällepuhallusyksikön säätöä, jossa on muodostettu myötäkytkentä Gm puhallusnopeuden ja puhalluslämpötilan välille. Myötäkytkentä voidaan määritellä yhtälöllä GFFi="Gd/Gt·

Kyseisessä yhtälössä muuttujina käytetään prosessikokeilla määri-15 tettyjä malleja.

Kaiken kaikkiaan puhallusnopeutta ja puhalluslämpötilaa säädetään seuraavasti: Puhallusnopeutta hallitaan takaisinkytketyllä säädöllä A ja puhalluslämpötilaa hallitaan takaisinkytketyllä säädöllä B. Asetusarvot molemmille säätimille voidaan antaa ylemmältä tasolta, esimerkiksi kosteussäätäjältä. 20 Asetusarvot voivat olla myös paikallisia. Takaisinkytkentöjä varten mitataan puhallusnopeus ja puhalluslämpötila. Puhallusnopeus voidaan määritellä esi->,t,· merkiksi kuviossa 4 esitetyn, huuvaan sijoitetun paineanturin 16 avulla. Läm- §;i· pötilatieto saadaan taas lämpötila-anturilta 17, joka voidaan sijoittaa esimer- kiksi kuviossa 4 esitetyllä tavalla huuvaan. Mitatun nopeuden ja lämpötilan si-25 jaan voidaan säädössä hyödyntää mitatuista suureista johdettuja suureita ku- .···.* ten ilman määrää tai ilmassa olevan energian määrää. Puhallusnopeuden • ·

muuttuessa puhalluslämpötilan säätäjän TIC ohjausta muutetaan myötäkyt-kennän GFF1 avulla siten, että puhallusnopeuden muutoksen aiheuttamat vai-. . kutukset puhalluslämpötilaan eliminoituvat. Takaisinkytketty lämpötilansäätö B

*>[·* 30 ei tällöin siis huomaa muutosta lämpötilassa eli puhallusnopeuden muutok- sesta ei aiheudu häiriötä lämpötilaan. Koska takaisinkytketty lämpötilan säätö * : ·*. B toimii mitatun puhalluslämpötilan perusteella tämä ohjaus ei muutu ennen- .···. kuin puhalluslämpötila muuttuu asetusarvosta. Jos siis esimerkiksi puhallus- t"[ nopeutta kasvatetaan niin vastaavasti puhalluslämpötilan säätöpiirin ohjausta i V 35 kasvatetaan, jotta puhalluslämpötila ei muuttuisi tavoitearvosta. Ilman edellä a'**: mainittua puhallusnopeuden ja puhalluslämpötilan välistä myötäkytkentää suu- 9 119249 reiden ohjauksessa paperin myötäkytketty kosteudensäätö ei olisi mahdollista, koska muutettaessa puhallusnopeutta nopeasti muuttuu puhalluslämpötila päinvastaiseen suuntaan ja sen vuoksi myös paperin kosteus. Myötäkytken-nän avulla siis puhalluslämpötila saadaan pidettyä tavoitearvossaan vaikka 5 puhallusnopeutta muutetaan nopeasti.

Kuviossa 5 on esitetty erilaisten kosteuden säätöratkaisuiden dynamiikka. Kuvion 5 ylimmässä kuvaajassa on esitetty puhallusnopeus, jota muutetaan varsin nopeasti pienemmästä arvosta suurempaan arvoon. Keskimmäisessä kuvaajassa on esitetty minkälainen vaikutus puhallusnopeuden 10 muutoksella on puhalluslämpötilaan ja alimmassa kuvaajassa on esitetty, miten paperin kosteus käyttäytyy. Keskimmäisessä ja alimmassa kuvaajassa on pistekatkoviivalla esitetty, mitä tapahtuu, mikäli säätöpiirit ovat avoimena. Tällöin siis puhallusnopeuden kasvaessa puhalluslämpötila laskee ja paperin kosteus ensin pienenee puhallusnopeuden vaikutuksen vuoksi, mutta sen jäl-15 keen kasvaa, koska puhalluslämpötila laskee.

Mikäli puhalluslämpötilaa säädetään takaisinkytketyllä säädöllä käyttäytyvät puhalluslämpötila ja paperin kosteus kuviossa 5 katkoviivalla esitettyjen kuvaajien mukaisesti. Puhallusnopeuden kasvaessa siis ensin puhalluslämpötila laskee, mutta viiveen jälkeen takaisinkytkentä korjaa puhallus-20 lämpötilan arvon aikaisemmalle tasolle. Tällöin samalla paperin kosteus ensin pienenee puhallusnopeuden kasvamisen vuoksi ja sen jälkeen paperin koste-us kasvaa puhalluslämpötilan laskemisen vuoksi. Koska puhalluslämpötila >av palaa alkuperäiseen arvoonsa, pienenee loppujen lopuksi myös paperin kos- teus.

