1.6.2.5. Датчики и регулирующая арматура современных систем автоматизации варочных котлов

Современные компьютерные технологии автома­тизации производственных процессов предъявля­ют к информационно-измерительным каналам тре­бования преобразования измерительных сигналов от датчиков в электрические, среди которых в на­стоящее время получили наибольшее распростра­нение стандартные токовые сигналы от 4 до 20 мА. Однако в ЦБП до недавнего времени в основном использовались пневматические приборы и регу­ляторы. Объясняется это простотой и относитель­но большей надежностью пневматических приво­дов регулирующих клапанов по сравнению с элек­трическими исполнительными механизмами, тре­бующими специальных мер защиты от воды, щелоков, массы, повышенной температуры, пожа-ро- и взрывобезопасности. Поэтому для подключе­ния к управляющим вычислительным комплексам АСУТП первых поколений приходилось устанав­ливать промежуточные преобразователи входных пневматических сигналов от датчиков в электри­ческие, а для выдачи управляющих воздействий — обратные электропневмопреобразователи, что де­лало громоздкой схему управления и снижало точ­ность и надежность обработки информации. В со­временных АСУТП все измерительные входы от датчиков параметров процесса и выходы с програм­мируемых регулирующих контроллеров на регули­рующие клапаны имеют обычно стандартный элек­трический сигнал 4...20 мА.

В схемах контроля и управления процессом не­прерывной варки целлюлозы самыми распростра­ненными параметрами являются общепромышлен­ные — температура, давление, расход, уровень. В качестве датчиков температуры применяются вы-сокоомные платиновые термометры сопротивления, в качестве датчиков давления и перепада давле­ния — датчики типа «Сапфир». Для измерения рас­ходов воды и пара используются расходомеры пе­ременного перепада — диафрагмы, а для потоков массы, белого, черного и промывного щелоков — электромагнитные расходомеры. Для измерения уровня массы и щелоков в технологических емкос­тях традиционно применяются пьезометрические уровнемеры, датчики перепада давления, завися­щего от высоты столба жидкости или массы, а также емкостные датчики уровня.

Управление варочными котлами непрерывного действия требует наличия специфических датчи­ков. К специфическим измерениям процесса непре­рывной варки относятся измерение расхода а. с. древесины на варку, измерение концентрации ак­тивной щелочи в белом щелоке, измерение уровня щепы в варочном котле и пропиточной колонне, измерение концентрации эффективной щелочи после стадии пропитки щепы в зонах нагрева котла, из­мерение распределения температуры и концентра­ции щелочи внутри котла, измерение концентра­ции массы в линиях выдувки котла, измерение конечной степени делигнификации целлюлозы и остаточной щелочности промытой массы. Несмот­ря на значительные успехи в создании датчиков и измерительных комплексов специфических пара­метров процесса непрерывной варки, проблемы по­вышения точности и надежности информации для управления варочными котлами решены не полно­стью.

В установках непрерывной варки применяется объемное дозирование щепы. Подача щепы регу­лируется скоростью вращения дозаторов щепы кар­манного типа. Скорость дозаторов задается исходя из требуемой производительности, выхода целлю­лозы, объема и степени заполнения карманов до­заторов. В настоящее время все еще отсутствуют надежные промышленные приборы для измерения весового расхода и влажности щепы, подаваемой на варку. Поэтому расход а. с. древесины рассчи­тывается по объемной плотности щепы, определя­емой по результатам крайне редко проводимой ка­либровки дозаторов щепы. Нестабильность соста­ва и качества щепы приводит к большой ошибке дозировки расхода а. с. древесины, что, в конеч­ном итоге, сказывается на изменении всех важ­нейших переменных технологического режима вар­ки, а следовательно, и на степени делигнифика­ции целлюлозы. Для снижения погрешности дози­ровки а. с. древесины желательно проводить автоматическую калибровку дозаторов щепы. Из выпускаемых средств автоматизации для этой цели наиболее подходящим является измерительный комплекс влажности и объемной плотности щепы фирмы «BTG» — анализатор щепы СМ-4. Он со­стоит из заборного ящика, внутри которого поме­щены пластины-электроды, образующие электри­ческий конденсатор. Ящик периодически заполня­ется порциями щепы с транспортера с помощью небольшого ленточного пробоотборника. Под ящи­ком установлены тензодатчики для его взвешива­ния. Известный объем щепы автоматически взве­шивается, измеряются электрическая емкость (ди­электрическая проницаемость щепы между плас­тинами конденсатора, зависящая от влажности щепы) и температура щепы. По этой информации с помощью микропроцессора вычисляются влаж­ность и объемная плотность щепы. По объемной плотности корректируется калибровка дозаторов щепы — количество а. с. древесины, проходящее через дозатор за один оборот.

