1.6.2.4. Принципы и способы решения задач управления в современных системах автоматизации варочных котлов непрерывного действия

Стратегия управления варочными котлами не­прерывного действия сводится к необходимости стабилизации и координированного изменения трех основных переменных процесса варки целлюлозы:

1) продолжительности варки;

2) концентрации эффективной щелочи в зоне варки;

3) температуры варки.

Автоматическая стабилизация этих переменных при стационарных режимах работы варочного кот­ла и скоординированное во времени изменение их в переходных режимах при изменении производи­тельности, смене сорта целлюлозы и породы древе­сины обеспечивают минимальные отклонения по­казателей качества вырабатываемой целлюлозы от заданных значений.

Продолжительность пропитки, время варки оп­ределяются скоростью перемещения щепы по ва­рочному котлу. Время пропитки и варки обратно пропорционально производительности котла. От времени варки также зависит степень делигнифи­кации целлюлозы. Поэтому при управлении про­цессом этот параметр нельзя менять произвольно. Для того чтобы обеспечить однородность качества целлюлозы при заданной производительности, вре­мя пропитки и варки щепы в котле должны быть неизменными. Это условие выполняется, если под­держивать постоянным уровень щепы в котле. Только при этом условии соблюдается материаль­ный баланс между подачей щепы и выгрузкой мас­сы из котла, а следовательно, не изменяются во времени скорость, продолжительность прохожде­ния щепы по различным зонам варочного котла и заданная производительность. В противном случае варочный котел работает в переходных режимах, когда количество выдуваемой массы не соответствует количеству загружаемой щепы, а скорость движе­ния и продолжительность нахождения древесного материала в различных зонах котла не остаются постоянными во времени, что и является одной из главных причин изменения степени делигнифика-ции целлюлозы.

Время варки целлюлозы зависит также от дли­ны зоны варки. Начало варки создается в том мес­те котла, где температура смеси щепы с варочным щелоком доводится до конечной температуры вар­ки. Конец зоны располагается в том сечении, где активная щелочь уже в значительной мере израс­ходована на реакции делигнификации, а масса ох­лаждается промывным щелоком до температуры, при которой процесс варки протекает очень мед­ленно. Положение нижней границы зоны варки зависит, таким образом, от величины потока ох­лаждающего щелока в зоне диффузионной промыв­ки, т. е. от фактора разбавления. Следовательно, чтобы зафиксировать строгое положение нижней границы зоны варки, необходимо стабилизировать фактор разбавления. Стабилизация его необходи­ма и для поддержания требуемой степени промыв­ки массы в котле.

Интенсивность процесса делигнификации при сульфатной варке зависит также от концентрации активных реагентов в варочном щелоке. Скорость растворения лигнина пропорциональна концентра­ции активной (эффективной) щелочи в зоне варки. Поэтому важной задачей управления является ста­билизация начальных условий пропитки и варки щепы по концентрации щелочи. Начальная кон­центрация активной щелочи в варочном котле оп­ределяется двумя факторами: расходом активной щелочи на варку (соотношение «щелочь—древеси­на») и гидромодулем (соотношение «жидкость— древесина»). Следовательно, для создания стабиль­ной начальной концентрации щелочи необходимо поддерживать постоянными задаваемые расход ак­тивной щелочи и гидромодуль в зоне загрузки щепы.

В варочных котлах непрерывного действия щепа подается через объемные дозаторы, обладающие погрешностью в дозировке а. с. древесины. Погреш­ность возрастает в тех случаях, когда такие пока­затели щепы, как плотность, фракционный состав, состав щепы по породам, изменяются во времени. На производстве стабильное состояние показате­лей качества щепы очень часто нарушается. В этих условиях установленные значения расхода актив­ной щелочи и гидромодуля не выдерживаются, из­меняется начальная концентрация щелочи в зо­нах пропитки и варки, вызывая колебания степе­ни делигнификации целлюлозы. Колебания началь­ной концентрации активной щелочи, изменения качества и дозировки щепы в некоторой степени можно компенсировать. Для этого необходимо из­мерять и поддерживать постоянной концентрацию активной щелочи после стадии пропитки. Обычно регулирование концентрации активной щелочи пос­ле пропитки осуществляется путем подачи неболь­шой части белого щелока от общего его количе­ства, задаваемого для поддержания требуемого рас­хода активной щелочи.

Температура варки является одним из важней­ших факторов варочного процесса, влияющих на качество и выход целлюлозы. Кроме того, этот параметр обладает наибольшим быстродействием на степень делигнификации целлюлозы по сравне­нию с другими каналами воздействия. Поэтому температура варки используется в качестве основ­ного управляющего воздействия для стабилизации степени делигнификации целлюлозы. Коррекция температуры варки осуществляется как по прямой связи — упреждающим изменением температуры при изменении производительности котла и сорта целлюлозы, так и по обратной связи — по откло­нению анализов степени делигнификации целлю­лозы от заданного значения.

Ниже приводится более подробное описание ме­тодов управления, используемых в современных системах автоматизации варочных котлов непре­рывного действия. Даются принципиальные схе­мы отдельных подсистем управления, входящих в состав АСУТП. На некоторых принципиальных схемах объединено несколько подсистем в тех слу­чаях, когда они функционально тесно связаны. К таким подсистемам, в частности, относятся под­системы управления производительностью и уров­нем щепы в котле, скоростью вращения дозатора щепы и расходом выдуваемой массы. На схемах от­ражены основные материальные и информационные потоки, используемые в процессе управления.

Управление производительностью варочного котла

Производительность варочного котла определя­ется количеством целлюлозы, вырабатываемой в единицу времени. Требуемое значение производи­тельности вычисляется исходя из скорости враще­ния дозатора щепы, коэффициента калибровки до­затора щепы (количество а. с. древесины, подавае­мое в котел за один оборот дозатора) и выхода целлюлозы по варке. Она задается оператором либо в тоннах в сутки в. с. целлюлозы, либо числом оборотов в минуту дозатора щепы. Требуемое зна­чение производительности используется для опре­деления требуемых расходов а. с. древесины, заг­ружаемой в варочный котел, и а. с. целлюлозы в линии выдувки (рис. 1.86). Соотношение указан­ных расходов зависит от выхода целлюлозы по варке, поэтому поддержание их точного соотноше­ния является необходимым условием достижения требуемых производительности и степени делигни-

Измерение скорости дозатора

Щепа

Коэффициент калибровки дозатора

Ошибка

расхода а. с. целлюлозы

Расчет расхода а. с. древесины

Регулирова­ние скорости дозатора щепы

Измерение уровня щепы

Управление расходом а. с. целлюлозы

расхода массы

Задание1 \ скорости дозатора щепы

Управление расходом а. с. древесины

Задание выдуваемой

Регулирова­ние расхода выдуваемой массы

Расчет расхода а. с. целлюлозы

Измерение рас­хода и концент­рации выдувае­мой массы

_{П JZ}

Целлюлоза

Коррекция при изменении производительности

Рис. 1.86. Принципиальная схема управления производительностью и уровнем щепы в котле

фикации целлюлозы. Требуемые значения расхо­дов а. с. древесины и а. с. целлюлозы корректиру­ются подсистемой управления уровнем щепы в ва­рочном котле. Поддержание величин расходов а. с. древесины в котел и а. с. целлюлозы, выдуваемой из котла, производится подсистемами управления дозатором щепы и расходом выдуваемой массы.

Подсистема управления дозатором щепы опреде­ляет заданную величину расхода а. с. древесины по требуемому значению, рассчитанному подсистемой управления производительностью варочного котла и по корректирующей поправке, рассчитанной под­системой управления уровнем щепы в котле (см. рис. 1.86). Действительное значение расхода а. с. древесины рассчитывается на основании данных о коэффициенте калибровки и скорости вращения дозатора щепы. По отклонению рассчитанного рас­хода а. с. древесины от заданного значения опреде­ляется задание регулятору скорости вращения до­затора щепы. В зависимости от скорости вращения дозатора щепы корректируется и число оборотов в минуту питателя высокого давления.

Коэффициент калибровки дозатора щепы перио­дически корректируется на основе составления ди­намического баланса массы щепы в бункере. Для корректировки коэффициента калибровки исполь­зуется информация о массе щепы на транспортере при подаче ее в бункер, влажности и насыпной плот­ности щепы, величины уровня щепы в бункере [107]. Периодическая калибровка дозатора щепы частич­но устраняет возмущения на точность дозировки а. с. древесины со стороны изменений степени за­полнения щепой карманов дозатора, фракционного состава щепы и базисной плотности древесины.