• · : 25 Keksinnössä taas puhallusnopeuden muuttuessa puhalluslämpöti- .···! Iän säätöjen ohjausta muutetaan myötäkytkennän avulla, jolloin puhallusläm- II! pötila ja paperin kosteus käyttäytyvät yhtenäisellä viivalla kuvatulla tavalla.

“** Myötäkytkennän ansiosta siis puhalluslämpötila ei olennaisesti muutu, vaikka puhallusnopeus muuttuu nopeasti. Tämän vuoksi paperin kosteus pienenee *;v 30 hallitulla tavalla. Näin ollen siis keksinnön avulla paperin kosteus pystytään hallitsemaan nopeasti, tehokkaasti ja täsmällisesti. Kuvio 5 kuvaa tilannetta . tietyssä toimintapisteessä, eikä kuvion 5 esityksessä ole otettu kantaa vastei- ,···. den suuruuksiin.

• ·

Kuviossa 3 on myös esitetty toinen myötäkytkentä GFF2, jolla elimi-: V 35 noidaan paperin kosteushäiriöt ennen rullausta. Myötäkytketty paperin loppu-kosteuden säätö toimii seuraavasti. Paperin kosteus tai paperin kosteuteen 10 119249 verrannollinen suure mitataan mittalaitteella 14 ennen paperin kuivaamista, jolloin mittauksen avulla saadaan informaatio paperin kosteusprofiilista ennen paperin kuivausta. Rainassa esiintyvällä kosteushäiriöllä on siirtofunktio GDM paperin loppukosteuteen. Kosteushäiriöiden siirtofunktio GDM voidaan helposti 5 määrittää esimerkiksi muuttamalla puristinosan parametrejä ja pitämällä kui-vatusosan parametrit muuttumattomina kokeen aikana. Kosteushäiriöitä aiheuttavat esimerkiksi muuttuva retentio, märässä päässä tapahtuvat häiriöt sekä viiraosalla tai puristinosalla tapahtuvat muutokset. Toisen myötäkytkennän GFF2 tarkoituksena on mitata paperin kosteus mittalaitteella 14 ja korjata häiriöt 10 paperin kosteudessa ennenkuin kuivatusosan perässä oleva mittaus mittalaitteella 15 huomaa muutoksen paperin kosteudessa. 'Mittalaitteet 14 ja 15 on esitetty kuviossa 4. Paperin kosteuden mittausta mittalaitteella 15 hyödynnetään perinteisesti ainoastaan takaisinkytketyssä säädössä, missä ohjausta muutetaan vasta kun varsin myöhäisessä vaiheessa huomataan muutos sää-15 dettävässä suureessa häiriön vuoksi. Nyt esitettävällä myötäkytketyllä säädöllä taas ohjausta muutetaan tietyn dynamiikan mukaisesti koska häiriö pystytään mittaamaan ja sen vaikutus säädettävään suureeseen tunnetaan. Mitattava suure on siis kuivatusosalle 4 tulevan paperirainan 3 kosteus ja säädettävä suure on paperin loppukosteus, johon pystytään nopeasti vaikuttamaan pääl-20 lepuhallusnopeudella.

Paperin kosteuden myötäkytkentä lasketaan yhtälöllä GfF2=-G[»//(GC|_XGM2), ··· missä

Gqm on paperin kosteushäiriön dynamiikka, 25 G», on dynamiikka puhallusnopeuden ja paperin kosteuden välillä ja • ·· .··/ Gcl on puhallusnopeuden suljetun säätöpiirin dynamiikka.

"f Puhallusnopeuden suljetun säätöpiirin dynamiikkaan GCL vaikuttavat ***** puhallusnopeuden säätimen parametrit ja dynamiikka puhaltimen ohjauksen ja puhallusnopeuden välillä Gv. Suljetun järjestelmän dynamiikka kuvaa, kuinka v.: 30 säätöpiiri käyttäytyy kun sen asetusarvoa muutetaan. Esitetyt siirtofunktiot ··· pystytään määrittämään prosessikokein sinänsä tunnetulla tavalla. Kaiken- . !*. kaikkiaan kaikki edellämainitut siirtofunktiot ja prosessimallit pystytään määrit- .>··. tämään helposti prosessikokein sinänsä tunnetulla tavalla.

