HỆ ĐIỀU KHIỂN SẤY TRONG XEO GIẤY

Điều khiển số, báo cáo, thí nghiệm, báo cáo điều khiển số, TN điều khiển số

CHƯƠNG 2

HỆ ĐIỀU KHIỂN SẤY TRONG XEO GIẤY

Độ ẩm của tờ giấy là một thông số rất quan trọng quyết định đến sự vận hành trơn chu của quá trình xeo giấy, nếu độ ẩm không được điều khiển một cách hợp lý giấy sẽ bị đứt làm quá trình sản xuất giấy bị ngắt quãng gây ảnh hưởng đến năng suất Đồng thời nó là một trong những tiêu chí để đánh giá chất lượng giấy Giá trị độ ẩm của tờ giấy được quyết định trong nhà máy xeo giấy mà quan trọng nhất là công đoạn sấy trong buồng sấy Tính từ đầu xeo đến cuối xeo thì độ ẩm của giấy giảm dần và độ khô của giấy tăng dần, sau công đoạn hình thành tờ giấy độ ẩm còn khoảng 80% (độ khô khoảng 20%) Tiếp đó tờ giấy đi qua công đoạn ép ướt độ khô đạt khoảng 40%, từ đây tờ giấy được đưa vào hệ thống sấy Tại đây tờ giấy được sấy khô và độ khô ổn định đạt khoảng 93 – 94% Rồi từ đó tờ giấy được đưa tới các công đoạn cuối cùng để cho ra giấy thành phẩm Vì vậy có thể nói công đoạn sấy đóng vai trò quan trọng nhất quyết định đến độ ẩm của tờ giấy và độ ẩm của tờ giấy cũng được điều chỉnh chính tại buồng sấy

2.1 Vai trò của khâu sấy giấy

Trong một nhà máy giấy thì phân xưởng xeo đóng vai trò quan trọng hơn cả, chức năng chính của nó là sản xuất ra các cuộn giấy thành phẩm từ bột giấy Trong đó khâu sấy giấy là một thành phẩm có ảnh hưởng nhiều nhất tới chất lượng của tờ giấy nhiệm vụ chính của khâu sấy là định hình kích cỡ khổ giấy và làm bay hơi phần lớn lượng nước tồn tại trong giấy để đạt độ khô yêu cầu

Nguyên lý cơ bản của quá trình sản xuất giấy là quá trình loại hơi nước khỏi bột bằng việc ép, ra nhiệt Tại phần đẩu của dây chuyền xeo hay bột sau khi được phun lên lưới hình thành bởi hệ thống môi phun thì độ ẩm chiếm tới 99%, trong khi đó

ở cuối dây chuyền độ ẩm của giấy chỉ còn lại khoảng 4,5 – 8% trọng lượng của tấm giấy Quá trình sản xuất giấy trong phân xưởng xeo được mô tả như hình vẽ sau:

Hình 7: Quá trình sấy trong phân xưởng xeo

được loại bỏ từ độ ẩm khoảng 60% xuống khoảng 5% Từ đó giấy thành phẩm được đưa tới ép quang và cuộn lại

Hình 8: Ba khâu trong sản xuất giấy phân xưởng xeo Với mỗi loại nhà máy, việc đầu tư một phân xưởng xeo mới đòi hỏi phải có một số vốn rất lớn Vì vậy việc tang hiệu quả sản xuất và năng xuất là một yếu tố quan trọng

để thực hiện thu hổi vốn nhanh và phát huy hiệu quả trong sản xuất kinh doanh Một trong những yếu tố quan trọng mà người ta quan tâm đến khi đánh giá chất lượng sản xuất giấy là ước lượng nước có trong giấy ( Độ ẩm của tờ giấy thành phẩm) Và hệ thống điều khiển khâu sấy đóng vai trò quan trọng trong việc điều khiển độ ẩm nhằm nâng cao chất lượng cũng như lợi nhuận của nhà máy bời lý do sau:

- Sự biến đổi về độ ẩm của tờ giấy trong quá trình sản xuất giấy có thể ảnh hưởng bất lợi đến các khâu xử lý khác trong dây chuyền như: khâu cán, các dây chuyền chuyển đổi hoặc đóng gói … Vì vậy trong quá trình sản xuất độ ẩm của tờ giấy được đo và giám sát online, các sản phẩm được kiểm soát lỗi sẽ được loại bỏ nếu vượt quá các giới hạn xác định Độ ẩm của cuộn giấy có giá trị ổn định và đồng đều sẽ đảm bảo tỷ lệ phế phẩm ít và đạt năng suất cao trong sản xuất cũng như quá trình sản xuất diễn ra trơn chu

