Tìm hiểu về nhà máy giấy bãi bằng

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ NHÀ MÁY GIẤY BÃI BẰNG CHƯƠNG 2. HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN SẤY GIẤY TRONG PHÂN XƯỞNG XEO GIẤY CHƯƠNG 3. Ý KIẾN CẢI THIỆN CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG SẤY 2.3.1. Mô tả quá trình trong lô sấy Lô sấy là các trụ kim loại rỗng, hơi nước bão hòa ở nhiệt độ cao được đưa vào bên trong, gia nhiệt cho lớp vỏ kim loại. Làm nhiệt độ tăng lên, khi tiếp xúc với giấy ẩm, quá trình truyền nhiệt xảy ra và làm bay hơi nước trên bề mặt tờ giấy. Do nhiệt từ hơi nước mất đi làm nhiệt độ trên bềmặt lô sấy giảm, phía trong lô, hơi nước chuyển từ dạng hơi chuyển về dạng lỏng thành một lớp nước ngưng tụ ở mặt trong của lô sấy. Vậy quá trình vật lí bên trong lô sấy là quá trình cân bằng pha giữa pha hơi và pha lỏng của nước. Vấn đề điều khiển ở đây là điều khiển cân bằng pha đểnhiệt cung cấp làm bay hơi nước trên tờ giấy là ổn định và đạt được công suất mong muốn. Đối tượng điều chỉnh là áp suất hơi bão hòa trong khoang lô sấy. .............

1.1 Tầm quan trọng của ngành sản xuất giấy 2

1.2 Lịch sử phát triển của nhà máy giấy bãi bằng 2

1.3 Các sản phẩm tiêu biểu của công ty giấy bãi bằng 3

CHƯƠNG 2 HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN SẤY GIẤY TRONG PHÂN XƯỞNG XEO GIẤY 4

2.1 Hệ điều khiển truyền động lô sấy 4

2.1.1 Cấu trúc của hệ thống sấy 4

2.1.2 Truyền động của nhóm sấy 4

2.2 Cấu tạo lô sấy và nguyên 5

2.2.1 Cấu tạo 5

2.2.2 Nguyên lý hoạt động 7

2.3 Mô tả toán học của lô sấy 9

2.3.1 Mô tả quá trình trong lô sấy 9

2.3.2 Các quá trình cân bằng 10

2.3.3 Quá trình truyền nhiệt 11

2.3.4 Mô hình hóa quá trình 11

2.4 Vòng điều khiển áp suất và nước ngưng tụ 13

2.4.1 Sách lược điều chỉnh trong phân xưởng sấy 13

2.4.2 Thiết kế bộ điều khiển áp suất 16

2.4.3 Vòng điều khiển độ ẩm 17

CHƯƠNG 3 Ý KIẾN CẢI THIỆN CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG SẤY 20

3.1 Tăng công suất sấy 20

3.2 Cải thiện cấu trúc điều khiển 20

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ NHÀ MÁY GIẤY BÃI BẰNG

1.1 Tầm quan trọng của ngành sản xuất giấy

Ngàng giấy có vai trò quan trọng trong nền kinh tế quốc dân, nó quyết định tới nềnvăn minh của đất nước nói riêng và của toàn nhân loại nói chung Giấy là công cụ lưutrữ thông tin để truyền bá từ thế hệ này sang thế hệ khác Giấy góp phần quan trọng vàothúc đẩy kinh tế – xã hội và khoa học – kỹ thuật phát triển Nhân loại muốn phát triểnthì các thành tự khoa học – kỹ thuật và thông tin văn hóa phải được phổ biến rộng rãitrên toàn thế gới, dẫn tới nhu cầu sử dụng giấy đang ngày càng tăng cao

Giấy được sử dụng trong hầu hết các linh vực : Công nghiệp, giáo dục, sách báo ,y

tế, Quốc phòng, trong sinh hoạt hàng ngày … Hàng năm, giấy mang lại nguồn lợi đáng

kể cho nền kinh tế quốc dân

Tóm lại giấy dữ một vai trò quan trọng trong nền kinh tế cũng như là văn minhnhân loại