♦

Kuviossa 4 on kuivatusosalla 4 esitetty olevan viisi kuivatussylinteri- ·· t : *.: 35 ryhmää 18 ja neljä päällepuhallusyksikköä 19. Koska kulkuaikaviive ensim- mäisen kosteusmittauksen mittalaitteen 14 ja viimeisen päällepuhallusyksikön 11 119249 19 välillä on varsin pitkä eli vähintäänkin useita sekunteja voidaan kuivatus-osalle 4 tulevat kosteushäiriöt kompensoida ennen rullainta 6 muuttamalla viimeisen tai esimerkiksi kahden viimeisen päällepuhallusyksikön 19 puhallusno-peutta ilman, että takaisinkytketty paperinkosteuden säätö muuttaa puhallus-5 nopeuden asetusarvoa. Tällöin siis kuivatusosan 4 jälkeisessä mittauksessa mittalaitteella 15 ei huomata minkäänlaista muutosta paperin kosteudessa. Kosteushäiriön kompensoinnin mahdollistaa siis päällepuhallusnopeuden nopea dynamiikka ja riittävän pitkä kulkuaikaviive kuivatusosalla 4. Edullisimmin kosteushäiriöt kompensoidaan siis päällepuhallusyksiköllä 19, joka on sovi-10 tettu kuivatusosan 4 puolivälin jälkeen. Myötäkytkennän päämääränä on kompensoida kosteushäiriöt lopputuotteesta niin, että paperin loppukosteus pysyy tavoitearvossa. Jos myötäkytkentää ei ole käytössä, muuttuu paperin loppu-kosteus. Vasta tämän jälkeen puhallusnopeutta muutetaan ja häiriö eliminoidaan, koska takaisinkytketty säätö säätää kosteutta erosuureen perusteelle.

15 Piirustukset ja niihin liittyvä selitys on tarkoitettu vain havainnollis tamaan keksinnön ajatusta. Yksityiskohdiltaan keksintö voi vaihdella patenttivaatimusten puitteissa. Niinpä siis kuivatusyksiköllä puhallettava kuivatuskaa-su voi olla ilmaa tai höyryä tai jotain muuta kuivatuskaasua. Edelleen keksintöä voidaan soveltaa muidenkin kuivatusyksiköiden kuin päällepuhallusyksi-20 köiden yhteydessä. Kuivatusyksikkö voi siten olla esimerkiksi jenkkikuivausyk-sikkö, läpivirtauskuivausyksikkö tai leijukuivausyksikkö. Edelleen keksintöä :]"· voidaan soveltaa myös sellun ilmakuivausyksikköjen yhteydessä. Edelleen ·)· puhallusnopeuden ja puhalluslämpötilan välinen myötäkytkentä voidaan to- teuttaa sumealla logiikalla tai neuraali verkolla, malliprediktiivisellä monimuut-25 tujasäädöllä tai jollain muulla monimuuttujasäätömenetelmällä. Paperin kos-!..* teuden myötäkytkentää voidaan soveltaa minkä tahansa edellä mainitun sää- tömenetelmän yhteydessä. Erityisen edullisesti keksinnön mukainen ratkaisu • ♦ **··* soveltuu paperin kosteuden konesuuntaiseen säätöön. Prosessimallit voivat muuttua toimintapisteiden mukaan eli malleja voidaan esimerkiksi määritellä v 30 etukäteen kuhunkin toimintapisteeseen ja malleja päivitetään toimintapisteiden ··· muuttuessa.

• · * • · · ·«· *·« * φ * ··* * ·· m • * · • * « • *

Claims (18)

12 119249

1. Menetelmä paperin kosteuden säätämiseksi paperinvalmistus-prosessin aikana, missä menetelmässä paperirainaa (3) kuivataan kuivatus- 5 osassa (4), jossa on ainakin yksi kuivatusyksikkö, jossa kuivatus tapahtuu kui-vatuskaasulla, mitataan paperirainan (3) kosteuteen verrannollinen suure ennen paperirainan (3) kuivatusta ja kompensoidaan mittauksessa havaitut kos-teushäiriöt kuivatusyksikön avulla, tunnettu siitä, että häiriöt kompensoidaan säätämällä kuivatusyksikön puhallusnopeutta, määritetään puhallusno- 10 peuden vaikutus puhalluslämpötilaan ja kompensoidaan puhallusnopeuden muutoksesta puhalluslämpötilaan aiheutuva vaikutus.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että puhallusnopeuden muutoksesta puhalluslämpötilaan aiheutuva vaikutus kompensoidaan myötäkytkennällä.

3. Patenttivaatimuksen 2 mukainen menetelmä, t u n n e 11 u siitä, että puhallusnopeuden ja puhalluslämpötilan välinen myötäkytkentä määritellään yhtälöllä GFfi--Go/Gt, missä

20 GFF1 on myötäkytkentä puhallusnopeuden ja puhalluslämpötilan välillä, • · · GD on häiriön siirtofunktio puhallusnopeuden ja puhalluslämpöti-„;·* lan välillä ja : V: GT on siirtofunktio säätöpiirin ohjauksesta puhalluslämpötilaan.

4. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, • · :***. tunnettu siitä, että mittauksessa havaittujen kosteushäiriöiden kompen- ,···. soimisessa kuivatusyksikön avulla kuivatusyksikköä ohjataan myötäkytken nällä. . . 5. Patenttivaatimuksen 4 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, • · · *:2* 30 että kosteushäiriöiden kompensoimisessa myötäkytkennällä myötäkytkentä '··/ määritellään yhtälöllä ·.♦.· GFF2=-GDM/ (GcLXGM2) , :*·*: missä ··· GFF2 on myötäkytkentä paperin kosteushäiriöiden eliminoimiseksi, ♦ · · : \ 35 Gdm on paperin kosteushäiriön dynamiikka, • · 13 119249 GM2 on dynamiikka puhallusnopeuden ja paperin kosteuden välillä ja Gcl on puhallusnopeuden suljetun säätöpiirin dynamiikka.

6. Patenttivaatimuksen 3 tai 5 mukainen menetelmä, tunnettu 5 siltä, että myötäkytkentäyhtälössä muuttujina käytetään prosessikokeilla määritettyjä malleja.

7. Patenttivaatimuksen 6 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että malleja päivitetään toimintapisteiden muuttuessa.

8. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen menetelmä , 10 tunnettu siitä, että kuivatusyksikkö, jolla havaitut kosteushäiriöt kompensoidaan on sovitettu kuivatusosan (4) puolivälin jälkeen.

9. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että kuivatuskaasu on ilmaa.

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

11. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siltä, että paperirainan (3) kosteus mitataan useasta kohdasta paperirainan (3) poikittaissuunnassa samanaikaisesti.

12. Laitteisto paperin kosteuden säätämiseksi paperikoneessa, jo-20 hon paperikoneeseen kuuluu perälaatikko (1), formeri (2), kuivatusosa (4), rullain (6) ja mittalaite (14) paperirainan (3) kosteuteen verrannollisen suureen * · · mittaamiseksi ennen sen kuivatusta, jossa kuivatusosassa (4) on ainakin yksi kuivatusyksikkö, jossa paperirainan (3) kuivatus tapahtuu kuivatuskaasulia ja :V: johon laitteiston kuuluu välineet mittalaitteella (14) havaittujen kosteushäiriöi- :1·.· 25 den kompensoimiseksi kuivatusyksikön avulla, t u n n e 11 u siitä, että kuiva- • · .1··. tusyksikössä on välineet sen puhallusnopeuden ja puhalluslämpötilan säätä- ,···. miseksi ja että laitteistoon kuuluu välineet paperin kosteushäiriöiden kompen soimiseksi kuivatusyksikön puhallusnopeutta säätämällä, välineet määrittä-. . mään kuivatusyksikön puhallusnopeuden vaikutus puhalluslämpötilaan ja väli- 30 neet kompensoimaan puhallusnopeuden muutoksesta puhalluslämpötilaan ai- • · ’···1 heutuva vaikutus. : 13. Patenttivaatimuksen 12 mukainen laitteisto, tunnettu siitä, ·1· että laitteistoon kuuluu välineet myötäkytkennän toteuttamiseksi puhallusno- ··· peuden muutoksesta puhalluslämpötilaan aiheutuvan vaikutuksen kompen- • 1 1 : ·’ 35 soimiseksi. m ♦ 14 119249

14. Patenttivaatimuksen 12 tai 13 mukainen laitteisto, tunnettu siitä, että laitteistoon kuuluu välineet myötäkytkennän toteuttamiseksi mittauksessa havaittujen kosteushäiriöiden kompensoimiseksi kuivatusyksikön avulla.

15. Jonkin patenttivaatimuksen 12-14 mukainen laitteisto, tun-5 nettu siitä, että kuivatusyksikkö, jolla havaitut kosteushäiriöt on sovitettu kompensoitavaksi on sovitettu kuivatusosan (4) puolivälin jälkeen.

16. Jonkin patenttivaatimuksen 12-15 mukainen laitteisto, tunnettu siitä, että kuivatuskaasu on ilmaa.

17. Jonkin patenttivaatimuksen 12-16 mukainen laitteisto, tuπιο nettu siitä, että kuivatusyksikkö on päällepuhallusyksikkö (31).

18. Jonkin patenttivaatimuksen 12-17 mukainen laitteisto, tunnettu siitä, että mittalaite (14) on sovitettu mittaamaan paperirainan (3) poikkiprofiili olennaisesti samanaikaisesti. »I» • · • · #·· ·»· * ·»·· • · • · · • · · • · * · I « 1 • ·1 • · • · • · • 1 · • 1 · * · • « • · · • · • · · • # 1 • 1 • · · • • 1 • · · • · « • · · «tt • · · · • 1 • · »·· * • · · • » I • · • · 119249 15