В последние годы для измерения объемного рас­хода щепы на транспортерах подачи в бункеры ва­рочных котлов стали применяться оптические ла­зерные датчики — «фотосканы».

Следующая, до конца не решенная, проблема контроля сульфатной варки — измерение концен­трации активных реагентов белого щелока с помо­щью автоматических анализаторов его состава (кон­центрации активной и эффективной щелочи, суль-фидности, общей титруемой щелочи). До сих пор, за редким исключением, контроль состава белого щелока осуществляется посредством лабораторных периодических анализов. Поскольку в условиях производства состав регенерируемого белого щело­ка весьма нестабилен, то редкие лабораторные ана­лизы концентрации активной щелочи белого ще­лока не дают возможности строго поддерживать задаваемый расход щелочи на варку. Опытные об­разцы анализаторов состава белого щелока с ком­пьютерным приводом и автоматическим титрова­нием проб белого щелока были разработаны в на­шей стране и прошли промышленные испытания на ОАО «Котласский ЦБК». Однако широкого ис­пользования они не получили, так как требовали регулярного наполнения дистиллированной водой, титрантами, постоянного обслуживания весьма ненадежной промышленной электроники, клапа­нов-дозаторов жидкости. В настоящее время фир­мой «Honeywell-Measurex» поставляется анализа­тор состава белого щелока, измеряющий одновре­менно концентрацию NaOH, Na₂S, активную, эф­фективную и общую титруемую щелочность в белом щелоке.

Измерение уровня щепы в гидравлическом ва­рочном котле в двухфазном потоке твердой фазы и жидкости вызывает большие трудности, так как гидравлический котел, работающий под высоким давлением, полностью заполнен жидкостью. Обычно уровень щепы в верхней части котла контролиру­ется в диапазоне 0...1,5 м специальным датчиком, использующим скручивающее усилие от погруже­ния в верхнюю часть столба щепы вращающегося стержня (штагни) с лопастью на конце, соединен­ного упруго с приводным валом шнека загрузочно­го устройства котла. Угол поворота упругого стер­жня относительно приводного вала шнека, зави­сящий от величины погружения вращающейся ло­пасти стержня в верхнюю часть столба щепы, преобразуется в непрерывный сигнал, пропорцио­нальный уровню щепы в котле. Надежность этого датчика невысока, нередко он теряет чувствитель­ность и дает недостоверную информацию о распо­ложении верхнего сечения столба щепы. В настоя­щее время этот датчик заменяется более современ­ным датчиком К-2000, состоящим из лопасти, рас­положенной под прямым углом к направлению движения щепы. Лопасть связана с подвижным рычагом, который проходит через стенку котла. Крутящий момент рычага, зависящий от уровня щепы, воздействует на тензодатчик и преобразует­ся в непрерывный сигнал. Обычно устанавливают­ся три таких датчика на различной высоте котла. С помощью статистической обработки сигналов с этих датчиков определяется истинное располо­жение верхней границы столба щепы в верхней части котла или пропиточной колонны.

Для контроля уровня щепы также использует­ся информация о нагрузке шнеков загрузочных ус­тройств котла. Ее можно приспособить для управ­ления уровнем щепы, хотя это рискованно, так как возникает опасность чрезмерной перегрузки шнеков и останова загрузочных линий котла. На­грузка загрузочных шнеков котла зависит не только от уровня щепы, но и от других факторов.

