Hệ thống điều khiển tự động hóa nhà máy giấy

Hệ thống điều khiển tự động hóa nhà máy giấy

MỤC LỤC

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 lưu

trữ 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 – Thụy

dựng 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 :

- Bao gói : 344 lớp giấy kraft

CHƯƠNG 2 CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT GIẤY NHÀ MÁY GIẤY BÃI BẰNG

2.1. Tổng quan về quy trình công nghệ

Hình 2.1 Tổng quan công nghệ sản xuất giấy

Bột giấy có thể được sản xuất từ gỗ, tre nứa, sợi, giấy tái sinh…có thể sản xuấtbằng phương pháp cơ học ,phương pháp hóa học và phương pháp bán hóa học

Bột giấy từ gỗ: gỗ được bóc vỏ, rửa, chặt thành từng mảnh trong máy băm, lọcqua máy sàng rồi phân loại mảnh dăm theo kích cỡ đồng đều Dăm gỗ sau đó có thểđược xử lý bằng cách mài, nghiền, nấu (phương pháp cơ học) hoặc bằng hóachất (phương pháp hóa học) tạo thành bột giấy thô (chưa tẩy) Sau đó bột này mới đượcđưa đi tẩy trắng với mức độ tùy theo yêu cầu, rồi pha loãng để đưa qua máy xeo cánthành giấy cuộn

2.2. Quy trình công nghệ sản xuất bột giấy

2.2.1. Sử lý nguyên liệu

Nguyên liệu đầu vào chủ yếu là tre, nứa và gỗ Tre nứa được đưa từ bãi chứa vàobăng chuyền và được rửa sạch trước khi đưa vào máy chặt Tại đây tre nứa được bămthành các mảnh nhỏ có kích thước theo tiêu chuẩn:

Hình 2.2 Bãi nguyên liệu của tổng công ty bãi bằng

Các mảnh được đưa vào hệ thống rửa mảnh và qua băng tải đến sân chứa mảnh.Năng suất của máy chặt tre nứa là 20 tấn/h

Gỗ được đưa đến bộ phận bóc vỏ bằng băng tải xích Gỗ sau khi đã bóc vỏ đượcrửa sạch rồi đi vào máy chặt mảnh Mảnh gỗ sau khi chặt có kích thước theo tiêu chuẩn:

Hình 2.3 Thùng bóc vỏ

Mảnh gỗ được đưa qua sàng chọn và đưa ra sân chứa bằng băng tải Mảnh tre nứa

và gỗ được đưa vào nồi nấu bởi hệ thống thổi mảnh Tùy theo yêu cầu đơn đặt hàng củakhách mà có tỷ lệ tre nứa và gỗ khác nhau

2.2.2. Nấu bột

Bột được sản xuất theo phương pháp sunphat có thu hồi hóa chất Nguyên liệu được nấu trong nồi có hình trụ đứng Thời gian để hoàn thành một chu kỳ nấu là 240 phút kể cả thời gian nạp mảnh.

Bột sau khi nấu xong được chuyển sang bể phóng Từ đây bột được chuyển quamáy đánh tơi và được đưa đến bộ phận rửa

2.2.3. Công đoạn rửa sàng

Sau khi được đánh tơi, bột được đưa tới 4 máy rửa lọc chân không Hệ thống rửa lọc chân không có cấu tạo lô hình trụ, được tạo chân không bởi sự chênh lệch áp suất Bên trong lô có hệ thống các đường ống dẫn nước Trên bề mặt lô được chia làm nhiều ngăn và có các ống dùng để dẫn dịch Trong các ngăn có các tấm sàng và các lỗ mắt sàng Quy trình hoạt động của hệ thống rửa như sau: Lô rửa được quay tròn đều Trong quá trình quay, nước dùng để rửa bột sẽ theo các ống dẫn được đưa vào trong lô Do trên bề mặt của lô có các lỗ nên sẽ tạo ra sự chênh lệch áp suất ở bên trong lô và bên ngoài lô Do đó tạo ra chân không ở bên trong lô Do sự chênh lệch về áp suất nên bột

sẽ bám dần trên bề mặt của lô Sau đó, bột sẽ được dùng nước để rửa Sau khi rửa, bột

sẽ rơi xuống hệ thống xoắn vít tải Từ đây, bột sẽ tới các bể chứa và từ các bể chứa này,bột được đưa lên hệ thống rửa tiếp theo

Nước sau khi rửa ở máy 1 có hàm lượng dịch đen lớn nên nước sẽ được đưa đến

hệ thống trưng bốc

Bột đen sau khi đã rửa sạch được đưa qua hệ thống sàng gồm 2 sàng áp lực, 1 sàngthu và 3 giai đoạn lọc cát Trong quá trình này, các mấu mắt tre nứa hoặc bột sống sẽ được loại khỏi bột chín, dẫn xuống sàng cô đặc và xuống vít tải thải ra ngoài Bột chín được đưa tới các bể chứa và chuẩn bị cho công đoạn tẩy trắng

