SE534105C2 - Förfarande för att styra massakvalitet ut från raffinörer - Google Patents

Abstract

: Det finns behov att vid rafñnering/malning av malgods använda mätinformation fråntraditionella processvariabler i kombination med mätsignaler från raffinörers malzonerför estimering av massakvalitet ut från raffinörlinjer. Föreliggande uppfinningmöjliggör detta och avser ett förfaringssätt för att förbättra stymingen avmalningsförloppet i en eller flera sammankopplade raffinörer genom att användaestimerade massakvalitetsinforrnation från varje raffinör för att snabbt kunna möta ochreglera raffineringen vid processtömingar. Publ. Figur llb

Description

25 30 35 40 534 105 2 Flertalet raffinörer innehåller två cirkulära malskivor, mellan vilka det gods som skall behandlas bringas att passera, se Figur 1. Vanligen utgörs skivorna av en stationär malskiva (1) och en roterande malskiva (2) som roterar med mycket hög hastighet.

Den stationära malskivan, som sitter fastspänd med bultar i en statorhållare (3), pressas vanligtvis elektromekaniskt altemativt med hjälp av ett hydraultryck (5) mot den roterande malskivan, som sitter fastspänd på en rotorhållare (4). Malgodset (6) förs i de flesta fall in i raffinörerna tillsammans med spädvatten via centrum (7) av malskivoma och om malgodset exempelvis utgörs av vedflis eller bearbetad massa från en tidigare raffinör så finfördelas detta malgods på sin väg ut mot malskivomas periferi (8). Malzonen (9), eller som den också kallas raffineringszonen, mellan malskivoma kan ha en variabel malspalt (10) utmed radien (11) på malskivoma beroende på vilken slipning som applicerats på malskivomas ytor.

Malskivomas diameter varierar beroende på raffinörfabrikat och rafñnörernas produktionskapacitet. Tidigare göts malskivoma i ett stycke men idag är det också vanligt att modultillverka malskivoma i ett antal malsegment (12 och 13), se Figur 1 och Figur 2. Segmenten kan exempelvis sträcka sig från malskivornas centrum till dess periferi eller delas upp i två ringar, en inre (14) och en yttre ring (15). Zonema mellan de inre och yttre ringarna kallas ofta ”breaker bar zone” respektive periferizon.

Malsegmentens ytor (16) designas ofta på olika sätt med karaktäristiska mönster i form av bommar (17) och dammar (18). Bommama fungerar som knivar och defibrerar flisen altemativt raffinerar den bildade massafibem. Förutom i den direkta malzonen transporteras vid HC-raffinering både fibrer, vatten och ånga också i dammama mellan bommarna. Genom olika mönsterdesign kan man få malsegmenten att bli matande altemativt stoppande av fibermassan i syfte att påverka strömningsbetingelsema och därmed skapa speciella massakvaliteter. Det friktionsarbete som flisen och massan utsätts för i malzonen gör att det inkommande vattnet förångas vid HC-raffinering. Mängden ånga som produceras är spatialt beroende varför både vatten och ånga kan förekomma tillsammans med flis eller massa i malzonen. Vanligtvis antar man i detta fall att vattnet i malzonen är bundet till fibrema altemativt ñbemätverket. Vid LC-raffinering genereras ingen ånga.

Det finns också andra typer av rafflnörer såsom konkvamar eller raffinörer där båda malskivoma roterar motriktat eller raffinörer som består av fyra malskivor, där en i mitten roterande rotor har malskivor monterade på båda sidorna och två stationära malskivor som trycks ihop med hjälp av exempelvis hydraulkolvar för att få två malzoner.

Vid framställning av massa utifrån vedflis altemativt tidigare raffinerad massa pressas malskivoma ihop så att malzonens spalt (10) blir ungefär O.2-0.7 mm beroende på vilken raffinörtyp som används. 10 15 20 25 30 35 40 534 105 3 Malspalten är en central styrvariabel och en ökning eller minskning av spalten sker ofta elektromekaniskt eller med hjälp av hydraulkolvar som applicerar ett hydraultryck (5) på en eller flera malskivor beroende på raffinörtyp. Därmed uppstår en axial kraft som läggs på malskivoma. Den kraft som håller emot den axiala kraften utgörs vid HC-raffinering av dels den kraft som fås genom förångning av vatten dels den kraft som rnalgodsets fibemätverk genererar. I de fall LC-raffinering används är det kraftema orsakade av tryckökningen i vattenfasen samt rnalgodsets fibemätverk som håller emot den axiala kraften. Om malspalten ändras med exempelvis 10 % påverkas massakvaliteten betydligt.

Det finns system på marknaden där temperaturen mäts utmed malzonen i syfte att visualisera en temperaturproñl (19) altemativt tryckprofil (20) för styrningsändamål, se Figur 3. Vid LC-raffinering är det företrädesvis tryckprofllen som är intressant att följ a. Vid HC-raffinering räcker det oftast att följa temperaturprofilen.

Vid en förändrad betingelse i rnalspalt, produktion (det vill säga flis- altemativt massatillförsel) och spädvattentillsats ändras temperaturen som därmed kan styras.

Flera temperatur- och/eller trycksensorer används vanligtvis och kan placeras direkt i malsegmenten altemativt inneslutas i en parallellepipedisk långsträckt skena (21) sträckande sig utefter malsegmentens (12 och 13) aktiva radie (1 1), se Figur 1, Figur 2 och Figur 4, enligt förfarandet i EP 0788 407 - Mätning i Malzon. Vanligtvis implementeras den parallellepipediska skenan mellan två malsegment i den yttre ringen på större raffinörer, se Figur 2.