В котлах с парожидкостной фазой измерение уровня щепы и жидкости в котле особых затруд­нений не вызывает. Ввиду различия плотностей пара и шапки щепы в верхней части котла для контроля уровня щепы применяется радиоактив­ная измерительная система, состоящая из источ­ников излучения и приемников поглощения, не­прерывно фиксирующая границу раздела между паровой и твердой фазой в верхней части котла. Уровень жидкости в котле, находящийся на 1,0... ...1,5 м ниже уровня щепы, измеряется датчиками перепада давления, зависящего от высоты столба жидкости. Уровень жидкости в котле всегда дол­жен находиться ниже уровня щепы, иначе грани­ца между ними при использовании датчиков ра­диоактивного излучения становится неразличимой.

Древесная щепа — весьма неоднородный мате­риал, влажность, плотность, породный и фракци­онный состав которого может со временем суще­ственно изменяться. Колебания значений этих по­казателей вызывают как ошибку в дозировке а. с. древесины, так и изменяют условия пропитки щепы химикатами. В результате концентрация щелочи в зоне варки не остается постоянной во времени, даже если осуществляется автоматическая дози­ровка расходов белого и черного щелоков для под­держания требуемых расходов активной щелочи и гидромодуля варки. Нестабильность концентрации в зоне варки — еще одна из причин, вносящая вклад в изменчивость конечной степени делигни­фикации целлюлозы. Возмущения на процесс вар­ки со стороны качества щепы можно частично ком­пенсировать, если измерять концентрацию эффек­тивной щелочи после стадии пропитки щепы и воз­действовать на нее непосредственно перед зоной варки.

Для измерения концентрации эффективной ще-ш после стадии пропитки щепы имеется ряд датчиков и анализаторов. Они бывают двух ти­пов — титрующие анализаторы и датчики элект­рической проводимости — кондуктометры. Точность прения концентрации эффективной щелочи тет­раметрическими датчиками выше, чем кондукто­рами, но они неудобны в эксплуатации из-за ложности автоматических пробоотборников и не­обходимости регулярного наполнения титрантами. Кондуктометрические датчики просты и не так до­роги. Однако их показания зависят от температу­ры и присутствия неактивных компонентов вароч­ного щелока (соды, сульфата натрия). Кроме того, они весьма чувствительны к загрязнению электро­дов осадками CaCOg. В последние годы для изме­рения концентрации активной (эффективной) ще­лочи белого, варочного щелоков, остаточной ще­лочности промытой массы применяются кондукто­метрические датчики, в которых предусмотрены температурная компенсация и специальные меры для повышения их стойкости к накипи и грязи. Наибольшую популярность завоевали кондуктомет­рические датчики фирмы «Kemotron» и тороидаль­ные датчики проводимости фирмы «Rosemount AG». 11 i титрующих анализаторов следует отметить ана­лизатор щелочности Kajaani Alkali, поставляемый фирмой « Metso Automation ».

Контроль температурного режима варки в кот­лах Kamur производится только лишь измерением температуры щелока в циркуляциях или в паро­вой и жидкой фазе котла, т. е. в ограниченных I метках варочного котла и практически вне кот­ла, что является существенным недостатком. Он не дает возможности точно определять истинное распределение температурного профиля по высоте котла и контролировать истинный температурно-временной график обработки щепы.

Один из способов преодоления этого недостат­ка — установка на корпусе котла, под изоляцией, по всей его высоте специальных датчиков для из­мерения температуры поверхности. Температура на­ружной металлической стенки котла близка к тем­пературе среды у внутренней стенки. Поэтому по температурному профилю стенки котла можно по­лучить достаточно хорошую оценку Н-фактора про­цесса непрерывной варки с использованием этой информации для целей управления степенью де­лигнификации целлюлозы. По изменению во вре­мени температурных эпюр стенки котла можно так­же контролировать стационарность движения щепы по котлу [114]. Наиболее подходящими темпера­турными датчиками наружной стенки варочного котла являются поверхностные термопары, разра­ботанные НПО «Энергия» и устанавливаемые на корпусах летательных аппаратов.

Одна из проблем, задерживающая дальнейшее развитие систем управления процессом непрерыв­ной варки, обусловлена отсутствием информации о ходе процесса делигнификации древесины внут­ри котла. Для получения такой информации фир­мой «АВВ» была предпринята попытка разработ­ки анализатора изменения состава варочного ще­лока по ходу варки. Анализатор CLA измеряет кон­центрацию щелочи, концентрацию сухих веществ и растворенного лигнина в варочном щелоке в раз­личных зонах котла. Это позволяет контролиро­вать в реальном времени замедление или ускоре­ние растворения лигнина в ходе варки и предска­зывать конечную степень делигнификации цел­люлозы.

