Luận án nghiên cứu nâng cao chất lượng điều khiển phản hồi đầu ra cho qua trình đa biến buồng sấy giấy

MỞ ĐẦU Tính cấp thiết luận án Độ ẩm giấy tiêu quan trọng chất lượng giấy, đảm bảo độ ẩm giấy hệ thống sấy đảm nhận Để đảm bảo độ ẩm giấy sau xeo, người ta điều khiển hai thông số: Công suất nhiệt bão hòa cấp cho lô để cấp nhiệt cho giấy (gọi sấy tiếp xúc); Công suất nhiệt gió nóng phụ thêm cấp cho buồng sấy (gọi sấy đối lưu) Tuy nhiên nước chứa giấy bay không khí buồng, nhu cầu cấp nhiệt (như nêu) bị ảnh hưởng lớn thông số môi trường buồng sấy Ví dụ, giá trị công suất cấp nhiệt sấy tiếp xúc sấy đối lưu, giấy bị khô dễ bị cháy bị ướt (hiện tượng mưa buồng sấy) Đặc trưng cho thông số môi trường buồng sấy nhiệt độ điểm sương (đảm bảo tốc độ bay nước khả ngưng tụ) phân bố áp suất không khí buồng sấy cân gió vào (Zero Level) Như đối tượng buồng sấy hệ nhiều biến, có biến cần điều khiển độ ẩm, có hai biến tác động (hơi gió nóng) Ngoài có hai biến phụ cần điều khiển định tới khả bay nước giấy nhiệt độ điểm sương điểm áp suất không (Zero level) Vì vậy, điều khiển buồng sấy cần có bốn mạch vòng: Điều khiển độ ẩm, điều khiển nhiệt độ điểm sương, điều khiển điểm áp suất không (Zero Level) điều khiển gia nhiệt gió nóng (Hình 1.4) Các mạch vòng tác động xen kênh (trừ mạch vòng gia nhiệt gió nóng ảnh hưởng) Hệ điều khiển buồng sấy hệ đa biến tác động xen kênh, nhiên thực tế công nghiệp người ta thiết kế hệ điều khiển nhiều mạch vòng đơn biến, dẫn đến khó đảm bảo chất lượng hao phí lượng lượng cao Các công trình nghiên cứu, ứng dụng trước tập trung nghiên cứu trình sấy trực tiếp (sấy tiếp súc) dụng nhiệt bão hòa cấp cho lô, truyền nhiệt từ lô sấy sang mặt băng giấy tiếp xúc với [1],[2],[3],[15],[16],[18],[23],[24], [25],[30],[31], [34],[35] lô, điển hình Trong năm gần người ta dùng sấy đối lưu gió theo công nghệ mới, có hệ điều khiển gió nóng kết hợp với điều khiển môi trường sấy tăng hiệu sấy, tiết kiệm đến 40% lượng bão hòa tăng tốc độ xeo lên 1,2 lần [2],[3] Nghiên cứu sấy gió triển khai, công trình nghiên cứu điều khiển chưa nhiều, chủ yếu sử dụng cấu trúc đơn biến, hệ đa biến tác động xen kênh Việc chỉnh định hệ điều khiển thực nghiệm nên thay đổi thông số vận hành có nhiễu tác động, hệ hoạt động không xác gây khó khăn cho vận hành ảnh hưởng đến chất lượng giấy [3] Từ lý trên, nên nội dung luận án NCS tập trung nghiên cứu điều khiển buồng sấy gió Nghiên cứu động học điều khiển buồng sấy dùng gió để có hiểu biết điều khiển trình sấy Giúp cho việc thiết kế hệ thống sấy lựa chọn thiết bị chấp hành, thiết bị đo thiết kế điều khiển Định hướng cho việc chỉnh định hệ điều khiển Mục tiêu nghiên cứu luận án Nghiên cứu xây dựng động học điều khiển đa biến cho buồng sấy giấy để nâng cao chất lượng điều khiển Đối tượng, phạm vi phương pháp nghiên cứu * Đối tượng nghiên cứu: Hệ điều khiển buồng sấy dây chuyền xeo giấy * Phạm vi nghiên cứu: Động học thiết kế điều khiển phản hồi đầu cho hệ điều khiển đa biến buồng sấy giấy * Phương pháp nghiên cứu: - Khảo sát thực tế buồng sấy giấy Công ty giấy Bãi - Nghiên cứu tài liệu liên quan đến công nghệ sấy giấy - Nghiên cứu công trình công bố tới sấy giấy - Xây dựng động học điều khiển cho hệ sấy giấy - Ứng dụng điều khiển MPC với thuật điều khiển tối ưu hóa đoạn cho buồng sấy giấy - Mô hình hóa mô đánh giá chất lượng hệ điều khiển Ý nghĩa khoa học thực tiễn 4.1.