Malsegmentens design har visat sig ha stor betydelse för hur temperaturproñlen utmed den aktiva radien ser ut varför det är svårt att på förhand bestämma var temperatursensorema (22) och/eller trycksensorema (22) ska placeras i skenan (21).

Utanför malzonen finns det instrument som kan placeras i blåsledningen ut från raffinören där den framlöpande massaströmmens torrhalt kan beräknas med hjälp av algoritmer kopplade till NIR (Near Infra Red)-mätningar. Dessa används som standard för styrning av torrhalten med hjälp av spädvattenflödet.

Massakvaliteten mäts inte direkt efter varje raffinör utan snarare när rnassan behandlats färdigt i raffinörema. Detta sker vanligtvis efter det så kallade latencykaret där fibrema i massan under ungefär 20 minuter får möjlighet att räta ut sig innan de förs vidare till pappersmaskin eller annan utrustning. Samplingshastigheten på massakvaliteten kan variera mellan 20 till 30 minuter beroende på hur många processlinjer som varje massaanalysator ska hantera.

Temperaturmätning har enligt litteraturen visat sig vara en ovanligt robust teknik också för direkt styrning vid HC-raffinering US2000/6024309 eftersom mätning av 10 15 20 25 30 35 534 105 4 temperaturprofilen i malzonen har visat att när produktion, spädvattentillförsel och malspalt ändras så påverkas temperaturprofilen dynamiskt. Den dynamiska förändringen åskådliggörs lämpligen genom att studera Figur Sa, där en stegförändring av spädvattnet påverkar temperaturprofilen på olika sätt beroende på var utmed radien (11) man betraktar händelseförloppet. När spädvattentillförseln ökar minskar temperaturen (23) före temperaturmaximum (24). Efter temperaturmaximum ökar temperaturen (25). Anledningen till detta är att det inkommande vattnet kyler den tillbakagående ångan samtidigt som den framåtgående ångan värms upp.

När produktionen ökar så medför det oftast att hela temperaturprofilen (19) lyfter till en annan nivå (26), se Figur Sb. Detta gäller vanligtvis också när malspalten (10) minskar, vilket är ekvivalent med att det elektromekaniska trycket alternativt hydraultrycket (5) som läggs på malskivoma via hydraulkolvarna ökar. Försök har också genomförts där profilens utseende kunnat fórskjutas spatialt från (19) till (32), se Figur 5c.

I traditionella reglerkoncept för raffinörstyming vill man ofta styra den specifika energin, E, det vill säga kvoten mellan raffinörens motorlast, och flisflödet(30) F p alternativt enbart motorlasten, torrhalten ut från raffinören, C för varje enskild raffinör, nedan indikerade med subindex p för primärraffinör respektive s för sekundärraffinönse nedan. Massarelaterade variabler(37), exempelvis Canadian standard freeness, CSF, vilka analyseras efter det så kallade latencykaret(38), se Figur 6a som visar ett förenklat flödesschema styrs ofta manuellt utan något automatiserat reglerkoncept. Elementen i utsignalvektom Y påverkas således av elementen i insignalvektom U som vanligtvis innehåller hydraultryck(5) PM” spädvattenflöden(29) F D, och flisflöde(30) F p beroende på om man betraktar primär- eller sekundärraffinören.

E 811, 812, PM 813, Fyr” _ Y = E, :GU = 811, 812, Phydf, ,, 821, 822, 823, FD” i s C, s s 821, 822, Fn, P P där G representerar överföringsfunktionsmatriser med dess element gi,- som beskriver dynamiken i systemet. Massaegenskapema(3l) ut från varje raffinör styrs inte och varierar således beroende på vad som de facto sker i varje raffinörs malzon. Den linjära funktionen G ger en förenkling av hur processdynarriiken ser ut eftersom dynamiken är starkt olinjär och vi kommer tillbaka till detta nedan.

Raffinörprocesser består oftast av seriekopplade rafñnörsteg; ett som kallas primärsteg(34) och ett som kallas sekundärsteg(35), inklusive ett processteg som 10 15 20 25 30 35 40 534 105 5 omfattar en rejektraffinör(36), se Figur 6a. Ibland kan en annan struktur förekomma med parallella lösningar vilket gör reglerkoncepten komplexa och svåra att överblicka.

Exempel på reglerkoncept som finns på marknaden idag är beskrivet i bland annat en avhandling från Mittuniversitetet i Sverige, ”Quality Control of Single Stage Double Disc Chip Refining", Joar Lidén, 2003 samt US2005/0263259 där reglerkoncept baserade på Model Productive Control, MPC, används för stora komplexa system omfattande flera raffmörlinjer men också enskilda rafñnörlinjer och raffinörer. Dessa koncept har dock inte utgått från att mätning erhålls direkt från malzonen via exempelvis temperaturprofiler som i US2000/6024309 utan fokuserar främst på tillgängliga processvariabler som mäts utanför raffinören.