1.2 Lịch sử phát triển của nhà máy giấy bãi bằng

Công ty giấy Bãi Bằng là công trình hữu nghị giữa hai nước Việt Nam – ThụyĐiển được xây dựng vào năm 1974 và được khánh thành 26 – 11 – 1982 Được xâydựng tại thị trấn Phong Châu, huyện Phù Ninh, tỉnh Phú Thọ Với vị trí gần đường bộ,đường thủy và đường sắt nên thuận lợi cho quá trình vận chuyển và tiêu thụ sản phẩm.Dây chuyền công nghệ hiện đại, hoàn chỉnh và đồng bộ được xây dựng trên mộtdiện tích 20 ha, cung cấp giấy viết, giấy in… cho thị trường trong nước và xuất khẩu ranước ngoài Sản lượng sản xuất của công ty liên tục tăng cao, sau đây là thống kê vềsản lượng giấy sản xuất ra thực tế (1992 – 2001):

Hình 1.1 sản lượng giấy của công ty bãi bằng năm 1992 – 2001

1.3 Các sản phẩm tiêu biểu của công ty giấy bãi bằng

Công ty giấy Bãi Bằng sản xuất rất nhiều các loại mặt hàng với các chủng loại vàkích cỡ khác nhau sau đây là một số sản phẩm tiêu biểu của công ty :

- Khổ giấy : 21,5 3 16,5 cm, loại 48 và 96 trang

- Bao gói : 10 – 12 quyển trong 1 hộp

 Giấy tessne : Khăn lau mặt, Khăn bỏ túi, Khăn ăn

CHƯƠNG 2 HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN SẤY GIẤY TRONG PHÂN XƯỞNG

XEO GIẤY

2.1 Hệ điều khiển truyền động lô sấy

2.1.1 Cấu trúc của hệ thống sấy

Bạt dẫn giấy

Hình 2.1 Mô hình hệ thống sấy hai bạt dẫn

 Mục tiêu của khâu xấy: Làm bay hơi hơi nước trong giấy, làm cho giấy có cứngcáp, và có độ ẩm theo yêu cầu công nghệ:

- Cấp nhiệt vào lô sấy

- Truyền nhiệt từ lô sấy sang giấy

- Thông gió để thoát hơi nước

 Ưu điểm của phương pháp sấy hai bạt:

- Giấy luôn được nằm giữa lô sấy và bạt dẫn nên hiệu quả truyền nhiệt từ lô

sấy lên tờ giấy được nâng cao

- Giấy được sấy đồng đều nhau do mọi vị trí trên tờ giấy đều được cung cấp

nhiệt theo cách giống nhau

 Nhược điểm của hệ thống sấy hai bạt dẫn:

- Hệ truyền động phức tạp, cồng kềnh.

- Điều khiển phức tạp.

- Phối hợp tải trong hệ truyền động rất khó khăn.

2.1.2 Truyền động của nhóm sấy

Giấy

Master Speed Follower Torque + Windown control

Hệ số chia tải

Tốc độ đặt

- Để đảm bảo giấy không bị rách, dày mỏng khác nhau … thì tốc độ của các lô

sấy phải là như nhau

- Trong hệ truyền động có sử dụng bánh răng liên kết các lô sấy trong cùng

một nhóm

- Số lượng lô sấy lớn (8 lô sấy) nên để đảm bảo hệ thống hoạt động trơn tru,

chất lượng truyền động tốt chúng ta dùng hai động cơ truyền động M1 và M2

sau đó thực hiện phối hợp tải (Thực hiện chia tải) cho hai động cơ này nhưsau :

Hình 3.2 chia tải giữa hai động cơ M 1 và M 2

2.2 Cấu tạo lô sấy và nguyên

2.2.1 Cấu tạo

Lô sấy là một ngăn có áp lực được cấp nhiệt bới hơi nóng qua một van hơi Hơinóng sẽ ngưng thành nước trong lô sấy Nước ngưng làm giảm hiệu quả truyền nhiệtcủa lô sấy và nó còn làm tăng tải của hệ thống truyền động gây ảnh hướng tới chấtlượng điều khiển của hệ thống