Ý nghĩa khoa học: Luận án xây dựng động học điều khiển đa biến cho buồng sấy giấy sấy ứng dụng điều khiển dự báo theo thuật toán đề xuất tối ưu hóa đoạn cho hệ sấy giấy 4.2 Ý nghĩa thực tiễn: - Phân tích yêu cầu điều khiển hệ sấy buồng sấy, giúp người vận hành hiểu rõ tác dụng đại lượng điều khiển đại lượng nhiễu tính xen kênh ảnh hưởng tới chất lượng sấy, từ chỉnh định tham số điều khiển để hệ ổn định đảm bảo chất lượng - Thiết kế điều khiển đa biến MPC định hướng cho việc ứng dụng cho hệ sấy giấy nhằm nâng cao chất lượng điều khiển Bố cục luận án Ngoài phần mở đầu kết luận, nội dung luận án trình bày bốn chương: Chương 1: Trình bày tổng quan hệ sấy giấy dây chuyền xeo giấy Nội dung chương trình bày tóm tắt công nghệ sản xuất giấy, dây chuyền xeo giấy; Hệ điều khiển sấy dùng hơi; Các công trình nghiên cứu sấy gió đối lưu vấn đề nghiên cứu luận án Chương 2: Nghiên cứu động học điều khiển mạch vòng sấy giấy: Điều khiển độ ẩm, điều khiển cân gió vào-ra điều khiển nhiệt độ điểm sương Chương 3: Nghiên cứu điều khiển đa biến cho hệ sấy giấy Thiết kế điều khiển đa biến với ba đầu vào ba đầu Thiết kế điều khiển đa biến với hai biến đầu vào, hai biến đầu hai nhiễu Chương 4: Thiết kế điều khiển dự báo cho hệ sấy giấy Chương ĐỘ ẨM CỦA GIẤY VÀ CÔNG NGHỆ SẤY TRONG DÂY CHUYỀN XEO 1.1 Tóm tắt công nghệ sản xuất giấy Trên Hình 1.1 trình bày tóm tắt công đoạn công nghệ sản xuất giấy [1],[2],[10],[11],[12] Xử lý nguyên liệu Nấu bột Rửa, sàng Tẩy trắng Sấy Ép ướt Phun bột Nghiền Ép quang Cuốn Cắt cuộn Giấy thành phẩm Hình 1.1 Sơ đồ công đoạn sản xuất giấy 1.1.1 Công đoạn xử lý nguyên liệu Hình 1.2 Bãi nguyên liệu Nguyên liệu đầu vào chủ yếu tre, nứa gỗ Tre nứa đưa từ bãi chứa vào băng chuyền rửa trước đưa vào máy chặt Tại tre nứa băm thành mảnh nhỏ có kích thước theo tiêu chuẩn Các mảnh đưa vào hệ thống rửa qua băng tải đến sân chứa mảnh Gỗ đưa đến phận bóc vỏ băng tải xích Gỗ sau bóc vỏ rửa vào máy chặt mảnh Mảnh gỗ sau chặt có kích thước theo tiêu chuẩn Mảnh gỗ đưa qua sàng chọn đưa sân chứa băng tải Mảnh tre nứa gỗ đưa vào nồi nấu hệ thống thổi mảnh Tùy theo yêu cầu đơn đặt hàng khách mà có tỷ lệ tre nứa gỗ khác 1.1.2 Công đoạn nấu bột Bột sản xuất theo phương pháp sunphat có thu hồi hóa chất Nguyên liệu nấu nồi có hình trụ đứng Thời gian để hoàn thành chu kỳ nấu khoảng 240 phút kể thời gian nạp mảnh Bột sau nấu xong chuyển sang bể phóng Từ bột chuyển qua máy đánh tơi đưa đến phận rửa Năng suất nấu bột khoảng 150 tấn/ngày 1.1.3 Công đoạn rửa sàng Sau đánh