I samband med ett antal forskningsinsatser har det genomförts off-line försök för att prediktera massakvaliteten ut från raffinörlinjen med hjälp av så kallade ”Auto Regressive Moving Average eXogenous”(ARMAX) modeller. Dessa baserar sig på känd systemidentifieringsteknik, se “System identification, Theory for the user", Lennart Ljung, 2nd edition, Prentice Hall, New Jersey (1999), och är en delmängd av ett antal systemidentifieringsverktyg som finns tillgängliga på marknaden. Off-line försöken resulterade i artikeln ”Refining zone temperature control: A good choice for pulp quality control ?”, Karin Eriksson och Anders Karlström, IMPC09, 2009 där de dynamiska effektema på massakvaliteten studerades med hjälp av en ny typ av ARMAX-modellering som är fortfarande kan karaktäriseras som tillståndemodeller som är lätta att övesätta till överföringsfunktioner G om så önskas. Syftet var att undersöka om man kan få någon empirisk korrelation överhuvudtaget mellan massakvalitet och stegändringar i spädvattenflödet, produktionen och hydraultrycket från en primärraffinör. Det bestående resultatet av forskningsinsatsen var att prediktionen av massakvaliteten blev något bättre när information om primärraffinörens temperaturprofil inkluderades i vektom U.

Ovanstående beskrivningar om vad som händer i malzonen vid olika driftsbetingelser har tagits med för att slutligen introducera det vi kallar riktningsberoende dynamik.

Riktningsberoende dynamik innebär i korthet att massakvalitetsförändringen från olika stegändringar i insignaler, såsom produktion (3031), spädvattenflöde(29) och hydraultryck(5) se Figur 6b, ser olika ut beroende på om steget är negativt eller positivt, se ”Realisation and estimation of piecewise-linear output-error models ”, Rosenqvist and Karlström, Automatica (2005). I vissa arbetspunkter är det riktningsberoende beteendet underordnat men i andra arbetspunkter nära raffinöremas processbegräns-ningar kan det vara centralt.

Riktningsberoendet återspeglar således en olinjär dynamik som kan orsaka stora problem när man ska designa reglersystem. 10 15 20 25 30 534 105 6 Man beskriver ibland processens dynamik med en olinjär funktion fm istället för den linjära representationen gm. Förenklat kan man uttrycka funktion fm som g T = kmlT m l + ST IT fm N g kmZT m1' = l+sT m2J» det vill säga en olinjär funktion (med tidskonstantema TM, respektive T,,,2 och förstärkningarna km, respektive k,,,2) som approximativt kan beskrivas av två linjära överföringsfunktioner där T och l beskriver riktningen på stegändringen i elementen um som återfinns i insignalvektom U. Notera att vi här inte beskriver varje matriselement utan koncentrerar för enkelhets skull beskrivningen på varje överföringsfunktion m.

Alla rafñnörer är olika på grund av konstruktion, typ av malsegment och olinjäriteter i processen. Därför bör en enkel analys i form av dubbelriktade stegsvar genomföras vid införande av avancerad styrning. Anledningen till detta är givetvis att säkerställa vilka element f", som kan negligeras samt undersöka graden av den riktningsberoende dynamiken. Om även sensordynamiken inkluderas i systembeskrivningen kan även detta påverka de riktningsberoende stegsvaren i processen, vilket måste beaktas i reglerloopsdesignen.

I samband med ovanstående forskningsinsatser har en fysikalisk modell dokumenterats ”Refining models for control purposes” (2008), Anders Karlström, Karin Eriksson, David Sikter and Mattias Gustavsson, Nordic Pulp and Paper joumal. Modellen, som beskriver HC-raffinering, förutsätter således att temperaturen och/eller det absoluta trycket mäts utmed ett segment, företrädesvis utmed den yttre ringen i raffinören där den egentliga raffineringen sker, i syfte att matematiskt spänna upp både materialbalansen och energibalansen i raffinören och därmed beräkna malspalten, se den svenska patentansökan 0502784-2. Det som skiljer modellen från tidigare rudimentära försök att beskriva fysiken runt själva malförloppet är att den beräknar både det reversibla tennodynamiska arbetet och det irreversibla rafñneringsarbete som utövas på fibrerna.

Modellen visar att variationema i temperaturprofilen också påverkar den lokala torrhaltsestimeringen vilket medför att det predikterade irreversibla raffineringsarbetet varierar. Att använda den framräknade spatiala torrhalten har ännu inte testats on-line för styrning av raffineringsprocesser men den visar att bearbetningen av massafibrema påverkas lokalt vilket tidigare inte varit påvisbart. 10 15 20 25 30 35 40 534 105 Redogörelse fór uppfinningen Tekniska problemet: Ett omfattande material beträffande raffinörstyrning med hjälp av torrhaltsmätning, malspaltsmätning och temperaturmätning inklusive säkerhetssystem för att förhindra ihopslagning av malsegment har redovisats i litteraturen. Dokument rörande raffinörstyming med hjälp av massakvalitetsmätning är dock förvånansvärt underrepresenterad.

Mätsystem för massakvalitet är ofta uppbyggda av både hårdvara i form av exempelvis provtagare från processen och bildanalyssystem för fiberkaraktärisering.

Det senare är kopplat till mjukvara som beräknar rnassafraktioner som ligger till grund för exempelvis Medelfiberlängds- (MFL) beräkningar. Avvattningsmåttet Canadian Standard Freeness (CSF) återges vanligtvis också av mätsystemen fór massakvalitet.