Hình 3.3 Các thanh gây sáo trộn trong lô sấy

Các thanh trong lô sấy có tác dụng phá vỡ nước ngưng do hiện tượng công hướng Các thanh trong lô sấy cũng ảnh hướng tới qua trình sấy,sau đây là sự so sánh giữa ảnh hưởng của các thanh trong lô sấy :

Hình 3.4 Ảnh hưởng của các thanh trong lô sấy tới quá trình sấy

Đường có chấm tròn thể hiện tốc độ của lô sấy khi có các thanh bên trong lô sấy

và đường có chấm hình tam giác biểu thị quá trình sấy không có các thanh bên trong lôsấy

Từ đồ thị hình 3.4 chúng ta thấy tốc độ sấy khi các lô sấy có các thanh bên trong

lô sấy nhanh hơn so với trường hợp lô sấy không có các thanh ở bên trong Do, các lôsấy có thanh bên trong sẽ phá vỡ lớp nước ngưng do đó hiệu quả truyền nhiệt tốt hơ sovới trường hợp lo sất không có thanh bên trong lô sấy

Hình 3.5 Cấu tạo trong của lô sấy

2.2.2 Nguyên lý hoạt động

 Tác dụng của lô sấy

Hình 3.6 Sấy giấy trên lô sấy

Khi giấy được gia nhiệt bới các lô sấy, nước ở giữa và bên trong sơ sợi sẽ chuyểnthành hơi Trong khoảng trống kéo giấy giữa các lô sấy, hơi nước thoát ra khỏi tờ giấy.Nhiệt độ cao hay thông gió nhiều sẽ thúc đẩy quá trình bốc hơi nước

Để làm cho nước từ giấy bốc hơi đi được, thì nguyên lý hoạt động của lô sấy nhưsau:

 Nguyên lý hoạt động

Hình 3.6 Các quá trình sảy ra trong lô sấy

Hơi sấy (Steam) được đưa vào lô sấy qua đường cấp hơi, nhờ nhiệt độ của hơi này

sẽ truyền nhiệt lượng lên tờ giấy làm khô giấy theo yêu cầu công nghệ Trong trongtrình sấy sẽ tạo nước ngưng làm giảm hiệu sấu truyền nhiệt và làm tăng tải cho hệtruyền động do đó bên trong lô sấy có bố trí các thanh bên trong để phá vỡ nước ngưng,nước ngưng sẽ theo ống dẫn và thoát ra ngoài

Hình 3.7 Cấu tạo phần cấp hơi và thu nước ngưng của lô sấy

Để nâng cao chất lượng, hiệu suất sấy cao thì hệ thống lô sấy được bố trí hệ thốngthông hơi Làm cho khả năng bốc hơi của hơi nước đạt hiệu suất cao, tối ưu hóa đượcnhiệt lượng cung cấp

Hình 3.8 Hệ thống thông hơi của lô sấy

Hệ thống thông hơi có chức năng như sau:

- Tạo môi trường thuận lợi để bốc hơi

- Cải hiện việc sử dụng năng lượng

- Duy trì điều kiện tốt cho phòng máy xeo

- Giảm mù sương thoát ra khỏi nhà máy

2.3 Mô tả toán học của lô sấy

2.3.1 Mô tả quá trình trong lô sấy

Lô sấy là các trụ kim loại rỗng, hơi nước bão hòa ở nhiệt độ cao được đưa vào bêntrong, gia nhiệt cho lớp vỏ kim loại Làm nhiệt độ tăng lên, khi tiếp xúc với giấy ẩm,quá trình truyền nhiệt xảy ra và làm bay hơi nước trên bề mặt tờ giấy Do nhiệt từ hơinước mất đi làm nhiệt độ trên bềmặt lô sấy giảm, phía trong lô, hơi nước chuyển từdạng hơi chuyển về dạng lỏng thành một lớp nước ngưng tụ ở mặt trong của lô sấy Vậyquá trình vật lí bên trong lô sấy là quá trình cân bằng pha giữa pha hơi và pha lỏng củanước Vấn đề điều khiển ở đây là điều khiển cân bằng pha đểnhiệt cung cấp làm bay hơinước trên tờ giấy là ổn định và đạt được công suất mong muốn Đối tượng điều chỉnh là