tơi, bột đưa tới máy rửa lọc chân không Hệ thống rửa lọc chân cấu tạo lô hình trụ, tạo chân không chênh lệch áp suất Bên lô có hệ thống đường ống dẫn nước Trên bề mặt lô chia làm nhiều ngăn có ống dùng để dẫn dịch Quy trình hoạt động hệ thống rửa sau: Lô rửa quay tròn Trong trình quay, nước dùng để rửa bột theo ống dẫn đưa vào lô Do bề mặt lô có lỗ nên tạo chênh lệch áp suất bên lô bên lô Do đó, tạo chân không bên lô Nhờ chênh lệch áp suất nên bột bám dần bề mặt lô Sau đó, dùng nước để rửa Sau rửa bột, bột rơi xuống hệ thống xoắn vít tải Từ đây, bột tới bể chứa từ bể chứa này, bột đưa lên hệ thống rửa Hệ thống bao gồm máy rửa bột đưa từ máy thứ đến máy thứ Quá trình rửa máy diễn Trong trình rửa, nước dùng để rửa dẫn từ máy rửa thứ quay trở lại máy thứ 3, nước Bột đen sau rửa đưa qua hệ thống sàng gồm sàng áp lực, sàng thu giai đoạn lọc cát Trong trình này, mấu mắt tre, nứa bột sống loại khỏi bột chín, dẫn xuống sàng cô đặc xuống vít tải thải Bột chín đưa tới bể chứa chuẩn bị cho công đoạn tẩy trắng Sau đánh tơi, bột đưa tới máy rửa lọc chân không Hệ thống rửa lọc chân cấu tạo lô hình trụ, tạo chân không chênh lệch áp suất Lô có đường kính d = 3,5m có chiều dài 4,5m Bên lô có hệ thống đường ống dẫn nước Trên bề mặt lô chia làm nhiều ngăn có ống dùng để dẫn dịch Trong ngăn có sàng lỗ mắt sàng 1.1.4 Công đoạn tẩy trắng bột Bột Clo hóa Cl2 Sau đó, bột kiềm hóa để loại bỏ hợp chất màu Clorarlignin khỏi bột Sau kiềm hóa, bột tẩy tiếp Nacl để đạt độ trắng theo yêu cầu khoảng 74 - 78% Để bột có độ trắng đồng theo yêu cầu phải thực quy trình tẩy trắng phức tạp, trì thích hợp yếu tố nồng độ bột, mức tỉ lệ hóa chất tẩy, nhiệt độ, thời gian độ pH Bột sau tẩy trắng đưa vào bể chứa để chuẩn bị cho trình nghiền bột Sau nghiền, bột pha trộn với phụ gia như: cao lanh, nhựa thông, phèn số hóa chất khác tùy theo yêu cầu sản phẩm Bột pha trộn phụ gia bể chứa sau đưa qua hệ thống phụ trợ đưa tới hòm phun bột bắt đầu trình sản xuất giấy 1.1.5 Xeo giấy Xeo giấy tạo giấy từ bột, qua công đoạn Hình 1.3 Trước vào máy xeo, bột giấy đưa qua hệ thống nghiền côn để tăng diện tích tiếp xúc, tăng khả liên kết sớ sợi với Sau nghiền, bột pha trộn với phụ gia khác tùy theo yêu cầu sản phẩm Bột pha trộn phụ gia bể chứa sau đưa qua hệ thống phụ trợ: Sàng áp lực, lọc cát thành phần khác có ảnh hưởng đến tờ giấy đưa tới hòm phun bột, bắt đầu trình sản xuất giấy Hình 1.3 Sơ đồ sản xuất giấy 1.1.5.1 Hòm phun bột Nhiệm vụ hòm phun bột phân phối lưu lượng dung dịch có chứa bột giấy (nồng độ khoảng 1%), (Hình 1.4) đồng lưới với tốc độ xeo toàn bề ngang lưới giữ cho dòng bột không bị xáo trộn để chống chảy xoáy làm phá vỡ vón cục dòng bột hình thành Hình 1.4 Cấu tạo hòm phun bột 1.1.5.2 Bộ phận lưới Lưới có nhiệm vụ nhận bột từ hòm phun, hình thành lớp giấy mặt lưới, nhờ bơm hút chân không nước thoát Giấy hình thành bắt sang khâu ép 1.1.6 Bộ phận ép Nhiệm vụ phận ép tách nước khỏi giấy, tăng độ bền độ nhẵn