En del resultat visar att mätning av massakvalitetsvariabler med sådan apparatur ofta uppvisar en tydlig avvikelse från faktiska betingelser erhållna under den direkta raffineringen av fibrerna. Detta kan vara orsakat av att exempelvis två seriellt kopplade raffinörer, ofta benärrmda primär- och sekundärrafflnör, kan köras på en mängd olika sätt dynamiskt samtidigt som olika arbetspunkter kan användas och detta har man inte tagit hänsyn till i patent som tidigare publicerats. Avvikelser i massakvalitetsmätningen kan också vara orsakad av lokala fluktuationer i latencykaret(38) i Figur 6a vilket gör att inhomogeniteter skapas och försvårar själva styrningen av massakvaliteten.

Under lång tid har man trott att det går att styra karaktären på massan och därigenom indirekt den slutliga massakvaliteten efter sekundärsteget med hjälp av enbart temperaturprofilen och/eller tryckprofilen ut från primärraffinören. Detta är givetvis en förenklad sanning eftersom rnassakvaliteten skapas utgående från betingelsema i både primärraffinören och sekundärraffinören. Forskningen visar också att temperaturprofilen reagerar olika beroende på raffinör, malsegmentmönster och var i malzonema fibrema bearbetas längst, det vill säga relaterat till den lokala uppehållstiden. Detta innebär att man måste koppla temperaturprofilema och/eller tryckprofilema på ett mer genomtänkt sätt till de slutliga massakvalitetsvariablema jämfört med tidigare patentförslag.

Ett annat problem som inte tagits hänsyn till tidigare är att trots en järnn utgående torrhalt i blåsledningen ut från raffinörer kan den lokala torrhalten utmed malzonens radie variera betydligt. Detta påverkar givetvis den slutliga massakvaliteten eftersom fibremas uppehållstid därmed varierar vilket innebär att det inte räcker med att mäta torrhalten ut från primärraffinören och/eller sekundärraffinören. 10 15 20 25 30 35 40 534 105 Man har också trott att genom en bra konstruktion av absolutrnätande massakvalitetsmätare så kan de karaktäristiska massaegenskapema som erhålls från primär- och sekundärraffinörerna styras. Vi kan dock konstatera att många absolutrnätande styrsystem ibland inte används för on-line styrning överhuvudtaget i TMP-processlinjer, vilket beror på osäkerheten i mätningen och att samplingshastigheten är långsam och ibland upp till 25 minuter mellan varje mätning vilket gör att reglerkoncept som föreslås inte används i praktiken för reglerändamål. I Figur 7 visas ett typiskt exempel på uppmätt CSF(39) som funktion av tiden och vi ser att variationen jämfört med det glidande medelvärdet på CSF (40) är ungefär +/- 20 ml (41). Vanligtvis behövs en säkrare CSF signal än vad som är fallet i Figur 7. I Figur 8 visas en medelvärdesbildad signal (42) över 5 sampel (vilket motsvarar ungefär 125 minuter) med en variation på +/- 7 ml (43) som är mer acceptabel. Sett ur ett reglerperspektiv är det oacceptabelt att ha sådana tidshorisonter att hantera när massakvaliteten i malzonema skapas inom en sekund.

Förutom att massakvalitetskaraktäriseringen är osäker har man också andra problem när reglertekniska lösningar ska formuleras. Ett centralt problem som måste hanteras är de långa dödtiderna i processen. Dödtiden för ett typiskt system med två seriellt kopplade raffinörer med efterföljande latencykar kan vara allt mellan 20-30 minuter beroende på processdesign. Detta innebär att en ändring i raffineringsbetingelserna i någon av raffinöremas malzoner slår igenom först efter 20-30 minuter i den uppmätta massakvaliteten. Detta kan man eventuellt lösa med en mer genomtänkt processdesign men vanligtvis vill man ha ett latencykar mellan raffinörlinjen och massakvalitetsanalysatom.

Hur man ska hantera inhomogenitetema i malgodset, orsakade av ojämn styrning av raffineringsbetingelsema, är således centrala för redogörelsen av det tekniska problemet. Om malgodsets packningsgrad i malzonen varierar lokalt i tid och rum kan detta skapa lokala områden där den spatiala temperaturen alternativt trycket kan vara till stor hjälp.

Alla processbetingelser, exempelvis ökad produktion eller spädvattentillförsel som ändrar den aktiva volymen i malzonen vid konstant hydraultryck, påverkar följaktligen både malspalten och temperatur- och/eller tryckprofilens utseende enligt tidigare beskrivning, se Figur 5. Detta får till följd att massans uppehållstid i malzonen kan variera vilket påverkar fluktuationema i rnalzonen och slutligen massakvaliteten vid normal drift. Det kan även inträffa att processbetingelsema påverkas negativt så att raffinören driver iväg mot arbetspunkter som av säkerhetsskäl är förbjudna på grund av risk för haveri. Dessa förbjudna områden är svåra att på förhand prediktera 10 15 20 25 30 35 534 105 9 med dagens teknik vilket gör att dessa problem upptäcks först efter ungefär 25 till 125 minuter beroende på massaanalysatoms samplingshastighet och tillförlitlighet. En dellösning på problemet har varit att styra temperaturprofilen i malzonema vilket har påpekats i ett antal tidigare patent men man har hittills inte vetat hur temperaturprofilema förhåller sig till den erhållna massakvaliteten.

I anslutning till tidigare nänmda ARMAX-modelleringsförsök på en primärraffinör visade det sig vara svårt att veta vilka insignaler som krävs för att man ska få en bra dynamisk uppföljning av rnassakvaliteten eftersom processlinjen innehåller flera raffinörer men det stod klart att temperaturprofilinformation ger ett mervärde som insignaler vid prediktering av massakvaliteten.