Подсистема управления расходом выдуваемой массы определяет задание регулятору расхода в соответствии с ошибкой управления расходом а. с. целлюлозы. Заданное значение расхода а. с. цел­люлозы рассчитывается по его требуемому значе­нию, соответствующему требуемой производитель­ности варочного котла, и по корректирующей по­правке от изменения уровня щепы в котле. Дей­ствительное значение расхода а. с. целлюлозы определяется как произведение расхода выдувае­мой массы на ее концентрацию. Стабилизация рас­хода выдуваемой массы осуществляется регулято­ром расхода.

Требуемое значение производительности коррек­тируется в период операции перевода котла на но­вую производительность в соответствии с графи­ком, рассчитываемым подсистемой управления из­менением производительности (см. рис. 1.86).

Управление уровнем щепы в варочном котле

Задача стабилизации уровня щепы в варочном котле является одной из наиболее важных, что обусловлено существенным влиянием этого пара­метра как на характер движения столба щепы, так и на продолжительность процессов пропитки и вар­ки щепы. Изменение уровня щепы определяется разностью между расходом щепы в котел из линии загрузки и расходом щепы через поперечное сече­ние котла в верхней части. Количество загружае­мой щепы пропорционально скорости вращения до­затора щепы. Количество щепы, движущееся че­рез сечение верхней части, зависит от скорости дви­жения нижележащих слоев и, в конечном счете, от скорости нижней части столба щепы перед зо­ной выгрузки. Скорость движения нижней части столба щепы определяется расходом а. с. целлю­лозы в линии выдувки. Таким образом, уровень щепы в варочном котле может управляться или регулированием скорости вращения дозатора щепы, т. е. изменением подачи щепы на входе в котел, или регулированием расхода и концентрации мас­сы на его выходе. Однако применение какой-либо одной из этих стратегий не всегда обеспечивает по­стоянство времени варки. Если в процессе движе­ния столба щепы происходит изменение степени сжатия древесного материала по высоте котла, то позднее это приведет к изменению уровня щепы, несмотря на постоянные обороты дозатора щепы, задаваемые для поддержания заданной производи­тельности. Подобная ситуация будет наблюдаться и при изменении выхода целлюлозы в процессе вар­ки древесины. В этих случаях для поддержания постоянных уровня щепы и времени варки необхо­димо скорректировать расход выдуваемой массы без изменения скорости вращения дозатора щепы. Если же по каким-либо причинам уменьшается степень заполнения карманов дозатора щепы, сопровожда­емая снижением объемного расхода древесины, то для стабилизации уровня щепы и сохранения преж­ней продолжительности варки логично увеличить скорость вращения дозатора щепы, не изменяя при этом расход выдуваемой массы. В действительнос­ти время прохождения щепы внутри котла опреде­ляется степенью уплотнения слоев щепы по высо­те котла, не поддающейся непосредственному из­мерению. Степень уплотнения зависит от плотнос­ти используемой древесины и конечной степени провара целлюлозы, от скорости свободных пото­ков жидкости сверху и снизу котла, от состояния поверхности сит для отбора щелока в зонах нагре­ва и экстракции и от других факторов. Таким об­разом, влияние на характер движения щепы в котле практически всех параметров процесса непрерыв­ной варки приводит к тому, что для стабилизации уровня щепы наиболее рациональной стратегией является оптимальное сочетание изменений и ско­рости дозатора щепы и расхода выдуваемой массы [108]. Данная стратегия управления уровнем щепы в котле используется во всех современных АСУТП непрерывной варки. Принципиальная схема ста­билизации уровня щепы в котле на основе этой стратегии была приведена на рис. 1.86. Измерен­ное значение уровня сравнивается с заданным зна­чением. По его отклонению от задания корректи­руется расход а. с. целлюлозы в линии выдувки и изменяется задание подсистеме управления расхо­дом выдуваемой массы. Однако изменение расхода выдуваемой массы для поддержания постоянного уровня щепы в котле осуществляется в неболь­ших пределах, рассчитанных по величине скоррек­тированного потока а. с. целлюлозы в линии вы­дувки, и только для компенсации тех изменений уровня, которые имеют место вследствие колеба­ний плотности движущихся слоев щепы внутри котла. Вторым управляющим воздействием на уро­вень щепы является корректировка расхода а. с. древесины путем изменения скорости вращения дозатора щепы. Изменение скорости вращения до­затора щепы быстро (по сравнению с изменением расхода выдуваемой массы) возвращает уровень щепы в допустимые пределы, что предотвращает преждевременное большое изменение расхода вы­дуваемой массы, которое может неблагоприятно повлиять на качество вырабатываемой целлюло­зы. Как только уровень достигнет заданного диа­пазона, скорость вращения дозатора щепы уста­навливается равной номинальному значению для требуемой производительности. Такая стратегия управления уровнем щепы в гидравлическом ва­рочном котле позволяет сохранять производитель­ность по а. с. целлюлозе (по низу котла) близкой к требуемому значению, а также скорость враще­ния дозатора щепы — близкой к номинальной ско­рости (производительности по верху котла) с одно­временным обеспечением неизменности времени варки и однородности степени делигнификации целлюлозы.

Для удержания скорости дозатора щепы в гра­ницах приемлемого диапазона изменения при уп­равлении уровнем щепы обычно задается ограни­чение на изменение числа оборотов в минуту доза­тора (например, +0,5 об/мин от заданных номи­нальных оборотов дозатора щепы, соответствующих требуемой производительности). Если коррекция задания скорости выходит за диапазон регулиро­вания, то выдается предельно допустимая коррек­ция (т. е. изменение числа оборотов дозатора не превышает 0,5 об/мин). В целях предотвращения очень частого изменения скорости дозатора щепы в программе управления иногда предусматривает­ся зона нечувствительности по величине отклоне­ния уровня от заданного значения. Если уровень щепы находится в пределах зоны нечувствитель­ности, то задание подсистеме управления скорос­тью вращения дозатора щепы остается неизмен­ным и равным числу оборотов в минуту, соответ­ствующему требуемой производительности. Введе­ние зоны нечувствительности улучшает качество регулирования и создает стабилизирующий эффект для контура управления дозатором щепы.

В некоторых программах управления уровнем щепы в котле используются еще другие дополни­тельные воздействия на уровень щепы — измене­ние скорости вращения разгрузочного устройства котла и изменение расхода варочного щелока в верх­нюю часть котла из смесительного бака, хотя это не совсем оправданно. Такие воздействия можно применять только в крайних случаях — при рез­ких изменениях уровня щепы, обусловленных «за­висанием» столба щепы на ситах экстракции щело­ка. Использование скорости вращения разгрузочно­го устройства котла для стабилизации концентра­ции массы в линии выдувки более рационально, так как при поддержании постоянной концентра­ции выдуваемой массы пределы изменения расхода в линии выдувки при регулировании уровня щепы значительно сужаются, что способствует стацио­нарности движения щепы.

Управление уровнем щепы в двухсосудных ва­рочных котлах с паровой фазой строится на тех же принципах, что и в гидравлическом однососуд-ном котле. В двухсосудных котлах пропиточная колонна выполняет роль дозатора щепы. Поэтому одним из регуляторов уровня щепы в котле явля­ется разгрузочное устройство пропиточной колон­ны. Увеличение скорости вращения разгрузочного устройства и расхода щелока на донные спрыски пропиточной колонны повышает поток переноса щепы из колонны в варочный котел, а следова­тельно, и уровень щепы в нем, и наоборот. Регу­лирование расхода щелока на донные спрыски про­питочной колонны обычно производится с таким расчетом, чтобы удержать скорость вращения раз­грузочного устройства в допустимых пределах. Большие изменения расхода щелока на донные спрыски пропиточной колонны нежелательны, так как они могут вызвать циклические колебания тем­пературы щелока на выходе из подогревателя пред­варительного нагрева щепы в транспортирующей циркуляции, температуры и давления в паровой фазе котла. Поэтому расход щелока на донные спрыски пропиточной колонны должен быть как можно более стабильным.

Другим управляющим воздействием на уровень щепы в котле является расход выдуваемой массы, который должен изменяться в небольших преде­лах при условии поддержания постоянной концен­трации выдуваемой массы и компенсировать те из­менения уровня щепы в котле, которые вызыва­ются только колебаниями степени уплотнения стол­ба щепы по высоте котла.

Изменение потока переноса щепы, выполняе­мое регуляторами скорости разгрузочного устрой­ства и расхода щелока на донные спрыски пропи­точной колонны, приводит к изменению уровня щепы в пропиточной колонне, которое компенси­руется изменением скорости вращения дозатора щепы. Путем оптимальной настройки каждого из контуров регулирования можно добиться согласо­вания работы всех контуров системы стабилиза­ции уровней щепы в пропиточной колонне и в ва­рочном котле, при которой обеспечивается поддер­жание точного соотношения подачи щепы и вы­грузки целлюлозы.