áp suất hơi bão hòa trong khoang lô sấy

2.3.2 Các quá trình cân bằng

Hình 3.9 Quá trình truyền nhiệt từ hơi nóng của lô sấy lên tờ giấy

a Cân bằng khối lượng

- qS : Lưu lượng hơi nước vào trong lô sấy (Kg/s)

- qC : lưu lượng hơi nước ngưng tụ trong lô sấy (Kg/s)

- qW : lưu lượng nước ngưng tụ được hút ra ngoài (Kg/s)

- VS, VW : lần lượt là thể tích hơi và nước ngưng tụ (m3)

- ρS , ρw : lần lượt là khối lượng riêng của hơi nước và nước ngưng (Kg/m3)

b Cân bằng năng lượng

dt d

Qm : công suất nhiệt cấp từ hơi nước cho lớp vỏ kim loại của lô sấy (W)

QC : công suất cấp nhiệt từ vỏ lô tới tờ giấy (W)

m : Khối lượng lô sấy (Kg)

Cp,m : nhiệt dung riêng của kim loại làm vỏ lô sấy (J/kg.K)

Tm : nhiệt độ vỏ lô (K)

US, UW : nội năng của hơi nước và nước ngưng (J/kg)

2.3.3 Quá trình truyền nhiệt

a Công suất nhiệt đưa tới lớp vỏ kim loại của lô

Qmsc A cyl(T T )s m (7)Trong đó :

- αsc : hệ số truyền nhiệt từ hơi nước tới tâm của lớp vỏ lô sấy (W/m2.K)

- Acyl : diện tích xung quang của lô sấy (m2)

- TS : nhiệt độ hơi nước (K)

- Tm : nhiệt độ ở giữa của lô sấy (K)

b Công suất nhiệt từ vỏ lô tới tờ giấy

Qp cp A cyl .(T m T )p (8)

Trong đó :

- Αcp : hệ số truyền nhiệt từ tâm lớp vỏ lô sấy tới tờ giấy (W/m2.K)

- Tp : nhiệt độ tờ giấy (K)

-  : tỉ lệ tiếp xúc giữa lô sấy và tờ giấy.

2.3.4 Mô hình hóa quá trình

Tổng kết lại từ các phương trình biểu diễn quá trình vật lý của hệ thống :

Hai biến trạng thái là áp suất và nhiệt độ hơi nước

Giả thuyết, hơi nước trong lô là bão hòa và h h  s, w, s, Tslà hàm của áp suất hơi, hệ

s cyl

cyl

dT A

A dp

A

A dp

Từ mô hình trạng thái có thể rút ra hàm truyền của lưu lượng hơi tới áp suất trong

điểm cực  và điểm không – z

Có thể đưa về dạng chuẩn của mô hình- IPZ(mô hình chứa khâu tích phân , 1 điểmcực, 1 điểm không.)

, ,

2.4 Vòng điều khiển áp suất và nước ngưng tụ

2.4.1 Sách lược điều chỉnh trong phân xưởng sấy

Mục đích của hệ điều khiển áp suất hơi và nước ngưng tụ hay điều khiển cân bằngpha trong lô sấy mục đích là để cung cấp công suất nhiệt để làm bay hơi nước trên giấy

để đạt chỉ tiêu chất lượng mong muốn

Các lô sấy trong quá trình được chia thành nhiều nhóm khác nhau, từ 5-10 nhóm.Mỗi nhóm được điều khiển bởi 1 bộ điều khiển độc lập Khi mà hơi nước trong lô sấy làhơi bão hòa thì quá trình tạo ra nước ngưng tụ trên mặt trong của lô là liên tục, và có sựtương quan giữa áp suất và nhiệt độ hơi nước

1 2

1(s)

(1 sT )

sL v

Hình 3.10 Mô hình một nhóm 6 lô sấy, van và bộ điều khiển van.