Ett annat problem som uppkom vid systemidentifieringsförsöken var att modellerna endast beskriver den dynamiska responsen vid ändringar i processen och därigenom saknas kunskap om massakvalitetens absolutnivåer. Vi får därigenom ett biasproblem, det vill säga att de estimerade signalema avviker från absolutvärdet på den uppmätta utsignalen samtidigt som vi ska hantera två tidsskalor, en för den snabba dynamiken som följer av den snabba proñlmätningen i malzonen och en för den långsamma dynamiken orsakad av massakvalitetsanalysatoms långsamma samplingshastighet.

ARMAX modellema är som tidigare nämnts linjära tillståndsmodeller och det medför problem när olinjära processer med riktningsberoende dynamik ska identifieras. Det har också visat sig vara problematiskt att hantera långsammare variationer, trender, i processen som oftast beror på olinjära fenomen som slitage av malsegment et cetera.

Ett ytterligare problem som inte penetrerats i litteraturen är hur de linjära systemidentifieringsmetodema, exempelvis ARMAX-modellema, kan återskapa tillförlitliga tidskonstanter och förstärkningar som kan användas för styrningsändamål där riktningsberoende dynamik föreligger.

Hur identifieringen av massakvalitetsvariablema ska gå till optimalt och hur denna nyvunna kunskap ska kunna användas för att intersampla massakvalitet via mjuka sensorer, dvs. a1goritmer(empiriska modeller) som gör det möjligt att snabba upp samplingsfrekvensen, från dagens 25 minuter till ungefär 1-2 minuter, har till dags dato inte heller varit känt och detta har medfört att det tekniska problemet inte tidigare lösts.

Inga resultat har ännu publicerats där både pñmär- och sekundärraffinörema är bestyckade med rnätskenor för temperatur och/eller tryckmätning vilket visat sig utgöra en viktig del av den tekniska lösningen nedan. 10 15 20 25 30 35 534 105 10 Lösningen: Föreliggande uppfinning utgör lösningen på dessa problem och avser ett förfaringssätt som använder robust temperatur- och/eller tryckmätning direkt i malzonen kombinerat med tillgängliga rnätsignaler från processen och en modell för att estimera fram den spatiala torrhalten i varje malzon och/eller den estimerade massakvaliteten för att styra en hel raffinörlinje.

Eftersom mätsensorema är placerade utmed radien i malzonen så bildas en temperaturvektor som formar den så kallade temperaturprofilen, se Figur 5. I de fall trycksensorer används kallas det följaktligen tryckprofil.

För att få en bra karaktärisering av massakvaliteten räcker det inte att mäta malzonstemperaturen i en punkt eller temperaturprofilen enbart i primärraffinören.

Istället måste temperatur- och eller tryckprofilerna från både primär- och sekundärraffinören användas eftersom båda raffinörerna påverkar massakvaliteten. I vissa fall kan också rejektraffinören ingå om den signifikant påverkar slutprodukten, det vill säga massakvaliteten.

FYSIKALISK MonELL FÖR SPATIAL TORRHALTSMÄTNING I händelse av att en torrhaltsmätning sker i blåsledningen ut från raffinörema styrs den företrädesvis av spädvattenflödena. Den fysikaliska modellen beskriven i ”Refining models for control purposes” (2008), Anders Karlström, Karin Eriksson, David Sikter and Mattias Gustavsson, Nordic Pulp and Paper joumal har visat sig vara användbar för beräkning av torrhalten ut från raffinörerna. En järnförelse mellan uppmätt och predikterad torrhalt visar att den predikterade torrhalten överensstämmer bättre med laboratorieprover tagna i blåsledningen.

Variationer i torrhalten lokalt i malzonen kan inte mätaren i blåsledningen hantera.

Istället måste den fysikaliska modellen användas för att komma åt dessa inre tillstånd utmed radien i malzonen. Detta innebär således att den fysikaliska modellen ger oss tillgång till torrhaltsprofilen i malzonen. Modellen förutsätter dock att energibalansen i processen använder temperaturproñlen eller tryckprofilen som ingångsvariabel i beräkningen. En stor förändring i exempelvis den inre delen av temperaturprofilen ger en stor förändring i den estimerade torrhalten i samma region, se Figur 5.

EMPIRISK MODELL Genom tillgången på temperaturprofiler och/eller tryckprofiler från primär- och sekundärraffinörer i kombination med traditionella processvariabler som flisflöde, spädvattenflöde och hydraultryck och inloppstryck, som tillsammans kan utgöra 10 15 20 25 30 35 40 534 105 ll insignalvektom u(t), kan vi studera hur massakvaliteten i vektom y(t) förhåller sig till olika förändringar i processen under förutsättning att en tillförlitlig modell kan skapas.

Anledningen till varför detta är intressant är givetvis att vi vill koppla, via empiriska modeller, processvariabler och malzonsinformation till flera massakvalitetsvariabler, exempelvis CSF och MFL, som kan användas för stymingsändarnål.

Vi ska inte fördjupa oss allt för mycket i detaljer rörande alla typer av empiriska modeller som kan förekomma men i de fall vi använder en linjär modell så är ett exempel viktigt att visa för att man ska förstå vad vi vill åstadkomma.