2.2.4. Công đoạn tẩy trắng bột

Bột từ công đoạn sàng được đưa vào bể chứa Từ bể chứa, bột đen được đưa vào tẩy trắng Công đoạn tẩy trắng gồm 4 giai đoạn

Clorarlignin ra khỏi bột Sau khi kiềm hóa, bột được tẩy tiếp bởi NaClO để đạt độ trắngtheo yêu cầu khoảng 74 - 78 %

Để bột có độ trắng đồng đều theo yêu cầu phải thực hiện quy trình tẩy trắng

nghiêm túc, duy trì thích hợp các yếu tố nồng độ bột, mức tỷ lệ hóa chất tẩy, nhiêt độ, thời gian và độ pH Bột sau khi tẩy trắng được đưa vào bể chứa để chuẩn bị cho quá trình nghiền

2.2.5. Công đoạn nghiền bột

Bột giấy được đưa qua hệ thống nghiền côn để tăng diện tích tiếp xúc, tăng khả năng liên kết giữa các thớ sợi với nhau, tạo điều kiện thuận lợi cho khả năng hình thành

tờ giấy

Sau khi nghiền, bột được pha trộn với các phụ gia: Cao lanh, nhựa thông, phèn và một số hóa chất khác tùy theo yêu cầu của sản phẩm Bột đã pha trộn phụ gia trong bể chứa sau đó được đưa qua hệ thống phụ trợ: Sàng áp lực, lọc cát và các thành phần khác

có ảnh hưởng đến tờ giấy rồi được đưa tới hòm phun bột, bắt đầu quá trình sản xuất giấy

2.3. Quy trình sản xuất giấy

Hình 2.4 Quá trình sản xuất giấy trong phân xưởng xeo

2.3.1. Hòm phun bột

Nhiệm vụ của hòm phun bột là phân phối một lưu lượng bột đồng đều trên lướivới tốc độ không đổi trên toàn bộ bề ngang của lưới và giữ cho dòng bột không bị xáotrộn để chống chảy xoáy làm phá vỡ sự vón cục của dòng bột đã hình thành Ở đây, bột

đã hình thành tờ giấy ướt có độ khô 18 - 20%

2.3.2. Bộ phận lưới

Đối với máy xeo 1 thì việc hình thành tờ giấy được thực hiện giữa hai bề mặt củalưới đôi Lưới trong rộng 4350 mm, dài 22000 mm Lưới ngoài rộng 4350 mm, dài

18000 mm Ưu điểm của lưới đôi là hạn chế được bề mặt tự do của dòng chảy trên lưới

và có khả năng điều khiển tốt hơn Trên bộ phận hình thành, nước thoát ra cả hai phíachiều dài tạo hình và giấy có bề mặt đồng nhất Lưới đôi sử dụng nguyên tắc tạo tờ giấygiữa một trục hút mở ( gọi là trục tạo hình) Một phần tờ giấy ướt được lưới trong vàlưới ngoài bao lại nên có độ căng lớn, thuận lợi về thời gian tách nước và độ thấm

Ở máy xeo 2 là máy xeo dài, bộ phận hình thành là lưới băng chạy trên các lô đỡ,tấm gạt nước, foil và tấm hình thành Trên lưới, bột được phân phối từ hòm phun bột

Hình 2.5 Lưới dài và lưới đỉnh

Bộ phận ép có số lượng cặp ép và cấu trúc khác nhau.Một cặp ép bao gồm giá đỡ

và 2 hoặc 3 lô Lô dưới thường được lắp trên 1 ổ đỡ cố định và là lô dẫn động.Sự épxảy ra ở khoảng giữa lô trong khe ép và tờ giấy được chăn dẫn qua khe ép

Tờ giấy ướt được chuyển trực tiếp từ lưới tới trục ép hút chân không được bọcchăn của tổ ép 1 Chức năng quan trọng của lưới ép là chống tạo vết trên tờ giấy Từ tổ

ép 1, tờ giấy được chuyển tới bộ phận ép lưới ở tổ ép 2 Tổ ép 2 gồm một lưới nhựagiữa chăn ép và trục ép phía dưới nhằm giảm áp suất thủy tĩnh trong tuyến ép Từ chăn

ép 2, tờ giấy được chuyển tới tổ ép nhẵn 3 qua một khoảng kéo hở Tổ ép này không cóchăn nên không có nhiệm vụ tách nước mà chỉ làm cho tờ giấy nhẵn và phẳng hơn