Điều khiển áp suất đơn giản nhất ở trong các lô sấy là lấy dòng hơi nước ở áp suấtcao cho vào các nhóm lô sấy, đầu ra được đưa tới bộ phận ngưng Việc điều khiẻn này

sẽ điều khiển riêng rẽ áp suất ở các nhóm và hoàn toàn không phụ thuộc lẫn nhau,nhưng đổi lại hiệu suất sử dụng rất thấp

Một phương án khác là sử dụng nói tầng các nhóm sấy với nhau để có thể tối ưuhiệu suất Bằng việc sắp xếp các nhóm lô hợp lý theo thứ tự áp suất làm việc ở cácnhóm từ cao tới thấp Dòng hơi nước áp suất cao sau khi qua nhóm sấy áp suất caođược dẫn tới các nhóm sấy hoạt động áp suất thấp

Hình 3.11 Hệ thống sấy với cấu trúc đơn giản nhất gồm 2 nhóm sấy nối tầng.

Dòng hơi nước thổi qua giữa nhóm A và hơi nước mới hình thành(hơi nước ngưngtrong nhóm lô sấy A đưa tới bể A, tại đây nhiệt độ cao nhưng ấp suất thấp hơn nên lạichuyển pha thành hơi nên gọi là hơi mới hình thành.) tập chung ở bể A được đưa tớinhóm B hoạt động ở áp suất thấp hơn.

Bộ điều khiển PC2 sẽ điều khiển van cung cấp thêm hơi áp suất cao cộng với hơi

từ nhóm A để duy trì một áp suất hơi hợp lý với hoạt động của nó.Vậy thì sẽ dẫn đến 1

sự chênh lệch áp suất giữa nhóm A và nhóm B Chênh lệch áp suất này được điều khiểnthông qua bộ điều khiển PDC Lượng chênh lệch áp suất giữa 2 nhóm A và B phụ thuộcvào điểm làm việc và cấu trúc riêng của từng máy

Từ góc độ điều khiển, việc thêm các thành phần kết nối giữa các nhóm sấy làmcấu trúc điều khiển tầng trở nên phức tạp khi có thêm các thành phần xen kênh Việcđiều khiển riêng rẽ sẽ rất khó khăn Việc sử dụng lại hơi mới hình thành hay có quátrình hồi tiếp giữa các nhóm với nhau có thể dẫn tới hiện tượng phản hồi dương Để vẫnđảm bảo được cấu trúc điều khiển tầng và vẫn điều khiển riêng rẽ các kênh để chúng ítphụ thuộc lẫn nhau, giải pháp đưa ra là dùng 1 máy nén hơi nước áp suất cao Chúngđược dùng để nén hơi nước ban đầu (ở áp suất cao) thành áp suất cao hơn nữa, cộng với

áp suất từ nhóm trước để duy trì áp suất hợp lí cho hoạt động của nhóm lô sấy, vai tròcủa nó hiểu đơn giản là 1 bộ dự trữ áp suất để giảm sự phụ thuộc lẫn nhau giữa cácnhóm lô sấy

Một sơ đồ P&ID cơ bản của một phân xưởng sấy được xây dựng theo cấu trúc nốitầng có sử dụng máy nén hơi.

Hình 3.13 sơ đồ P&ID của 1 hệ thống sấy có cấu trúc nối tầng các nhóm sấy với

nhau.