Det är viktigt att poängtera att modellen A(q)y(I)=B(<1)u(I-nk)+ C(q)e(f). är en ”Auto Regressive Moving Average eXogenous”(ARMAX)-baserade ekvation där utsignalvektom y( t) innehåller de signaler man vill modellera. Insignalvektorn u( t) kan som ovan nämnts innehålla exempelvis några variabler från malzonens temperaturprofil, produktion, spädvattenflöde och hydraultryck som också kan ersättas med malspalten om den finns uppmätt. nk representerar dödtiden for respektive inlsignal till utsignalen, e( t) anger felet och A( q), B(q) och C(q) är polynom i operatom q .

Det bör påpekas att modellen endast hanterar variationema vilket innebär att det inte är absolutvärdet som modelleras. Utsignalvektorn y( t) måste därför kopplas sarmnan med den långsamt varierande delen(40) av den signal som man modellerar för att absolutvärdet, exempelvis massakvalitetsvariablema CSF(39) eller andra dynamiska karaktäristiska mätsignaler, ska erhållas, se Figur 7. Ofta utgör den långsamma delen av signalen av medelvärdet eller en starkt filtrerad linjär trend, se vidare “System identification, Theory for the user”, Lennart Ljung, 2nd edition, Prentice Hall, New Jersey (1999).

Insignalvektom u( t) har en tendens att bli komplex och oöverskådlig för fall där hela raffinörlinjer betraktas varför den lämpligen delas upp i vektorer för processvariablerna Vnmm, (44) och VM, (46) samtidigt som mätsignaler från malzonerna representeras av vektorema T(,,,,-,,,, (45) och TM, (47), se Figur 9a. En annan anledning till uppdelningen är också att man ibland inte behöver all information som insignaler i modellfrarntagningen. För vissa typer av raffinörer räcker det med att ha enbart rnätsignaler från malzonen T(,,,,-,,,, (45) och Dm (47 ). I andra fall kan det vara viktigt att ha med även processvariablema V(,,,,-,,,, (44) och VM, (46), speciellt om raffinöremas arbetspunkter varierar starkt i tiden.

För att generera de dynamiska empiriska modellema i Figur 9a kan exempelvis ARMAX-modeller eller andra modeller användas. Utsignalema (48,49) från varje 10 15 20 25 30 35 40 534 'IOE 12 modell i kombination med den långsamma delen av signalen (51) summeras och utgör den slutliga massakvalitetsvektom (50).

Notera att bra modeller erhålls endast om uppehållstiden i latencykaret beaktas eftersom en tillräckligt stor excitation av en insignal i raffinörema kommer att synas i den uppmätta massakvaliteten först efter ungefär 20 minuter. I identifieiingen av utsignalen y(t) måste därför dödtiden nk inkluderas för att man ska få bra dynamisk fóljning av den uppmätta massakvaliteten.

MODELLFÖRBÄTTRINGAR Av ya) I den modell som beskriver massakvaliteten ut från raffinören vill vi dock hitta estimat som är betydligt snabbare än vad som erhålls med ovanstående modell i Figur 9a. I Figur 9b återges ett exempel, Den verkliga variationen i massakvaliteten ut från latencykaret (52) modelleras och erhålls som summan av variationen i massakvaliteten från primär- (48) respektive sekundärraffinörema (48) och återges av (53). Om vi exkluderar dödtiden nk från modellen erhålls massakvaliteten (54). Om vi dessutom förkortar insvängningsförloppen orsakade av omrörningsfenomen och naturlig filtrering i latencykaret erhålls en modifierad utsignal y,,,,,,,( t) (55) som återger rnassakvalitetsvariationen betydligt snabbare än vad som massakvalitetsanalysatom kan åstadkomma.

MODELLFÖRBÄTTRINGAR AV DEN LÅNGSAMT VARIERANDE SIGNALEN Den modifierade utsignalen y,,,0¿(t) ska sedan kopplas till en modifierad långsamt varierande signal för att få en ny estimerad massakvalitet utan dödtid, se Figur 10. När det är små variationer i processen är det normalt små variationer i massakvaliteten men inte i den uppmätta massakvaliteten. Därför används en långsamt varierande signal(56) skapad av exempelvis den medelvärdesbildade signalen (42) i Figur 8 eller en medelvärdesbildad signal över 2-l0 sampel beroende på vilken filtrering man vill använda.

Således, genom att utnyttja den medelvärdesbildade signalen 2-10 sampel bakåt i tiden som den långsamt varierande delen (56) i kombination med den modifierade utsignalen y,,,,,,,( t) (57) som har snabb variation fås ett mer tillförlitligt värde där vi kopplar två tidsskalor till varandra och utnyttjar snabbheten samtidigt som vi kan följa den långsiktiga trenden i mätsignalen från massakvalitetsanalysatom, se Figur 10.

För olinjära system kan också riktade försök göras för att man ska kunna skapa modeller för att ta hand om så kallad riktningsberoende dynamik, se Figur 6b, där funktionen f", beskriver systemets respons på olika ändringar i insignalema u( t).

Vilken systemstruktur som väljs för att prediktera massakvaliteten beror på den noggrannhet som krävs för att man ska kunna styra processen. I många fall kan en linjär modell fungera tillräckligt bra emedan andra situationer kräver olinjära 10 15 20 25 30 35 534 105 13 lösningar. Det bör nämnas i sammanhanget att ovanstående identifieringsteknik för att hitta en bra tillståndsmodell, som sedan kan transformeras till nedanstående system av överföringsfunktioner, kan användas för att estimera fram förstärkning och tidskonstanter enligt ekvationen k r fmi = gmr =íä _., 1 fm f kflflrï m2 = M m2l genom att omstrukturera (segmentera) mätseriema för att fånga dynamik som beskriver T och J, .