Ввиду сложности настройки такого взаимосвя­занного управления уровнем щепы в двухсосудном варочном котле с паровой фазой в более простых компьютерных программах контуры управления уровнями щепы в пропиточной колонне и вароч­ном котле разъединены. Уровень щепы в пропи­точной колонне регулируется только изменением потока переноса щепы в варочный котел, без кор­ректировки скорости вращения дозатора щепы, а уровень щепы в котле поддерживается изменени­ем расхода выдуваемой массы и скорости враще­ния разгрузочного устройства котла.

Управление концентрацией выдуваемой массы

Для стабилизации уровня щепы в котле, обес­печения равномерной выгрузки целлюлозы и дос­тижения стационарного движения щепы по котлу прежде всего необходимо, чтобы концентрация выдуваемой массы была постоянной. Требуемая концентрация массы в линии выдувки поддержи­вается путем регулирования скорости вращения разгрузочного устройства котла (донного шабера) и расхода разбавляющего щелока в нижнюю часть котла на донные спрыски. Заданное значение кон­центрации массы устанавливается оператором. Кон­тур регулирования скорости донного шабера ока­зывает основное управляющее воздействие на кон­центрацию и реагирует на отклонение между за­данным и измеренным значениями концентрации массы в линии выдувки. Увеличение скорости вра­щения донного шабера вызывает повышение кон­центрации массы в линии выдувки и наоборот. Пределы изменения скорости вращения донного шабера ограничены его конструктивными характе-

Регулятор расхода ще­лока на донные спрыски

Измеритель расхода щело­ка на донные спрыски

Поток выдуваемой массы

Измерение на грузки донного шабера

Задание расхода щелока

Промывной щелок

Измерение скорости донного шабера

Управление расходом ще­лока на донные спрыски котла

Корректировка

задания концентрации

Управление скоростью донного шабера

Измерение концентра­ции выдувае­мой массы

Задание концентрации выдуваемой массы

Желаемая скорость донного шабера

Рис. 1.87. Принципиальная схема управления концентрацией выдуваемой массы

ристиками. В связи с этим целесообразно обеспе­чить такой режим регулирования, при котором за­данному значению концентрации соответствовало бы значение скорости вращения донного шабера, близкое к среднему значению допустимого диапа­зона ее изменения. Для установления такого ре­жима работы шабера используется дополнитель­ное воздействие на концентрацию массы — изменение расхода разбавляющего щелока на дон­ные спрыски котла. Контур управления расхо­дом разбавляющего щелока корректирует задание локальному регулятору расхода по рассогласова­нию между задаваемой и желаемой скоростями донного шабера. При этом, если задание скорости донного шабера начинает приближаться к одному из установленных пределов, то изменяется расход на донные спрыски котла — уменьшается при увеличении задания и увеличивается при его сни­жении.

При регулировании концентрации массы учи­тывается сила тока нагрузки донного шабера. Если сила тока нагрузки выходит за установленные пре­делы, то независимо от значения концентрации мас­сы скорость вращения шабера снижается или уве­личивается для снижения нагрузки электродвига­теля привода шабера. При возрастании нагрузки также увеличивается расход щелока на донные спрыски, снижая концентрацию массы в зоне вы­грузки и исключая опасность выхода из строя раз­грузочного устройства.

В процессе управления заданное значение кон­центрации массы может автоматически подстраи­ваться. Необходимость в этом возникает в том слу­чае, когда в процессе управления скорость враще­ния донного шабера и расход разбавляющего ще­лока достигают предельных значений и не могут обеспечить удовлетворительного поддержания за­данного значения концентрации. Если в течение продолжительного промежутка времени скорость вращения донного шабера не возвращается в уста­новленные пределы, заданное значение концентра­ции автоматически постепенно начинает изменяться до тех пор, пока скорость вращения шабера вновь не войдет в установленные пределы. Таким обра­зом, данная подсистема управления может само­стоятельно подбирать оптимальную концентрацию выдуваемой массы, которую способны обеспечить задействованные контуры регулирования.

Принципиальная схема управления концентра­цией выдуваемой массы приведена на рис. 1.87.

Управление фактором разбавления в зоне диффузионной промывки массы

Как уже отмечалось, время варки целлюлозы зависит от длины зоны варки, нижняя граница ■торой определяется значением фактора разбав­ления (промывного фактора). Фактор разбавления показывает, сколько кубометров промывного ще­лока вводится в образовавшийся после варки креп­кий черный щелок при его отборе из котла в испа­рительные циклоны. Разность между количеством отобранного в циклоны и количеством образовав­шегося в процессе варки щелока относят на 1 т в. с. целлюлозы. Эта разность получается за счет потока промывного щелока снизу котла по зоне зфузионной промывки до зоны вытеснения ва­рочного щелока в испарительные циклоны. Фак­тор разбавления DF принято выражать в кубомет­рах на 1 т в. с. целлюлозы. Чем больше значение фактора разбавления, тем эффективнее идет про­цесс промывки массы в котле. Однако слишком большое значение фактора разбавления при боль­шом потоке промывного щелока снизу котла со­деет значительное сопротивление движению цел­люлозной массы и может дестабилизировать ре-ким ее движения. Поэтому стратегия управления фактором разбавления сводится к определению оп­тимального значения, обеспечивающего одновремен­но стационарность движения столба щепы и дос-очную степень промывки массы с последующей его стабилизацией. Строгая стабилизация фактора разбавления способствует также сохранению по-оянного местоположения нижней границы зоны варки.

В АСУТП непрерывной варки целлюлозы фак­тор разбавления рассчитывается либо по жидко­стному балансу нижней части котла, либо по теп­ловому балансу нижней промывной циркуляции, если весь поток промывного щелока пропускается через подогреватель. Чаще всего применяется ме­тод расчета фактора разбавления по балансу пото­ков жидкости в нижней части котла:

^fwl-^fbf (ЮО-С)/100 j)F - _Ш± ё1А^ LL _f (1.200)

q

где DF — фактор разбавления, дм /кг в. с. целлю­лозы (м³/т в. с. целлюлозы); F_WL — суммарный расход промывного щелока, подаваемого в ниж­нюю часть котла, л/мин; F_BF — расход выдувае­мой массы, л/мин; С — концентрация массы в выдувной линии, %; Р — расход в. с. целлюлозы на выходе из котла, кг в. с. целлюлозы/мин.

Исходными данными для расчета служат поток сваренной целлюлозы в линии выдувки, определя­емый как произведение расхода выдуваемой массы на ее концентрацию. По потоку а. с. целлюлозы рассчитываются объемы, занимаемые твердой и жидкой фазами в общем потоке выдуваемой мас­сы. По разности между общим количеством про­мывного щелока, подаваемого в нижнюю часть котла, и количеством жидкости, выдуваемой из котла вместе с массой, определяется поток про­мывного щелока, направленный вверх по котлу. Этот поток относят на 1 кг в. с. целлюлозы, выду­ваемой из котла, и получают значение фактора раз­бавления. При расчете с небольшой погрешностью принимается, что объемная концентрация массы в линии выдувки (в кг/л) численно равна концент­рации массы в процентах, разделенной на 100.

В гидравлических котлах регулятор гидравли­ческого давления автоматически поддерживает ба­ланс потоков подаваемой и отбираемой из котла жидкости. Поэтому изменение на определенную величину отбираемого из котла щелока при неиз­менных потоках жидкости в верхней части котла и в выдувной линии вызовет изменение потока про­мывного щелока в зону диффузионной промывки на ту же величину, а следовательно, изменение фактора разбавления.

Принципиальная схема управления фактором разбавления в гидравлическом варочном котле пред­ставлена на рис. 1.88.