Точное измерение концентрации массы в лини­ях выдувки варочного котла крайне необходимо, так как оно дает возможность более качественно управлять производительностью, уровнем щепы в котле и движением столба щепы. В первых АСУ варочными котлами для измерения концентрации выдуваемой массы применялась комбинация двух датчиков, рефрактометра для измерения плотнос­ти жидкой фазы и радиоактивного плотномера для измерения общей плотности волокнистой суспен­зии. По этим данным вычислялась объемная кон­центрация твердой фазы в потоке выдуваемой мас­сы. Работа этой измерительной системы оказалась неудовлетворительной, особенно рефрактометра из-за тяжелых условий его эксплуатации, а также временного дрейфа плотномера, требующего повтор­ных его калибровок. В настоящее время для изме­рения концентрации массы в линии выдувки в ос­новном используются измерители высокой концен­трации при высоком давлении фирмы «BTG» типа МЕК-2015. Принцип измерения основан на том, что крыльчатка специального профиля, вращаю­щаяся в потоке массы, измеряет угол поворота вала чувствительного элемента относительно приводно­го вала в зависимости от величины концентрации. Этот измеритель значительно надежнее, хотя тре­бует после установки длительной и очень внима­тельной калибровки, особенно процесса отбора представительных проб массы высокой концентра­ции. Для измерения концентрации массы в линии выдувки используется датчик Smart-Pulp модифи­кации HL корпорации « Metso». Он работает на прин­ципе измерения усилия среза массы специальной лопаткой, установленной в трубопроводе. В комп­лект входит безопасный незабиваемый пробоотбор­ник для массы высокой концентрации типа Nove Н, гарантирующий представительность пробы массы для определения концентрации.

Из других современных средств измерения кон­центрации массы в производстве целлюлозы следует отметить измерительные интеллектуальные комплек­сы Kajaani MCA корпорации «Metso» и MIC-2300 фирмы «BTG», сконструированные на микроволно­вом принципе измерения концентрации твердой фазы в суспензии в широком диапазоне изменения.

Степень делигнификации целлюлозы, характе­ризующая конечное содержание лигнина, — один из основных показателей процесса варки, опреде­ляющих пригодность целлюлозы для производства тех или иных видов целлюлозно-бумажной про­дукции. От степени делигнификации целлюлозы зависят выход, механические свойства волокна, расход химикатов в дальнейшей стадии обработ­ки-отбелки и, в конечном итоге, все экономичес­кие показатели производства целлюлозы.

В связи с этим идеальным результатом, дости­гаемым при управлении процессом непрерывной вар­ки, всегда считается получение требуемой и как можно более стабильной степени делигнификации целлюлозы. Естественно, обязательным условием реализации такого управления является необхо­димость непрерывного измерения этого параметра. Неслучайно затрачены большие усилия для созда­ния автоматических анализаторов степени делиг­нификации целлюлозы для непосредственного ее измерения в линиях выдувки варочных котлов. Ав­томатическая система отбора и подготовки проб для анализа в таком анализаторе — такая же труд­ная проблема, как и конструкция самого датчика. После длительных изучений возможностей и раз­личных принципов измерения степени делигнифи­кации наибольшее предпочтение было отдано оп­тическим методам, основанным на светоотража­ющих свойствах водоцеллюлозной суспензии — из­менении коэффициента поглощения и рассеивания света различных длин волн лигнином в волокнах целлюлозы и растворенном лигнине. Подобные ана­лизаторы (Опти-Каппа-анализаторы) для исполь­зования в системах управления варкой и кисло­родной делигнификацией целлюлозы разработаны зарубежными фирмами Скандинавии и Канады. Специальные отборники этих анализаторов позво­ляют автоматически отбирать пробы массы в не­скольких точках технологической схемы производ­ства (в выдувной линии варочного котла, после промывного оборудования на входе в кислородный реактор, на выходе из реактора перед отбелкой цел­люлозы) и автоматически контролировать после­довательное изменение степени делигнификации целлюлозы в технологических пределах. В резуль­тате появилась возможность оптимизации процес­са удаления лигнина на различных стадиях термо­химической обработки древесины с точки зрения сохранности выхода целлюлозы, показателей ме­ханической прочности волокна и уменьшения рас­ходов отбеливающих химикатов. Программный пакет для реализации такой оптимизации на осно­ве применения оптических анализаторов степени делигнификации целлюлозы Kajaani Kappa разра­ботан корпорацией «Metso». Он используется в си­стемах автоматизации варки DNA Cook/C и от­белки целлюлозы DNA Bleach.