Det är följaktligen viktigt att påpeka att mätningen av temperaturen, altemativt trycket eller en kombination av de båda, utmed malsegmentens radie är nödvändig för att överhuvudtaget kunna estimera fram massakvaliteten vid HC-raffinering eller vid LC- raffinering.

Genom tillgången på snabb information från exempelvis temperatursensorer i malzonema på primär- och sekundärraffinörema i kombination med en tillräckligt bra modell kan man således få en snabb prediktion av massakvalitetsvariablema. Därmed kan kvaliteten på massan förhindras driva i väg utanför specifikationen på grund av ändringar i driftsbetingelsema. Detta sker lämpligen genom att intersampla massakvaliteten (57) exempelvis varje minut, se Figur 10, så att man kan använda prediktionen som hjälpmedel i olika reglerkoncept. Det är samtidigt viktigt att den predikterade massakvaliteten (57) hela tiden jämförs med den uppmätta massakvaliteten (39) även om den estimerade kvaliteten oftast är mer noggrann och passar bättre för stymingsändarnål.

Figur lla visar schematiskt stymingen av allmängiltiga processer med ett traditionellt reglerkoncept där en regulator (C) erhåller differensen mellan ett börvärde (SP) och en uppmätt signal (M) och därefter via ett styrdon styr en process (H).

Figur llb visar schematiskt styrningen av processen med det nya reglerkonceptet.

Regulatorn (C) som utgörs av en dator eller liknande elektronisk utrustning matas med differensen mellan (börvärdena (SP)) och (ärvärdena (PV)) på den snabba estimerade massakvaliteten(M,,,,,d). Styrenheten (C) matar ut information till ett distributionsblock (D) som fördelar styrsignalen till de inre reglerkretsar för varje raffmör som ingår i reglerkonceptet. De inre reglerkretsarna kan bestå av ett flertal inre reglerkretsar för att styra den spatialt estimerade torrhalten med hjälp av spädvattenflödet och/eller de uppmätta temperaturprofilema och/eller tiyckprofilerna i primär- respektive 10 15 20 25 30 35 534 105 14 sekundärraffinörerna. Temperaturprofilerna och/eller tryckprofilema styr företrädesvis av hydraultrycken (5) i respektive raffinör men också i kombination med tillfört vatten (43) och/eller flismatning(6). Relevanta variabler från mätningsdonen i malspalten tillsammans med modellerad torrhalt i olika positioner i malspalten matas sedan in i ett modellblock som summerar den slutliga estimerade variationen på massakvaliteten (58). Denna signal adderas till den uppmätta signalen M via ett filter Mfil, om signalkvaliteten på M varierar mycket i tiden.

En mängd olika distributionsrutiner kan formuleras och en återges i Figur llc. där två seriellt kopplade block K och R beskriver en av operatörerna satt fördelning och R är en rutin som relaterar till den faktiska förstärkningsfördelningen för malzonsrnätningarna/estimeringama vid normal drift. Genom K kan operatören således förstärka eller minska Rs inverkan på respektive inre reglerkrets. Den inre loopen förutsätter mätning av någon fysikalisk storhet i malzonen, se Figur lld. Varje reglerkrets har sin egen regulator C för att ta hand om den dynamik H som de facto kan skilja från raffinör till raffinör. Modellen, se Figur lle kan beskrivas på olika sätt men gemensamt med alla modeller är att den tar hand om snabba variationer på samma tidskala som de inre reglerkretsarna. Utsignalema från varje delmodell F (59) summeras och formar y,,,,,(,(55) som sedan summeras med en trendsignal (60), se Figur llb och Figur llf. Den slutliga modifierande signalen (Mmod) återkopplas sedan för att skapa den erforderliga reglerdifferensen som går in i regulatom (C). Notera i Figur 11f återges ett godtyckligt antal seriekopplade och/eller parallellkopplade rafflnörer som styrs i gällande reglerkoncept.

I de fall en tillräckligt noggrarm malspaltsgivare finns tillgänglig kan ovanstående beräkningsförfarande också inkludera denna för uppföljning.

Huvudändamålet med uppfinningen är således att beskriva ett förfaringssätt, som med stor tillförlitlighet kan presentera en on-line baserad estimering av massakvaliteten samtidigt som densamma används för styming av slutlig massakvalitet ut från den sista raffinören och därefter latencykaret.

Uppfinningen är baserad på att temperaturprofilen och/eller den absoluta tryckprofilen kan mätas i primär- och/eller sekundärraffinörernas malzoner och/eller att den spatiala torrhalten i malzonen kan estimeras fram med en modell.

Förfarandet enligt föreliggande uppfinning är inte inskränkt till någon bestämd anordning för avläsning av temperatur eller tryck i malzonen. Sådana anordningar är emellertid kända genom exempelvis svenska patentet 9601420-4. 534 105 15 Uppfinningen är inte heller begränsad till den visade utföringsformen utan den kan varieras på olika sätt inom patentkravens ram. 10 15 20 25 30 35 40 534 105 16 Beskrivning av ritningsunderlag: Figur 1: Snitt av ett stationär malskiva som trycker mot ett roterande malskiva.

Figur 2: Två rnalsegment med mellanliggande parallellepipedisk långsträckt skena för mätning av temperatur och/eller tryck.

Figur 3: Temperaturprofil och tryckprofil som funktion av malzonsradien.