Рассмотренный способ расчета фактора разбав­ления и управления отбором щелока из котла имеет недостатки. Расход промывного щелока на боко­вые спрыски котла, варьируемый регулятором дав­ления, и расход выдуваемой массы являются в слу­чае использования гидравлического котла весьма нестабильными параметрами с высокочастотными колебаниями. Поэтому расчетные значения факто­ра разбавления, даже существенно зафильтрован-ные, колеблются в широких пределах. В результа­те управляющие воздействия по отбору щелока в верхний испарительный циклон, формируемые по значению ошибки фактора разбавления, часто из­меняются. Частые изменения отбора щелока из кот­ла могут дестабилизировать движение щепы. Это особенно важно для гидравлического котла, кото­рый обычно является более чувствительным к про­блемам движения щепы по сравнению с котлом с паровой фазой. Кроме того, концентрация массы в линии выдувки контролируется существующими измерителями с большой погрешностью, что сни­жает достоверность рассчитываемого фактора раз­бавления. В связи с этим для некоторых гидрав­лических котлов применяется другой метод управ­ления расходами щелоков в испарительные цик­лоны. Вместо управления фактором разбавления стабилизируется отношение суммарного отбора щелока в испарительные циклоны к производи­тельности котла, называемое коэффициентом эк­стракции. В результате при постоянной произво-

Задание расхода в циклон

Регулятор расхода щелока в верхний испарительный циклон

регулятору щелока

Управление фактором разбавления

Измеритель расхода щелока в верхний испари­тельный циклон

Заданный фактор разбавления

_I

Верхний

испарительный

циклон

Измеритель давления в котле

Расчет фактора разбавления

Промывной щелок

Регулятор давления в котле

Измеритель расхода вы­дуваемой массы

Измеритель концентра­ции выдувае­мой массы

Поток выдуваемой массы

Измеритель расхода ще­лока на боко­вые спрыски

Измеритель расхода ще­лока на дон­ные спрыски

Рис. 1.88. Принципиальная схема управления фактором разбавления в гидравлическом варочном котле

дительности котла суммарный поток экстракции щелока в циклоны не изменяется. Такое управле­ние не гарантирует поддержание желаемого факто­ра разбавления, но способствует более стабильно­му движению массы через зону экстракции за счет постоянства нагрузки на ситах отбора щелока. Решение о поддержании фактора разбавления либо коэффициента экстракции принимается после изу­чения чувствительности данного варочного котла к зависаниям массы на ситах экстракции при из­менениях отбора щелока в испарительные цикло­ны. При этом приоритет стабильности движения столба щепы ставится всегда выше, чем эффектив­ность промывки массы.

Для котлов с парожидкостной фазой применя­ется аналогичная методика расчета фактора раз­бавления по балансу жидкости в нижней части котла. В отличие от гидравлического котла в ка­честве управляющего воздействия на фактор раз­бавления применяется не изменение отбора щело­ка в испарительные циклоны, а корректировка рас­хода промывного щелока на боковые спрыски кот­ла. Расход щелока, отбираемого в циклоны, используется для управления уровнем жидкости в котле.

Управление уровнем жидкости в котле с парожидкостной фазой

Одним из основных требований, предъявляемых к процессу варки целлюлозы в котлах с парожид­костной фазой, наряду с поддержанием уровня щепы в паровой фазе является необходимость стабилиза­ции уровня жидкости. Уровень жидкости в котле должен поддерживаться ниже уровня щепы. В про­тивном случае измерение уровня щепы с помощью радиоактивной системы контроля раздела твердой и паровой фаз котла становится невозможным. При этом разница уровней щепы и жидкости должна составлять не более 1,0...1,5 м. При большей раз­нице, т. е. при низком уровне жидкости в котле сокращается длительность варки щепы в жидкой фазе (в основной зоне варки), нарушается динами­ка движения щепы, возникает опасность образова­ния большого количества непровара в массе. Осо­бенно неблагоприятным является сочетание высо­кого давления в верхней части котла (в паровой фазе) с низким уровнем жидкости в котле, которое приводит к чрезмерному уплотнению нижней части столба щепы, к зависаниям массы на ситах экст­ракции, затрудняет выгрузку целлюлозы из котла.

Кроме того, большая высота «шапки» щепы (над­водной части столба щепы) в паровой фазе при низ­ком уровне жидкости может подвергать щепу дли­тельному воздействию высокой температуры грею­щего пара, что снижает белизну массы.

Уровень жидкости в котле с паровой фазой за­дается количеством промывных щелоков, подавае­мых в нижнюю часть котла, отбором щелока в испарительные циклоны, расходом выдуваемой массы, а также зависит от начального гидромоду­ля в зоне загрузки щепы. Возможны несколько вариантов управления уровнем жидкости в котле, например, изменением подачи промывных щело­ков в нижнюю часть котла, изменением отбора ще­лока в испарительные циклоны. Первый способ не обеспечивает качественного управления уровнем жидкости в котле. Изменения расхода промывного щелока в нижнюю часть котла сопровождаются большими колебаниями концентрации массы в зоне выгрузки, расхода выдуваемой массы при управле­нии уровнем щепы в котле и нередко приводят к противоположным по знаку изменениям уровня кидкости. Кроме того, при таком управлении ста­новится затруднительным поддержание желаемых фактора разбавления и степени промывки массы. Ввиду выявленных недостатков от данного спосо­ба управления уровнем жидкости в котле пришлось отказаться. В современных АСУТП непрерывной варки целлюлозы уровень жидкости в котле под-I доживается изменением отбора щелока в испари-

ьные циклоны, а расход промывного щелока в нижнюю часть котла используется для стабилиза­ции заданного фактора разбавления. При этом из-

ение отбора щелока в испарительные циклоны не влияет на поток щелока вверх по котлу и не вызывает больших колебаний расхода и концент­рации выдуваемой массы.

Для управления уровнем жидкости можно ис­пользовать еще одно регулирующее воздействие —

енение расхода черного щелока в пропиточную колонну. Данный способ управления является, по . ществу, эквивалентом регулирования гидромоду­ля. При постоянных отборах щелоков в циклоны, потоке выдувки и расходе промывных щелоков в нижнюю часть котла уровень жидкости будет за­висеть только от составляющих общего потока жидкости в верхней части котла, т. е. от расхода белого щелока, влажности щепы, количества кон­денсата из пропарочной камеры, конденсата из па­ровой фазы котла. Регулируя расход черного ще­лока в пропиточную колонну, можно скомпенси­ровать изменение этих составляющих и дополни­тельно воздействовать на уровень изменением потока жидкости сверху котла. Если расход чер­ного щелока в пропиточную колонну будет выхо­дить за установленные пределы, то дальнейшее регулирование уровня жидкости в котле передает­ся контуру управления отбором щелока в испари­тельные циклоны. Такой способ управления уров­нем жидкости и гидромодулем в котле с паровой фазой предусмотрен в автоматизированной системе Auto Cook/C корпорации «АВВ».

Одним из необходимых условий для успешного управления уровнем жидкости в котле с парожид­костной фазой является поддержание стабильного давления в верхней части котла. Давление в верх­ней части котла создается подачей пара для нагре­ва щепы поступающими (не удаленными при про­парке щепы) воздухом и скипидаром. Большое ко­личество газов образуется также в процессе варки и в самом котле и скапливается в верхней части. Из­менения составляющих парогазовой смеси создают неустойчивость давления в верхней части котла. Для поддержания требуемого давления предусматрива­ется система автоматического регулирования, осу­ществляющая сдувку парогазовой смеси с верхней части котла в пропарочную камеру. Задаваемое дав­ление поддерживается на 0,05...0,1 МПа выше дав­ления насыщенного пара, соответствующего зада­ваемой температуре в паровой фазе. Такое давление препятствует вскипанию жидкости внутри котла, чрезмерно не уплотняет нижнюю часть столба дре­весного материала и способствует стабилизации уров­ня жидкости. Если при работе котла не достигает­ся давление выше давления насыщенного пара в паровой фазе и возникают трудности с регулирова­нием уровня жидкости, то для поддержания требу­емого давления используется сжатый воздух, пода­ваемый в верхнюю часть котла от компрессора.

Контроль стационарности движения щепы и предупреждения зависаний на ситах экстракции щелоков

Движущийся по котлу столб щепы на ситах на­гревательных циркуляции и экстракции щелока в испарительные циклоны испытывает значительную силу трения, обусловленную фильтрацией радиаль­ных потоков жидкости через пористую структуру стол­ба щепы. Сила трения зависит от состояния поверх­ности сит, плотности слоев щепы в этих участках котла, от расходов экстрагируемых щелоков и др. Сила трения может изменяться случайным образом и вызывать замедление или ускорение перемещения столба щепы, т. е. нарушать стационарность движе­ния. Скорость движения щепы обычно уменьшается при забивании сит древесной мелочью. Засорение сит создает гидравлическое сопротивление потокам жид­кости, проходящим через сита в зонах нагреватель­ных циркуляции и экстракции. В результате на си­тах изменяются перепады давления, зависящие от степени засорения поверхности сит и расхода отби­раемых щелоков. Таким образом, по изменениям пе­репадов давления на ситах экстракции щелока мож­но косвенно контролировать тенденцию изменения скорости и нарушения стационарности движения столба щепы на этих участках котла.

Возникновение больших перепадов на ситах эк­стракции, как правило, сопровождается появле­нием и других признаков нарушения стационарно­сти движения щепы, к которым относятся:

• большое снижение расхода пара в подогрева­тели зон нагрева котла за счет резкого уменьше­ния скорости движения щепы в этих зонах;

• снижение перепада температуры щелока на вхо­де и выходе из подогревателей по той же причине;

• существенное снижение температуры отбирае­мого щелока в верхний испарительный циклон, сви­детельствующее о замедлении движения столба дре­весного материала на сите отбора щелока ввиду его засорения либо из-за чрезмерно большого потока охлаждающего промывного щелока снизу котла;

• снижение концентрации массы в зоне вы­грузки из котла, сопровождаемое снижением силы тока нагрузки донного шабера;

• резкое повышение уровня щепы в котле.