Hình 2.6 Bộ phận ép ướt

2.3.4. Bộ phận sấy

bộ phận sấy lượng nước còn lại sẽ được tách ra bằng cách bốc hơi

Hình 2.7 Cấu hình lô sấy

Sấy là quá trình sử dụng nhiệt năng của hơi nước bão hòa trong lòng lô sấy để làmbay hơi một phần nước có trong tờ giấy Các biện pháp sấy được sử dụng là:

- Sấy trực tiếp: Tờ giấy tiếp xúc với lô sấy

- Sấy đối lưu: nhiệt năng được của không khí xung quanh lô sấy

- Sấy tự do: Sấy trong khoảng không có sức căng hoặcgiữa các lô sấy

Ở giai đoạn này tờ giấy được sấy khô tới 94% Sau đó, tờ giấy được đưa qua bộphận ép keo Chức năng của khâu ép keo là phủ lớp keo lên bề mặt giấy, tăng đô bóng,

độ dai, bịt các lỗ trên bề mặt tờ giấy Sau khâu ép keo, tờ giấy đi tới hệ thống sấy sau

Hình 2.8 Bộ phận ép keo

Giấy đã được sấy khô được làm nguội trên 2 lô làm lạnh Sau các lô ép tờ giấyđược căng ra trong suốt quá trình nó được gia nhiệt ở cả hai quá trình sấy trước và sấysau (ép keo) Điều đó thường gây ra sự cố của tờ giấy Để khắc phục những sự cố vànhững biến đổi của tờ giấy, các lô được bố trí thành các nhóm dẫn động khác nhau Tất

cả các lô trong cùng một nhóm có cùng một tốc độ Sự chênh lệch về tốc độ giữa cácnhóm dẫn động sẽ được hiệu chỉnh theo độ căng và sự cố của tờ giấy

2.3.5. Bộ phận ép quang

Bộ phận ép quang gồm hai lô quay tiếp xúc với nhau Máy ép quang sẽ đảm bảo

độ đồng đều, độ nhẵn bóng bề mặt làm tăng độ bền kéo, độ chịu bục và thấm khí của tờgiấy

Hình 2.9 Bộ phận ép quang

2.3.6. Bộ phận cắt cuộn lại

Tờ giấy hình thành sau ép quang thì được cuộn lại vào lô cuốn kim loại có đường kính 1800 mm Các cuộn giấy được chuyển sang bộ phận máy cuộn lại và cắt thành những cuộn giấy thành phẩm có khổ to, nhỏ tùy theo đơn đặt hàng và được cuộn vào theo các lõi bằng giấy

Hình 2.10 Máy cắt cuộn lại

Từ các cuộn giấy lớn, giấy được chuyển sang phân xưởng hoàn thành để gia công thành các sản phẩm theo đặt hàng: Giấy khổ A3, giấy RAM A4, vở học sinh… Hiện tại,phân xưởng hoàn thành có 1 máy đóng giấy cuộn các cỡ, 2 máy A3, 2 máy xén và đónggiấy A4 cao cấp, được tự động hóa hoàn toàn và sản phẩm làm ra có chất lượng cao Máy đóng vở học sinh hiện tại không còn được sử dụng do vấn đề vệ sinh môi trường

và hiệu quả không cao

CHƯƠNG 3 HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN SẤY GIẤY TRONG PHÂN XƯỞNG

XEO GIẤY

3.1. Hệ điều khiển truyền động lô sấy

3.1.1. Cấu trúc của hệ thống sấy

Bạt dẫn giấy

Hình 3.1 Mô hình hệ thống sấy hai bạt dẫn

cáp, và có độ ẩm theo yêu cầu công nghệ:

sấy lên tờ giấy được nâng cao

nhiệt theo cách giống nhau

3.1.2. Truyền động của nhóm sấy

sấy phải là như nhau

Giấy

Master Speed Follower Torque + Windown control

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

3.2. Cấu tạo lô sấy và nguyên

3.2.1. 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

3.2.2. Nguyên lý hoạt động

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:

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:

3.3. Mô tả toán học của lô sấy

3.3.1. 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

3.3.2. 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

dt

ρρ

= −

= −

Trong đó :

- 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

dt

ρρ

= −

Trong đó :

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)

3.3.3. Quá trình truyền nhiệt

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

Qm =αsc 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)

- Tm : nhiệt độ ở giữa của lô sấy (K)

b. Công suất nhiệt từ vỏ lô tới tờ giấy

: tỉ lệ tiếp xúc giữa lô sấy và tờ giấy

3.3.4. Mô hình hóa quá trình

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

w w ,0

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

s cyl

cyl

dT A

A dp

A

A dp

1 (s)

(1 sT )

sL v

3.4. Vòng điều khiển áp suất và nước ngưng tụ

3.4.1. 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

là hơi bão hòa thì quá trình tạo ra nước ngưng tụ trên mặt trong của lô là liên tục, và có

sự tương quan giữa áp suất và nhiệt độ hơi nước

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