Figur 4: Parallellepipedisk långsträckt skena med diskret placerade temperatur- och/eller trycksensorer.

Figur Sa: Temperaturproñlens utseende före och efter en ökning av spädvattentillförseln.

Figur Sb: Temperaturprofilens utseende före och efter en ökning av produktionen.

Figur 5c: Temperaturprofilens utseende före och efter ett malsegmentbyte.

Figur 6a: Schematisk figur över hur två raffinörer är kopplade till ett latencykar med efterföljande massakvalitetsanalysator. I figuren ingår även en rejektrafñnör.

Figur 6b: Exempel på riktningsberoende dynamik Figur 7: Exempel på en uppmätt massakvalitetsvariabel i form av CSF.

Figur 8: Exempel på en medelvärdesbildad signal över 5 sampel utgående från signalen i Figur 7.

Figur 9a: Schematisk figur över hur modelleringsblocken är kopplade och summerade för att återge variationen i massakvaliteten.

Figur 9b: Schematisk figur för att beskriva hur en modifierad massakvalitetsvariabels beteende förändras när dödtid och tidskonstanter modifieras för att bättre återge vad som händer i varje raffinör.

Figur 10: Exempel på medelvärdesbildad signal (DC-nivå) och signal med snabb variation (AC-nivå) som sedan ska summeras och återge slutgiltig massakvalitet.

Figur lla: Traditionellt reglerkretskoncept. 10 15 534 105 17 Figur 1 lb: Nytt reglerkoncept enligt detta patent.

Figur 11c: Distributionsblock för fördelning av utsignal från regulator till respektive inre reglerkrets.

Figur 11d: Exempel på inre reglerkrets med godtyckligt antal raffinörer som är seriellt och/eller parallellt kopplade.

Figur Ile: Exempel på modellblock med efterföljande summering till slutlig massakvalitetsvariation.

Figur llf: Sammanställning av hela reglerkonceptet i dess detalj.

Claims (8)

534 105 Krav

1. En anordning för att prediktera massakvalitet efter målning, omfattande åtminstone en första rafñnör försedd med en forsta spatialt distribuerad uppsättning temperatursensorer och/eller trycksensorer och en andra rafñnör försedd med en andra spatial distribuerad uppsättning temperatur- och/eller trycksensorer, där de åtminstone två raffinörerna är anordnade i serie, samt en massakvalitetsmätare som infrekvent och med tidsfördröjning ger ett absolut massakvalitetsestimat på massan efter malning i de åtminstone två raffmörerna, kännetecknad av att en signalbehandlingsenhet frekvent beräknar ett dynamiskt massakvalitetsestimat med kortare tidsfördröjning ur mätvärden från de åtminstone två spatialt distribuerade uppsättningama temperatursensorer och/eller trycksensorer och där signalbehandlingsenheten beräknar ett frekvent massakvalitetsestimat med kortare tidsfördröjning ur en funktion av både det absoluta och det dynamiska massakvalitetsestimatet.

2. En anordning enligt krav 1, kännetecknad av att den spatiala distributionen för temperatursensorema och/eller trycksensorema i de åtminstone två raffinörema utgörs av radiella distributioner i rafñnöremas malzoner.

3. En anordning enligt något av de ovanstående kraven, kännetecknar! av att signalbehandlingsenheten vid beräkning av de dynamiska massakvalitetsestimatet därtill använder mätvärden från åtminstone en raffinör på åtminstone endera av malspalt, massans torrhalt vid utlopp, flisflöde, spädvattenflöde eller inloppstryck.

4. En anordning enligt något av de ovanstående kraven, kännetecknad av att massakvalitetsmätaren mäter massakvaliteten i en lagringstank. 534 105

5. En metod for reglering av utgående massakvalitet från åtminstone två raffinörer anordnade i serie, där åtminstone en av raffinörernas processvariabler styrs med en regleranordning, där regleranordningen styr processvariablerna med utgångspunkt från indata i form av åtminstone ett predikterat massakvalitetsestimat, där de åtminstone två raffinörerna är försedda med spatialt distribuerade uppsättningar temperatursensorer och/eller trycksensorer och en massakvalitetsmätare som infrekvent och med tidsfórdröjning ger ett absolut massakvalitetsestimat på massan efter malning i de åtminstone två raffinörerna, kännetecknad av att en signalbehandlingsenhet frekvent beräknar ett dynamiskt massakvalitetsestimat med kortare tidsfordröjning ur mätvärden från de åtminstone två spatialt distribuerade uppsättningama temperatursensorer och/eller trycksensorer och där ett frekvent massakvalitetsestimat med kortare tidsiördröjning, som utgör indata till regleranordningen, är en funktion av både det absoluta och det dynamiska massakvalitetsestimatet.

6. En metod enligt krav 5, kännetecknad av att den spatiala distributionen for temperatursensorema och/eller trycksensorema i de åtminstone två raffinörema utgörs av radiella distributioner i rafflnörernas malzoner.

7. En metod enligt krav 5 eller 6, kännetecknad av att signalbehandlingsenheten vid beråknin g av det dynamiska massakvalitetsestimatet därtill använder mätvärden från åtminstone en raffinör på åtminstone endera av malspalt, massans torrhalt vid utlopp, flisflöde, spädvattenflöde eller inloppstryck.

8. En metod enligt något av kraven 5-7, kännetecknad av att massakvalitetsmätaren mäter massakvaliteten i en lagringstank.