băng giấy; đồng thời phận ép có nhiệm vụ dẫn băng giấy đến phận sấy Băng giấy ướt chuyển trực tiếp từ lưới tới trục ép hút chân không bọc chăn tổ ép Chức quan trọng lưới ép chống tạo vết băng giấy Từ tổ ép 1, băng giấy chuyển tới phận ép lưới tổ ép Tổ ép gồm lưới nhựa chăn ép trục ép phía nhằm giảm áp suất thủy tĩnh tuyến ép Từ chăn ép 2, băng giấy chuyển tới tổ ép qua khoảng kéo hở Tổ ép chăn nên nhiệm vụ tách nước mà làm cho băng giấy nhẵn phẳng 1.1.7 Bộ phận sấy ép nóng Khi băng giấy rời phận ép ướt có độ ẩm khoảng 50% nhiệt độ từ 25-300C Trong phận sấy lượng nước lại tách phương pháp bay Sấy trình sử dụng nhiệt nước bão hòa lòng lô sấy để cấp nhiệt cho giấy kết hợp với gió nóng thổi vào buồng sấy làm bay nước có băng giấy Sau trình sấy trước, băng giấy đưa qua phận ép keo Chức khâu ép keo phủ lớp keo lên bề mặt giấy, tăng độ bóng, độ dai, bịt lỗ bề mặt băng giấy Sau khâu ép keo, băng giấy tới hệ thống sấy sau 1.1.8 Bộ phận ép quang Bộ phận ép quang gồm hai lô quay tiếp xúc với Máy ép quang đảm bảo độ đồng đều, độ nhẵn bóng bề mặt làm tăng độ bền kéo, độ chịu bục thấm khí tờ giấy Hình 1.5 Bộ phận ép quang 1.1.9 Bộ phận cắt cuộn Hình 1.6 Khổ giấy trục thép Băng giấy hình thành sau ép quang cuộn lại vào lô kim loại Hình 1.6 Các cuộn giấy chuyển sang phận máy cuộn cắt thành cuộn giấy thành phẩm có khổ khác tùy theo đơn đặt hàng 1.1.10 Giấy thành phẩm Từ cuộn giấy lớn, giấy chuyển sang phân xưởng hoàn thành để gia công thành sản phẩm theo đặt hàng: Giấy khổ A3, giấy RAM A4, học sinh… 1.1.11 Các tiêu chất lượng giấy thành phẩm Bảng 1-1 Các tiêu chất lượng giấy thành phẩm Tên tiêu STT Định Định lượng Thứ nguyên Mức tiêu Phương pháp thử g/m2 52; 55; 58; 60; 70; 80 TCVN1270 lượng chuẩn Sai số cho phép g/m2 58[...]... chia ra các nhóm lô sấy để cấp hơi Khi thiết kế, theo cân bằng năng lượng người ta tính toán được công suất nhiệt sấy cần cấp cho lô: (1.1) Q = Ws Cps Ts Trong đó: Q (kW): công suất nhiệt cấp cho lô, Ws (kg/s): lưu lượng hơi, cấp cho lô, 13 Cps (kJ/kg.K): nhiệt dung riêng của hơi, cấp cho lô, Ts (K): nhiệt độ hơi cấp cho lô Công suất nhiệt sấy được điều chỉnh bởi thông số lưu lượng hơi, thông qua điều... giảm nhanh 2.1.2 Động học quá trình sấy cho một lô Để xây dựng động học quá trình sấy cho một lô sấy, ta dựa trên phương trình động học tổng quát cho băng giấy chạy qua một lô, với cơ chế sấy 4 giai đoạn cho một lô mục (2.1.1) Ta sẽ đi xây dựng động học quá trình sấy cho từng đoạn và kết hợp ta được động học cho quá trình sây một lô 2.1.2.1 Phương trình động học cho đoạn (2) Đặc điểm giấy được truyền... bằng gió vào – ra và nhiệt độ điểm sương) kết hợp với mạch vòng điều khiển độ ẩm ta có hệ điều khiển sấy gồm bốn mạch vòng chính Mạch vòng điều khiển gió nóng tương đối độc lập, vì vậy giả thiết gió nóng cấp cho buồng sấy là ổn định Nội dung chương này sẽ tập trung nghiên cứu động học cho từng mạch vòng điều khiển: Độ ẩm, cân bằng gió vào - ra và nhiệt