В современных системах управления варочными котлами совокупность всей этой информации ис­пользуется для контроля стабильности движения и предупреждения зависаний щепы на ситах экстрак­ции щелока. Если перепады на ситах превысят до­пустимые пределы и их увеличение подтверждается другими признаками торможения столба щепы, то система управления временно снижает задания ре­гуляторам расходов щелоков в нагревательных цир-куляциях или отбора щелока в испарительные цик­лоны пропорционально превышению перепадов от их верхних допустимых пределов. Уменьшение рас­ходов снижает сопротивление движению столба щепы в этих зонах. Его движение начинает уско­ряться и прочищать сита от присосавшейся древес­ной мелочи. После восстановления стабильности движения, когда перепады на ситах снизятся до нормальных значений, производится плавное по линейному закону увеличение расходов экстрагиру­емых щелоков до их прежних значений. Плавное и осторожное восстановление расходов делается для того, чтобы снова не замедлить движение щепы.

Управление дозировкой щелоков на варку древесины и концентрацией щелочи в варочной зоне

Все автоматизированные системы управления процессом непрерывной варки целлюлозы имеют в своем составе систему автоматической дозировки расходов щелочи и жидкости в варочный котел. Главная цель этой системы состоит в поддержании стабильной концентрации щелочи в варочном ще­локе перед началом основной стадии делигнифика­ции древесины. Стабильность концентрации ще­лочи в ходе варки является одним из необходи­мых условий достижения равномерной степени де­лигнификации и заданного выхода целлюлозы по варке.

Система управления дозировкой щелочи и жид­кости состоит из нескольких самостоятельных под­систем управления:

• подсистемы стабилизации уровня щелока в смесительном баке;

• подсистемы управления расходом активной щелочи на варку;

• подсистемы управления гидромодулем в зоне загрузки щепы;

• подсистемы стабилизации концентрации ще­лочи в варочном щелоке после стадии пропитки щепы.

Основное назначение подсистемы стабилизации уровня щелока в смесительном баке — осуществ­ление подачи необходимого количества варочного щелока в соответствии с заданными производитель­ностью, расходом активной щелочи и гидромоду­лем. Поддержание постоянного уровня в баке обес­печивает баланс подачи жидкости и щелочи в ко­тел, так как любое изменение потока жидкости со стороны белого, черного щелока или щелока из загрузочной горловины ПВД приведет к измене­нию в нужном направлении и расхода варочного щелока в верхнюю часть котла. В некоторых сис­темах управления дозировкой щелочи и жидкости основная задача этой подсистемы по поддержанию постоянного уровня жидкости в смесительном баке дополняется программой корректировки задания ре­гулятору уровня щелока в баке. Корректировка задания производится в случае изменения потока щелока, вытесняемого щепой из загрузочной гор­ловины при кратковременных коррекциях скорос­ти дозатора щепы в процессе регулирования уров­ня щепы в пропиточной колонне или в варочном котле, а также при кратковременных остановах дозатора щепы. Изменение задания по уровню ще­лока в баке в этих случаях позволяет сохранить расход варочного щелока близким к постоянному значению и не допустить большого изменения дав­ления в верхней части варочного котла или пропи­точной колонны. При восстановлении номиналь­ного значения скорости вращения дозатора щепы подсистема плавно возвращает уровень щелока в баке к прежней величине.

Подсистема управления расходом активной ще­лочи на варку предназначена для обеспечения по­стоянства соотношения «щелочь—древесина» в на­

чальной стадии пропитки щепы. Регулирование этого соотношения производится путем изменения задания регулятору расхода белого щелока. Прин­ципиальная схема подсистемы управления показа­на на рис. 1.89. По данным анализа концентра­ции активной щелочи в белом щелоке, фактиче­ским расходам белого щелока и а. с. древесины производится расчет текущего расхода активной щелочи на варку. Расчетное значение сравнивает­ся с требуемым, и по отклонению вырабатывается сигнал коррекции задания регулятору расхода бе­лого щелока. В результате расход белого щелока автоматически изменяется в зависимости от рас­хода а. с. древесины, концентрации активной ще­лочи в белом щелоке и требуемого расхода актив­ной щелочи на варку.

Данные лабораторных анализов концентрации белого щелока могут вводиться оператором либо поступать автоматически от измерителя концент­рации. Требуемый расход активной щелочи (зада­ние подсистеме) периодически корректируется под­системой стабилизации концентрации щелочи в варочном щелоке после стадии пропитки щепы, а также может изменяться в зависимости от сорта вырабатываемой целлюлозы или изменения поро­ды древесины, используемой для варки.

Вторым фактором, влияющим на концентрацию щелочи в варочных зонах котла, является значе­ние гидромодуля в зоне загрузки щепы. Управле­ние гидромодулем сводится к определению и под­держанию постоянства соотношения общего пото­ка жидкой фазы, движущегося сверху вниз по кот­лу, к расходу а. с. древесины. Составляющими общего потока жидкости в пропиточную колонну или в варочный котел являются вода, содержаща­яся в щепе, белый щелок, сконденсированный пар из пропарочной камеры и паровой фазы котла и черный щелок. Эти составляющие могут изменяться случайным образом даже при постоянной произво­дительности котла, нарушая требуемое значение гидромодуля, а следовательно, и начальную кон­центрацию щелочи. Колебания потока жидкой фазы отрицательно сказываются и на движении столба щепы.

Подсистема стабилизации гидромодуля контро­лирует составляющие потока жидкой фазы. По их величине и расходу а. с. древесины рассчитывает­ся текущее значение гидромодуля и по его откло-

нению от заданного значения изменяется расход черного щелока в зону загрузки щепы.

Поскольку количество влаги со щепой и коли­чество конденсата пара, образующегося в пропа­рочной камере, не поддаются точному учету, то применяются и другие методы контроля общего потока жидкости в верхней части котла. Один из них основан на расчете жидкостного баланса бака смешанного щелока. По балансу бака определяет­ся утечка щелока из питателя высокого давления в бак смешанного щелока, а затем и поток жидко­сти в верхней части котла. Он равен разности рас­хода щелока высокого давления в зоне загрузки щепы и утечки жидкости из питателя высокого давления. Этот поток стабилизируется воздействием на подачу черного щелока.

Общий поток жидкой фазы в верхней части кот­ла можно также оценить по расчету жидкостного баланса всего котла. Количество щелока, отбирае­мого в испарительные циклоны, равно сумме пото­ков жидкости сверху и снизу котла. Поток промыв­ного щелока снизу котла в зоне диффузионной про­мывки массы рассчитывается по жидкостному ба­лансу нижней части котла, как и при расчете фактора разбавления. Если он известен, то поток жидкости сверху котла до зоны экстракции щелока, очевидно, будет равен разности между общим количеством эк­страгируемого щелока в испарительные циклоны и потоком промывной жидкости снизу котла.

Так как в гидравлическом варочном котле гид­равлическое давление поддерживается регулятором давления, воздействующим на расход промывного щелока через боковые спрыски в нижней части котла, то изменение потока жидкости в верхней части котла вызывает изменение потока промыв­ного щелока в зоне диффузионной промывки мас­сы. Поэтому при изменении задания по гидромоду­лю делается корректировка по прямой связи отбо­ра щелока в испарительные циклоны, чтобы со­хранить постоянным поток жидкости снизу котла (фактор разбавления).

Расход активной щелочи и гидромодуль связа­ны с начальной концентрацией щелочи в верху котла следующим соотношением:

где С_х — начальная концентрация щелочи в зоне загрузки щепы, г Na₂O/0i; А — расход активной щелочи на варку, %; М — гидромодуль при за­грузке щепы.

Изменение концентрации активной (эффектив­ной) щелочи после стадии пропитки щепы можно выразить уравнением гдеАт^ — константа, характеризующая расход ще­лочи на реакции с легкогидролизуемыми углевода­ми древесины в процессе пропитки щепы до нача­ла основной стадии делигнификации.