В комплект анализатора обычно входят авто­матические системы отбора и подготовки проб мас­сы, оптическая система измерения числа Каппа, микрокомпьютер для управления операциями ана­лизатора и обработки результатов измерений. Про­должительность операции анализа числа Каппа составляет около 5 мин, количество точек отбора проб из различных участков технологической ли­нии — от 3 до 16.

Технологические процессы производства целлю­лозы сопровождаются транспортировкой агрессив­ных жидких сред при высоких температуре и дав­лении, волокнистых суспензий и шламов. Поэто­му в качестве запорно-регулирующей арматуры в основном применяются поворотные (четверть обо­рота с плотным затвором), шаровые и сегментные клапаны, поворотные заслонки с пневматическим поршневым или мембранным приводом одинарно­го или двойного действия как наиболее надежные и отвечающие жестким требованиям целлюлозно-бумажных предприятий. В их комплект входят позиционеры и конечные выключатели различных конструкций. В современных АСУ варочными котла­ми на базе контроллеров применяются электропнев­матические позиционеры, управляемые стандартным электрическим токовым сигналом 4...20 мА, посту­пающим от контроллера. Они точно устанавлива­ют клапан в положение, вычисляемое контролле­ром в соответствии с тем или иным законом управ­ления.

Из имеющегося на рынке ассортимента шаровых клапанов наибольшее распространение для автома­тизации варочных котлов получила запорно-регули-рующая арматура фирмы «Metso Neles Controls*. В настоящее время шаровые, сегментные клапаны и заслонки этой фирмы оснащаются клапанными контроллерами, осуществляющими мониторинг фун­кционирования клапана во время работы. Исполь­зование микропроцессора позволяет достичь более высокой точности и скорости исполнения команд­ного сигнала процесса регулирования по сравнению с традиционными позиционерами. «Интеллектуаль­ность» клапана (наличие микропроцессора, выпол­няющего различные программы контроля функцио­нирования клапана) дает возможность наблюдать истинную степень открытия клапана, осуществлять оптимальную настройку его расходной характерис­тики во всем диапазоне регулирования расхода сре­ды. В последнее время фирма «Metso Neles Controls* начинает оснащать свои регулирующие клапаны ин­теллектуальной измерительной системой NelFlow, включающей датчик положения клапана, датчик перепада давления на клапане, по показаниям ко­торого вычисляется с помощью клапанного кон­троллера объемный расход среды, проходящей че­рез клапан.

Специфика современных требований к средствам измерения заключается в необходимости улучше­ния их качества и расширения номенклатуры ин-

лектуальных датчиков, осуществляющих одно­временно с измерением первичную обработку ин­формации. Большинство производителей, как за­рубежных, так и отечественных, уже перешло на выпуск интеллектуальных промышленных датчи­ков. В недалеком будущем концепция построения АСУТП пойдет по пути замены интерфейса — то­кового сигнала 4...20 мА на микропроцессорные системы распределенного ввода-вывода, объединя-мые с помощью общей информационной промыш­ленной сети для передачи данных в цифровой фор­ме и в реальном времени от всех источников ин­формации в те или иные контроллеры.

В результате вместо большого количества 2-,3-, 4-проводных линий связи, идущих от множества

чиков и исполнительных механизмов к кана­лам ввода-вывода программируемых контроллеров, появится один «малопроводный» информационный бель. Помимо экономии на кабельной продук­ции это позволит легко подключать интеллекту-

ные датчики и исполнительные механизмы раз­личных производителей к информационной сети, выполнять автоматическую калибровку и исполь­зовать широкие возможности по диагностике из­мерительной и регулирующей аппаратуры. Проек­тирование систем автоматизации будет сводиться к привязке тех или иных контроллеров к этой сети при помощи стандартных конфигурационных и ис­полнительских программ.