độ điểm sương; Nghiên cứu điều khiển cho 3 mạch vòng... gần đây do giá năng lượng tăng cao các hãng đã quan tâm thiết kế hệ điều khiển sấy đối lưu với mục đích tiết kiệm năng lượng (Điển hình hãng FORBES MARSHALL đã lắp đặt đây chuyền sấy cho Giấy Bãi bằng 2013) có các tài liệu kỹ thuật vận hành Hệ điều khiển gió cho buồng sấy được thiết kế là hệ điều khiển phản hồi PID nhiều mạch vòng độc lập 1.6 Vấn đề cần nghiên cứu của luận án Hệ điều khiển sấy gió đã... 2 Hình 2.1 Quá trình sấy cho một lô Quá trình sấy cho một lô gồm 4 giai đoạn như Hình 2.1: Giai đoạn (2): Giấy được truyền nhiệt từ mặt lô, nhưng lại được chăn (felt) bao, nước trong giấy không có mặt thoáng nên gần như không bay hơi Giai đoạn này là giai đoạn giấy được gia nhiệt đến nhiệt độ cao từ mặt lô (nhiệt năng của hơi cấp cho lô), nhiệt độ của giấy lúc này sẽ tăng cao nhất vì chăn có tác dụng... khiển sấy gió đã được áp dụng trong sản xuất, tuy nhiên chưa có nghiên cứu đầy đủ về động học quá trình gió trong buồng sấy Hệ điều khiển sấy gió đang sử dụng thiết kế phản hồi PID đơn biến riêng cho từng mạch vòng độc lập, chưa xét tính xen kênh Vì vậy hệ điều khiển khó chỉnh định và chất lượng chưa đảm bảo Từ lý do đó, luận án đặt vấn đề nghiên cứu các vấn đề sau: 1/ Xây dựng động học quá trình sấy... lưu) 1.5 Các công trình nghiên cứu về hệ điều khiển sấy giấy 1.5.1 Các công trình liên quan tới công nghệ sấy giấy Hệ điều khiển sấy giấy được thiết kế dựa trên nền tảng công nghệ và thiết bị công nghệ sấy giấy Có rất nhiều công trình đã nghiên cứu về công nghệ sấy giấy, được tập hợp trong tài liệu sổ tay tra cứu và các tài liệu kỹ thuật [1],[2],[3],[10],[11],[12],[13], trong đó đã nghiên cứu quá trình... lượng ẩm chuyển qua chăn một phần là nước phần còn lại là hơi bởi vì sự chênh lệch 12 áp suất hơi giữa lưới và giấy Lưới sấy có nhiệt độ thấp hơn tờ giấy vì vậy nhiệt ngưng tụ của hơi sấy tăng lên, làm nhiệt độ lưới tăng lên và một lượng hơi sẽ phân tán trực tiếp qua lưới Lưới sấy được ép sát vào lô sấy nhờ lô căng Trong quá trình sấy, một phần nước được chuyển qua lưới, một phần thoát ra ở khoảng cách... thì khi hệ thống làm việc ổn định, có thể nâng độ ẩm của tờ giấy lên tới giá trị mong muốn Việc này mang lại hiệu quả kinh tế rất lớn thể hiện qua hai khía cạnh: Thứ nhất trong trường hợp sản phẩm được bán theo khối lượng, việc tăng độ ẩm đồng nghĩa với việc nhà máy bán được nhiều sản phẩm hơn Thứ hai là việc tăng độ ẩm sẽ tiết kiệm được năng lượng hơi cung cấp cho quá trình sấy giấy 1.2.3 Cấu hình khâu... giấy có hai trường hợp xảy ra: Nếu nhiệt độ điểm sương lên cao sát với nhiệt buồng sẽ làm cho hơi nước trong giấy khó bay hơi và khi bay hơi vào không khí nó lại bị ngưng tụ thấm vào giấy (thậm chí tạo ra mưa trong buồng) Ngược lại, khi nhiệt độ điểm sương xuống quá thấp so với nhiệt độ không khí trong buồng dẫn đến nước trong giấy bay hơi gần hết dẫn đến giấy quá khô và gây ra cháy trong buồng sấy Trong