Из этих выражений следует, что стабилизация расхода активной щелочи, значения гидромодуля и уровня варочного щелока в смесительном баке должны обеспечить постоянную начальную концен­трацию щелочи в варочном щелоке как в зоне за­грузки щепы, так и после стадии пропитки, перед началом основной стадии делигнификации древе­сины. Однако стабилизация этих переменных не всегда гарантирует поддержание концентрации щелочи в зоне варки из-за неконтролируемых воз­мущений со стороны колебаний качества щепы, расхода а. с. древесины, дозировки щелочи и жид­кости. Обычно в гидравлический варочный котел или в пропиточную колонну двухсосудного котла с парожидкостной фазой загружается избыточное ко­личество щелочи, чтобы обеспечить заведомо пол­ную пропитку щепы щелочью и избежать опаснос­ти чрезмерного понижения концентрации в зоне варки. Избыточная загрузка щелочи вызывает уве­личение расхода химикатов на варку, повышен­ную нагрузку на промывной отдел и отдел регене­рации химикатов. С экономической точки зрения, избыток задаваемой щелочи должен быть мини­мально возможным для данного сорта целлюлозы. Минимально необходимого количества подаваемых химикатов можно достичь, если измерять и под­держивать на определенном уровне концентрацию варочного щелока непосредственно после пропиточ­ной колонны или в верхней зоне нагрева гидрав­лического котла. Регулирование концентрации щелочи можно осуществить подачей небольшой части (10 % от общего количества) добавочного белого щелока в обратную транспортирующую щепу циркуляцию варочного котла с паровой фазой или в циркуляцию верхней зоны нагрева гидравличес­кого котла. Если в процессе регулирования кон­центрации щелочи добавка белого щелока начнет выходить за установленные верхний и нижний пре­делы в течение длительного промежутка времени, это будет свидетельствовать о том, что заданный расход активной щелочи слишком большой или слишком низкий и требуется его корректировка в нужном направлении. Такая стратегия управления концентрацией щелочи в варочном котле после пропитки щепы и реализуется в современных АСУ варочными котлами непрерывного действия. Она позволяет более рационально использовать белый щелок и частично сократить колебания степени делигнификации целлюлозы, вызываемые неста­бильностью качества щепы и погрешностью объем­ного дозирования древесины. На рис. 1.89 показа­на принципиальная схема управления концентра­цией щелочи после стадии пропитки щепы в про­питочной колонне двухсосудного варочного котла. В зависимости от отклонения измеренной концен­трации щелочи от заданного значения в обратной, транспортирующей щепу циркуляции варочного котла, рассчитывается задание регулятору расхода добавочного белого щелока. Задание проверяется на допустимые пределы и ограничивается предель­ными значениями. При стабильном нарушении какого-либо из пределов определяется направле­ние изменения расхода активной щелочи и произ­водится его корректировка на некоторую величи­ну. После изменения задания по расходу активной щелочи делается задержка, учитывающая его инер­ционное и транспортное запаздывание на измене­ние концентрации щелочи после пропитки щепы в пропиточной колонне. По истечении этой времен­ной задержки снова анализируется величина зада­ния по расходу белого щелока. Если расход белого щелока не вошел в установленные пределы, то про­изводится дальнейший сдвиг задания по расходу активной щелочи в нужном направлении, и так до тех пор, пока не устранится недостаток или избы­ток загружаемой щелочи в пропиточную колонну варочного котла.

Значение концентрации щелочи после пропит­ки щепы зависит от производительности котла, поэтому при изменении производительности рас-

итывается новое значение задания по концент­рации щелочи. При необходимости расчетное зада­че может корректироваться оператором путем вво­да желаемого значения.

Для реализации подсистемы автоматической стабилизации концентрации щелочи после пропит­ки щепы варочный котел необходимо оснастить следующими техническими средствами:

• автоматическим измерителем концентрации активной (эффективной) щелочи в варочном щело­ке после стадии пропитки щепы;

• электромагнитным расходомером для изме­рения подачи части белого щелока в циркуляцию верхней зоны нагрева гидравлического котла или в обратную транспортирующую циркуляцию двух­сосудного варочного котла;

• регулирующим клапаном для управления рас­ходом добавочного белого щелока;

• высоконапорным насосом небольшой произ­водительности с напором не ниже 190 м для пода­чи белого щелока.

Возможна и другая стратегия управления про­цессом варки по контролю изменения концентра­ции щелочи после стадии пропитки щепы. Ее из­менения могут быть скомпенсированы корректи­ровкой температуры варки в целях недопущения изменения степени делигнификации целлюлозы. Од­нако на практике более эффективной оказалась стратегия поддержания постоянной концентрации щелочи перед началом основной стадии делигни­фикации в зоне варки, особенно на тех предприя­тиях, где используется щепа неоднородного каче­ства.

Управление температурным режимом варки и степенью делигнификации вырабатываемой целлюлозы

В основу построения современных систем уп­равления степенью делигнификации целлюлозы (число Каппа) положен расчет температур в верх­ней и нижней зонах нагрева котла (гидравличес­кий котел), температуры щелока после предвари­тельного нагрева щепы при подаче ее из пропиточ­ной колонны в варочный котел, температуры в паровой и жидкой фазах котла (двухсосудный ва­рочный котел с парожидкостной фазой), требуе­мых для обеспечения заданной жесткости целлю­лозы при стационарных режимах работы котлов, а также при изменении их производительности. Для расчета и формирования требуемых заданий соответствующим локальным регуляторам темпе­ратуры в зонах нагрева щепы обычно использует­ся математическая модель /^-фактора или ее моди­фикации. Математическая модель //-фактора по­лучена совместным решением в интегральной фор­ме кинетического уравнения скорости реакций делигнификации первого порядка и закона акти­вации Аррениуса, отражающего зависимость кон­станты скорости растворения лигнина от темпера­туры варки, //-фактор, интеграл относительной константы скорости реакций делигнификации, свя­зывает между собой два важнейших параметра суль­фатной варки — продолжительность и температу­ру варки. Варочные циклы, имеющие одинаковое значение //-фактора независимо от сочетаний зна­чений продолжительности и температуры при со­хранении прочих условий варки постоянными (ка­чества щепы, породы древесины, расхода актив­ной щелочи, гидромодуля), должны обеспечивать получение целлюлозы одинаковой степени прова­ра. Этот вывод и служит основой применения iZ-фактора для контроля и управления темпера-турно-временными графиками варки при выработ­ке целлюлозы заданной степени делигнификации.

Для расчета текущего значения //-фактора про­цесса варки необходимо наличие информации о вре­мени нахождения щепы в варочных зонах котла и о распределении температуры по высоте котла.

Время движения щепы по котлу, зависящее от производительности, рассчитывается по уравнени­ям, описывающим поршневое движение столба щепы с учетом коэффициентов его уплотнения по высоте за счет растворения компонентов древеси­ны и увеличения давления выше расположенных слоев щепы. Значения коэффициентов уплотнения обычно определяются экспериментально — путем пропускания через котел меченой радиоактивными изотопами щепы из различных пород древесины и фиксирования скорости ее движения с помощью приемников радиоактивного излучения, устанав­ливаемых в различных точках по высоте котла [109]. В настоящее время для расчета продолжи­тельности пребывания щепы в различных зонах варочных котлов типа Kamur используются спе­циальные программные пакеты моделирования дви­жения щепы. С помощью компьютерных программ рассчитываются силы, действующие на щепу во вре­мя движения, степень уплотнения щепы по высо­те котла, создающая сопротивление прохождению щелока, и время движения щепы в зонах пропит­ки, нагрева, варки, диффузионной промывки и вы­грузки массы из котла. Программы моделирования разработаны корпорациями «Andritz» и «Kvaerner Pulping», поставляющими оборудование и осуще­ствляющими модернизацию варочных котлов Kamur с применением современных технологий варки. С помощью этих программ оцениваются существу­ющие ресурсы варочных котлов по производитель­ности при различной степени делигнификации цел­люлозы и различных условиях их работы и намеча­ются оптимальные пути реконструкции.

Распределение температуры по высоте гидравли­ческого котла подобно графику периодической варки с той лишь разницей, что в зоне пропитки темпера­тура не изменяется и равна измеряемой температуре щелока в загрузочных циркуляциях. В зонах нагре­ва в результате резкого подъема в две стадии темпе­ратура практически изменяется скачком и далее ос­тается постоянной и равной средней температуре щелока на входе и выходе из подогревателей.

В котлах с парожидкостной фазой пропитка щепы осуществляется отдельно в пропиточной ко­лонне и тоже при постоянной температуре. Пред­варительный нагрев щепы в подогревателе при транспортировке ее из пропиточной колонны в ва­рочный котел соответствует ступенчатому подъему температуры. Распределение температуры в паро­вой и жидкой фазах тоже близко к ступенчатому графику. Ввиду измерения температуры только в ограниченных участках варочного котла и практи­чески вне котла истинное распределение темпера­туры по высоте котла не поддается точному конт­ролю. Это вносит погрешность в расчет if-факто-ра. Однако для контроля изменения во времени расчетных значений if-фактора погрешность оцен­ки температурного профиля по высоте котла и не­точность истинного значения /^-фактора не игра­ют существенной роли.