Trong sơ đồ P&ID này, hệ thống sấy được chia thành 6 nhóm sấy khác nhau

Có nhiều vòng lặp điều khiển nhưng vòng lặp cơ bản và chủ yếu nhất là vòng điềukhiển áp suất Cùng với đó là vòng điều khiển mức trong bình ngưng, điểu khiển ápsuất nguồn hơi từ máy cấp hơi, điều khiển chênh lệch áp suất giữa các nhóm lô sấy…

2.4.2 Thiết kế bộ điều khiển áp suất

Vòng điều chỉnh áp suất là vòng điều chỉnh cơ bản và quan trọng nhất quyết địnhtới chất lượng sấy của hệ thống sấy

Trong phần trước ta đã đi mô hình hóa được hàm truyền từ lưu lượng hơi đầu vàotới áp suất hơi trong lô sấy có dạng hàm truyền IPZ

1 2

1 (s)

(1 sT )

sL v

Bộ điều khiển kinh điển được áp dụng trong công nghiệp, được thêm vào các hệ số

β và γ để người điều khiển dễ chỉnh định hơn trong quá trình bộ điều khiển hoạt động

- Thông thường β = 1

- γ = 0 : loại bỏ ảnh hưởng của vi phân lên tín hiệu chủ ạođạo

Hình 3.14 cấu trúc bộ điều khiển PID điều khiển áp suất.

T s N

2.4.3 Vòng điều khiển độ ẩm

Độ ẩm của tấm giấy được điều khiển bởi áp suất hơi trong hệ thống lô sấy Khi hệquá trình sấy được chia thành các nhóm được điều khiển độc lập, đây là hệ thống multi-input-single-output (MISO) Điều này có nghĩa là quá trình sấy có nhiều đơn vị tự do vềphương diện điều khiển

Theo cách truyền thống, điều này được giải quyết bằng việc đặt tất cả bộ điềukhiển áp suất hơi theo cùng một tín hiệu Bộ điều khiển độ ẩm sẽ điều chỉnh lượng đặt

áp suất hơi của một nhóm lô sấy và các nhóm còn lại phải theo nó, khi này hệ thốngđiểu khiển độ ẩm trở thành singleinput-single-output (SISO) Hình 2.6 chỉ ra, điều nàyđược thực hiện với một máy quét Nhóm sấy 5 (được gọi là lead group) hoạt động ở ápsuất hơi cao nhất và nhận tín hiệu điều khiển từ bộ điều khiển độ ẩm Lượng đặt của cácnhóm khác được tính toán từ giá trị đó, có thể theo hàm tỉ ệ hoặc một hàm toán họckhác

Hình 3.16 Ví dụ về phân phối áp suất hơi của quá trình sấy Độ chênh lệch áp suất

thấp nhất, ∆p, giữa các tầng sấy phụ thuộc vào tốc độ máy, loại đường ống dẫn hơi nước, hơi nước và kích cỡđường ống dẫn nước ngưng tụ.Thông thường ∆p=50kPa

Mục đích của việc này giải quyết được 2 việc Thứ nhất, mối quan hệ hằng giữa ápsuất trong các nhóm lô sấy cung cấp những điều kiện thuận lợi cho hàm của hệ thốngtầng Thứ hai, điều này điều này cũng quan trọng cho cả khả năng di chuyển được vàchất lượng của tờ giấy

Hình 3.17 vòng điều khiển quá trình truyền nhiệt

Vòng điều khiển độ ẩm giấy là vòng điều khiển tầng Vòng bên trong điều khiển

áp suất hơi trong các lô sấy Việc này thường được thực hiện bằng một bộ điều khiển PIhoặc PID Ở vòng ngoài là bộ điều khiển bù trễ được dựa trên mô hình tổng quan, tiêubiểu như là điều khiển mô hình nội IMC [Morari and Zafirous, 1989] Bộ IMC điềukhiển độ ẩm trong tấm giấy, bằng việc đưa ra giá trị đặt tới bộ điều khiển PID ở vòngtrong

Một phân từ áp suất hơi trong lô sấy có một lượng lớn biến ảnh hưởng đến độ ẩmcủa tấm giấy: tốc độ quay của lô sấy, độ dầy của giấy, độ ẩm giấy sau quá trình épkhông đồng đều, điều kiện bao giấy, sự căng tấm giấy,… Một vài trong những nhiễu

đó là điều khiển được như tốc độ quay lô sấy, độ dày của tấm giấy được điều khiểnbằng feedforward Một vài biến khác rất khó đo, chỉ có thể được giảm bởi bộ điều khiểnfeedback