По своей структуре система управления степе­нью делигнификации целлюлозы представляет со­бой комбинированную систему, реализующую прин­ципы управления по возмущению и отклонению. За счет коррекции температуры в подогревателе нижней зоны нагрева гидравлического котла или температуры в паровой фазе и в выравнивающей циркуляции двухсосудного котла разомкнутый кон­тур учитывает и компенсирует измеряемые возму­щения со стороны изменения расхода а. с. целлю­лозы в линии выдувки, а также времени варки при переводе котла на другую производительность. Для устранения неконтролируемых возмущений, пропускаемых системами автоматической стабили­зации времени варки и концентрации щелочи в варочном щелоке, вводится обратная связь по ве­личине степени делигнификации целлюлозы. Пос­ледняя определяется по результатам анализа проб массы, отбираемых периодически заводской лабо­раторией из линии выдувки варочного котла либо измеряется автоматически с помощью оптических анализаторов. По отклонению степени делигнифи­кации целлюлозы от заданного значения рассчи­тывается новое значение if-фактора процесса вар­ки и корректируется задание регуляторам темпе­ратуры в нижней зоне нагрева гидравлического котла либо в паровой фазе двухсосудного варочно­го котла.

Для компенсации вредного влияния транспорт­ного запаздывания объекта на устойчивость уп­равления по обратной связи используется динами­ческая модель движения слоев щепы по рабочему тракту варочной установки, предсказывающая из­менение степени делигнификации целлюлозы от изменения температуры в зоне варки. Структур­ная схема компенсации транспортного запаздыва­ния с использованием модели показана на рис. 1.90. Здесь параллельно объекту с чистым запаздывани­ем т и передаточной функцией W_qq(P) включена его динамическая модель с передаточной функцией W^P) и звеном чистого запаздывания я... Управ­ляющее воздействие u (температура на выходе из подогревателя нижней зоны нагрева гидравличес­кого котла) пропускается одновременно через объект и его модель. Выходы объекта У (степень делигни­фикации целлюлозы) и модели с запаздыванием У_м2 (прогноз степени делигнификации целлюлозы) при этом взаимно компенсируются, а для замыка­ния системы обратной связью используются выход модели У j без запаздывания. Идеальная работа системы достигается, если передаточная функция модели и время чистого запаздывания в точности соответствуют объекту управления. Ввиду прибли­женного соответствия модели реальному объекту предусматривается адаптивная подстройка парамет­ров модели по результатам сравнения действитель-

! Объект ~j

^ny" " L„. J

\ Модель ]

—1| iv^LJ e~^PT> U-ShR)

I

Рис. 1.90. Структурная схема компенсации транспорт­ного запаздывания с использованием модели объекта режим работы варочных котлов, стали применять­ся новые методы управления на основе нечеткой логики. Такие методы используются в АСУ вароч­ными котлами DNA Cook/C корпорации «Metso». Компьютерные программы в составе АСУ содержат логические элементы обнаружения в словесной фор­ме нарушений нормального состояния параметров пропиточной колонны и варочного котла, на осно­ве которых оператором принимаются решения по управлению процессом варки [111, 112].

ных и предсказанных значений степени делигни­фикации целлюлозы. Подстройка значений коэф­фициентов модели обычно производится по крите­рию минимума среднеквадратичной ошибки между выходами объекта и модели с помощью различных теративных методов адаптации. К таким мето-цам, в частности, относятся рекуррентный метод наименьших квадратов и метод стохастической аппроксимации.

Метод компенсации запаздывания с применени­ем модели объекта управления используется так-■ве в системе регулирования уровня щепы в вароч­ном котле [110].

Для управления качеством целлюлозы в послед­нее время стали широко применяться статистичес­кие методы теории случайных процессов. Так, в АСУ варочными котлами фирмы «Honeywell-Measurex» статистические методы используются :я адаптационного контроля производственного процесса с подстраиванием системы управления к изменяющимся неконтролируемым условиям вар­ки целлюлозы. По данным текущих и предыду­щих анализов степени делигнификации целлюло­зы строятся карты статистического контроля ка­чества целлюлозы с использованием временных рядов, предсказывающих тенденцию изменения степени делигнификации целлюлозы. При этом необходимость корректировки температуры варки по статистическому прогнозу изменения степени де­лигнификации целлюлозы проверяется на статис­тическую значимость. Корректировка температуры варки производится, когда изменение степени де­лигнификации значимо отличается от нуля, и только в том случае, если не выявлена прямая причина этого изменения. Все нарушения параметров техно­логического режима варки и работы оборудования варочного котла запоминаются в хронологической последовательности и заносятся в списки. Для уст­ранения наиболее часто встречающихся наруше­ний с помощью статистических методов выявля­ются причины их появления и принимаются соот­ветствующие меры для устранения [104].

В последнее время для оценки и устранения нео­пределенных ситуаций, нарушающих нормальный

Управление расходами щелоков в нагревательных циркуляциях и распределением тепловой нагрузки между зонами нагрева

Для нормальной работы гидравлического вароч­ного котла необходимо поддерживать расходы ще­локов в линиях нагревательных циркуляции в со­ответствии с производительностью котлов так, что­бы количество тепловой энергии, передаваемое цир­кулирующим щелоком массе щепы, проходящей через зоны нагрева, было пропорционально расхо­ду этой массы. Расчет номинальных расходов в нагревательных циркуляциях производится про­граммами управления в зависимости от произво­дительности котла (числа оборотов дозатора щепы в минуту). Кратность циркуляции щелока в зонах нагрева составляет от 5 до 10 в зависимости от состояния подогревателей, т. е. весь щелок, сопро­вождающий щепу при движении ее сверху вниз, проходит 5... 10 раз через подогреватели. При этом разница температур до и после подогревателей обыч­но достигает 5... 10 °С. Чем больше кратность цир­куляции, т. е. чем больше расходы щелоков в на­гревательных циркуляциях, тем меньше темпера­турный перепад на подогревателях, а следователь­но, и более равномерный нагрев щепы по сечению котла. Однако не следует доводить расходы до кри­тического значения, когда возникает опасность присоса щепы к ситам отбора щелока. При крити­ческих расходах щелоков в циркуляциях движе­ние щепы начинает замедляться и может совсем нарушиться с возникновением «зависания».

Процесс присоса щепы к ситам контролируется по изменению перепадов давления на ситах отбора щелока. При включении контуров в режим про­граммного управления в качестве заданий вначале принимаются значения фактических расходов в ли­ниях циркуляции. Затем эти задания постепенно, по линейному закону, доводятся до максимально допустимых значений с непрерывным слежением за изменением перепадов на ситах отбора щелока в подогреватели. Если перепады давления превы­сят предельное значение, то компьютерная програм­ма временно скачком снижает расходы в циркуля-циях, пока перепады не снизятся и не исчезнет нарушение в движении щепы. После восстановле­ния равномерности в движении щепы расходы ще­локов постепенно доводятся до прежних номиналь­ных значений.

Верхняя зона нагрева берет на себя основную нагрузку по нагреву движущейся щепы и должна обеспечивать нормальную работу нижней варочной зоны, предназначенной для нагрева щепы до ко­нечной температуры варки. Однако бывают слу­чаи, когда при изменении параметров греющего пара или при неудовлетворительном состоянии подогре­вателя нижняя зона не справляется с нагревом до заданной температуры. В этом случае клапан регу­лятора подачи пара в подогреватель нижней зоны полностью открывается и регулирование темпера­туры становится невозможным.

Для предотвращения перегруза нижней зоны нагрева предусматривается управление распределе­нием тепловой нагрузки между зонами по степени открытия парового клапана нижней зоны, так, что­бы нижняя зона нагрева всегда имела запас по регулированию температуры. Компьютерная про­грамма непрерывно следит за степенью открытия клапана регулятора температуры. Если положение клапана выходит за установленные пределы, то автоматически корректируется температура в верх­ней зоне нагрева, в результате чего восстанавлива­ются нормальные условия работы нижней зоны. Перераспределение температур между зонами осу­ществляется из условия неизменности общего за­данного if-фактора процесса варки.

Аналогичное управление по распределению теп­ловой нагрузки между предварительным нагревом щепы в линии транспортирующей циркуляции про­питочной колонны и нагревом щепы в паровой фазе предусматривается и для двухсосудного котла. Це­лью такого управления является поддержание ми­нимального расхода пара в верхнюю часть котла без изменения температуры и давления в паровой фазе.

Рассмотренные выше подсистемы стабилизации времени, температуры варки и концентрации щело­чи в варочном щелоке относятся к среднему уровню управления процессом непрерывной варки. Они пред­назначены для обеспечения стабильных режимов работы варочных котлов при постоянной произво­дительности. Все современные АСУ варочными кот­лами имеют в составе программного обеспечения специальные программы верхнего уровня управле­ния качеством целлюлозы при переводе котлов на новую производительность, а также при смене сор­та целлюлозы или породы используемой древеси­ны. Автоматический перевод котлов на другую про­изводительность при изменении сорта целлюлозы и породы древесины осуществляется путем скоорди­нированных во времени изменений параметров тех­нологического процесса в целях обеспечения мини­мально возможных отклонений требуемого качества целлюлозы в переходных режимах.

Управление изменением производительности варочных котлов

Обычно предусматривается два варианта изме­нения производительности варочных котлов:

1) нормальное или запланированное; 2) аварийное.

При запланированном заранее переводе котла на новую производительность есть возможность изме­нять производительность плавно, по выбранному графику, с упреждающими изменениями некоторых параметров варки (например, расхода белого щелока с его форсировкой или температуры в зоне варки), тем самым сохранив неизменным качество целлюло­зы в переходном режиме. Аварийное изменение вы­полняется с целью максимально быстрого перевода котла на другую производительность с неизбежными при этом нарушениями качества целлюлозы.

Любое изменение производительности варочного котла приводит к изменению времени пребывания щепы в зонах пропитки, нагрева и варки. При уве­личении производительности щепа начинает переме­щаться быстрее через зону варки и для того, чтобы обеспечить прежнюю степень делигнификации цел­люлозы, температура варки должна быть увеличена. При уменьшении производительности температуру варки необходимо понизить. Естественно, что и пла­новое изменение производительности желательно за­кончить как можно быстрее. Однако ввиду того, что главным требованием к такой процедуре изменения является сохранение заданных показателей каче­ства вырабатываемой целлюлозы, изменение пара­метров процесса не должно быть начато одновремен­но всеми контурами регулирования. Это объясняет­ся тем, что для той части столба щепы в котле, которая в момент начала изменения производитель­ности поступает в зону варки и находится в ней, температура варки уже была задана и остается пре­жней. Поэтому продолжительность варки этой час­ти щепы в котле должна быть сохранена такой же, как и при старой производительности. Таким обра­зом, чтобы не изменить качество целлюлозы из рас­сматриваемой части столба щепы в переходном ре­жиме, изменение скорости дозатора щепы и расхо­да выдуваемой массы должно быть задержано на промежуток времени, равный продолжительности пребывания этой части столба щепы в зоне варки при старой производительности. На рис. 1.91 пока­заны графики изменения параметров для частного случая увеличения производительности гидравли­ческого варочного котла. Процедура планового из­

менения производительности выполняется в два эта­па. На первом этапе рассчитывается ожидаемое вре­мя варки слоев щепы, которые будут находиться в зоне варки в момент изменения производительно­сти. В соответствии с прогнозом времени варки за­ранее, до момента собственно изменения произво­дительности, осуществляется постепенное, упреж­дающее изменение температуры в нижней зоне на­грева котла. На втором этапе после расчетного времени задержки выполняется затребованное из­менение скорости дозаторов щепы и расхода выду­ваемой массы по линейному закону, а температура в нижней зоне нагрева доводится до нового требуе­мого значения. Новое значение температуры рас­считывается из условия сохранения неизменным зна­чения Н-фактора процесса варки.

Выбор линейного графика изменения производи­тельности обусловлен тем, что он не вызывает су­щественных изменений процесса движения щепы и жидкости в котле в переходном режиме. Кроме того, математические уравнения, используемые для рас­чета графиков изменения скорости вращения доза­торов щепы, времени варки и температуры, имеют наиболее простой вид, что не создает трудности при программировании алгоритмов расчета [113].

По мере изменения скорости вращения дозато­ров щепы и расхода выдуваемой массы программа управления изменяет задания соответствующим кон­турам регулирования расходов белого и черного щелоков, температуры в верхней зоне нагрева, рас­ходов щелоков в нагревательных циркуляциях, от­бора щелока в испарительные циклоны. Координи­руя изменение параметров технологического режи­ма с учетом длительности переходного процесса по времени варки, АСУТП обеспечивает перевод котла на новую производительность с минимальными от­клонениями качества вырабатываемой целлюлозы.

Изменение степени делигнификации целлюло­зы в переходном режиме при переводе котла на новую производительность зависит от изменения производительности. При небольших изменениях производительности (в пределах 10 % от исход­ной) отклонения степени делигнификации целлю­лозы в переходном режиме невелики. Поэтому здесь нет смысла удлинять операцию смены производи­тельности котла. Изменение всех параметров про­цесса можно начинать одновременно с изменением скорости вращения дозатора щепы.

Длительность операции можно существенно со­кратить и при больших изменениях производитель­ности, если задать допустимое отклонение степени делигнификации целлюлозы в переходном режиме. Для сокращения длительности процедуры планово­го изменения производительности решается задача оптимизации наискорейшего начала изменения ско­рости вращения дозатора щепы после начала изме­нения температуры в нижней зоне нагрева котла. Решение задачи сводится к нахождению времени варки в переходном режиме по допустимому откло­нению степени делигнификации целлюлозы, при котором без упреждающей коррекции температуры в нижней зоне нагрева степень делигнификации цел­люлозы не выйдет за допустимые пределы. На ве­личину этого времени уменьшается продолжитель­ность первого этапа процедуры планового измене­ния производительности, что существенно сокращает и длительность процедуры в целом [113].

При аварийном изменении производительности варочного котла изменение температуры в зоне вар­ки, скорости вращения дозаторов щепы и прочих параметров технологического режима начинаются одновременно. Число оборотов дозатора щепы с исходного значения до нового изменяется также по линейному закону, но с большой скоростью, или скачком. Это необходимо для быстрого пере­вода котла на новую производительность. При ава­рийном переводе, сопровождаемом, как правило, большим изменением производительности, сохра­

нить заданную степень делигнификации целлюло­зы в переходном режиме не представляется воз­можным. Поэтому данной процедурой изменения производительности пользуются только в случаях крайней необходимости.

В качестве примера на рис. 1.92 приведен один из вариантов графиков координированного изме­нения параметров технологического режима варки при повышении производительности двухсосудно­го варочного котла с парожидкостной фазой кар-тонно-бумажного производства ОАО «Котласский ЦБК», реализуемого системой управления.

Управление изменением сорта целлюлозы и породы древесины

Целью операции изменения сорта целлюлозы и породы древесины является автоматический пере­вод варочного котла на выработку целлюлозы но­вого качества с минимально возможным количе­ством некондиционной продукции в процессе изме­нения параметров технологического режима. Для изменения степени делигнификации целлюлозы и при использовании другой породы древесины (хвой­ной или лиственной) необходимо изменить дози­ровку щелочи и жидкости, концентрацию щелочи после стадии пропитки щепы, температуру в зоне варки, фактор разбавления в зоне диффузионной промывки и ряд других параметров технологичес­кого режима. Параметры технологического режи­ма, требуемые для получения нового сорта целлю­лозы или при смене породы древесины, обычно хра­нятся в оперативной памяти системы управления.

После запуска оператором процедуры изменения качества целлюлозы программа управления начи­нает суммировать объем щепы, подаваемый доза­тором в варочный котел. Суммирование объема щепы позволяет следить за прохождением грани­цы раздела старого и нового сортов целлюлозы че­рез варочный котел — от бункера щепы до линии выдувки. По мере прохождения границы раздела определенных точек варочного котла система уп­равления осуществляет постепенный переход к но­вым требуемым параметрам технологического ре­жима варки. Например, когда фронт раздела дос­тигает дозатора щепы, работающего с прежней ско­ростью вращения, изменяются расходы белого и черного щелоков в соответствии с заданным расхо­дом активной щелочи и значением гидромодуля для нового сорта целлюлозы или породы древесины. При достижении границы зон нагрева котла изме­няются температура предварительного нагрева щепы и конечная температура варки. Если фронт раздела достиг зоны экстракции щелока в испарительные циклоны, изменяется задание по фактору разбав­ления. После того как граница раздела достигает линии выдувки, система управления устанавлива­ет новую величину задания подсистеме стабилиза­ции концентрации выдуваемой массы. При этом переход к новому качеству вырабатываемой цел­люлозы считается завершенным.

Изменение породы используемой древесины мо­жет существенно повлиять на распределение плот­ности столба щепы по высоте котла, изменить вы­ход целлюлозы по варке. Это приведет к изменению производительности, уровня щепы в пропиточной колонне, уровней щепы и жидкости в варочном кот­ле. Изменения уровней будут автоматически устра­нены соответствующими подсистемами стабилизации. Однако производительность котла после завершения перехода к новому качеству целлюлозы может суще­ственно отличаться от прежней. Чтобы возвратить производительность котла к прежней величине, опе­ратором запускается процедура планового изменения производительности до желаемого значения.

Движение фронта раздела между различными породами древесины и качеством целлюлозы отра­жается в графическом виде на экране монитора операторской станции. Предоставление этой инфор­мации оператору позволяет легко контролировать во времени процесс смены сорта целлюлозы и по­род древесины.