- Trong sản xuất độ khô của tờ giấy thường đạt 90 – 95%, với độ khô này theo góc độ kỹ thuật, tờ giấy sẽ đạt tiêu chuẩn để đảm bảo khi in, khi viết không bị nhòe hay loang mực mặt khác thì với độ khô này thì liên kết bề mặt của tờ giấy sẽ đảm bảo được độ bền và dai thích hợp Nếu độ khô lớn hơn hoặc nhỏ hơn giá trị này qua thì tờ giấy sẽ dễ bị đứt bởi khô quá hoặc ẩm quá Xét về mặt kinh tế thì khi hệ thống làm việc ổn định, có thể nâng độ ẩm của tờ giấy lên tới giá trị mong muốn mà không làm ảnh hưởng đến các đặc tình kỹ thuật của giấy thành phẩm Việc này đem lại hiệu quả kinh tế rất lớn thể hiện qua hai khía cạnh sau: Thứ nhất trong trường hợp sản phẩm được bán theo khối lượng, do vậy việc tăng độ ẩm đòng nghĩa với việc nhà máy bán nước với giá thành cao Thứ hai là việc tăng độ ẩm sẽ tiết kiệm được năng lượng hơi đưa vào sấy giấy Do vậy, trong thực tế sản xuất để đảm bảo cả về mặt kỹ thuật và kinh tế, người ta cố gắng điều khiển một cách thích hợp khâu sấy để đảm bảo độ ẩm của giấy thành phẩm trong khoảng 7 – 8% tùy theo chất lượng bột

-Một giải pháp khác để tăng năng suất là tăng tốc độ chạy máy Mà cụ thể ở đây

để nâng cao sản lượng giấy thành phẩm người ta thường nâng cao tốc độ truyền động nhằm tăng tốc độ ra giấy Vấn đề này chỉ có thể đạt được khi công suất của hệ thống sấy đáp ứng được nhu cầu.Nó chính là nút thắt cổ chai trong việc nâng cao sản lượng giấy thành phẩm ở các nhà máy giấy Khi đó khâu sấy sẽ trở thành vấn đề quan trọng cần giải quyết nhằm kiểm soát được độ ẩm của tờ giấy trong giới hạn khi tăng tốc độ chạy máy Nghĩa là đảm bảo điều khiển được độ ẩm ở tốc độ cao mà vẫn đảm bảo nhu cầu hơi cấp không ở áp suất cao nhất

Vòng điều khiển độ ẩm đã gián tiếp tham gia làm đứt giấy bởi áp suất hơi sấy trong các nhóm lô sấy Bởi một vấn đề thường xảy ra là lô sấy sẽ bị nóng quá nhiệt khi mà không còn giấy lạnh bao quanh nó nữa (lúc đứt giấy) Do đso khi bắt giấy trở lại nó sẽ gây ra sự cố vì vậy cần có hệ thống kiểm soát tối ưu hơi sấy trong quá trình đứt giấy tại buồng sấy

Nhiều đặc tính đánh giá chất lượng của tờ giấy phụ thược vào độ ẩm của tờ giấy như: độ dai, tính co giãn, độ bền chắc và độ cứng

2.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của khâu sấy

Cách phổ biến nhất để làm bay hơi nước khỏi lướt sấy là sử dụng nhiệt từ hơi quá nhiệt đưa vào trong các lô sấy Một bộ gồm các lô sấy chứa đầy hơi quá nhiệt là một phương pháp hiệu quả để truyền nhiệt vào tờ giấy Năng lượng hơi đã được chứng minh có hiệu quả kinh tế hơn bất kỳ phương pháp nào khác Hơn nữa đây là phương pháp truyền nhiệt ít độc hại và dễ dàng vận chuyển với công suất nhiệt cao Vì hầu hết nhiệt năng dạng hơi được lưu dưới dạng nhiệt ẩn, lượng lớn của nhiệt được truyền đi hiệu quả ở nhiệt độ không đổi, đây là một đặc tính hữu ích trong việc sấy giấy cũng như nhiều ứng dụng truyền nhiệt khác Ngoài ra dạng năng lượng này còn dung cho việc quay tuabin động cơ thủy lực và ứng dụng trong nhà máy nhiệt điện mà

ở nhà máy giấy Bãi Bằng cũng được trang bị

Khâu sấy được đặt trong buồng sấy của mỗi dây chuyền xeo và được đóng kín cách ly với môi trường bên ngoài về cơ bản như hình sau:

2.2.1 Cấu hình khâu sấy trong phân xưởng xeo

Khâu sấy là một buồng sấy dài cỡ hàng chục đến hàng trăm mét tùy thuộc vào công suất yêu cầu của máy xeo giấy Trong buồng sấy chứa hàng loạt lô sấy được sắp xếp xen kẽ nhau và thường thành hai tầng lô trên và dưới Các lô sấy này lại được phân thành các nhóm sấy khác nhau tùy thuộc vào áp suất hơi đưa vào lô sấy trong quá trình làm việc

Khi hơi được đưa vào lô sấy, nó truyền nhiệt năng tới vỏ lô sấy để sấy giấy đồng thời chuyển thành nước ngưng Nước ngưng sau đó được thu hồi bởi các ống xiphong và đưa quay trở về nồi hơi Việc thu hồi nước ngưng hiệu quả đóng vai trò quan trọng trong quá trình truyền nhiệt của lô sấy Vì vậy cần yêu cầu để một phần hơi quá nhiệt đi qua các xiphong cùng với nước ngưng để tăng hiệu suất truyền nhiệt cũng như tăng hiệu quả đẩy nước ngưng, không khí hoặc các khí không thể ngưng tụ

ra khỏi các lô sấy

Ở máy tốc độ thấp(<300 – 400m/ph) nước ngưng tạo thành một lớp ở dưới đáy của lô sấy Các loại máy đời cũ thường có nhược điểm này Khi tốc độ máy nâng cao, nước ngưng bắt đầu bám theo thành lô sấy phía bên trong và hình thành một lớp nước ngưng dọc theo chu vi của lô sấy Điều này gây ra một ảnh hưởng tức thời là giảm tải đưa vào lô sấy Nếu tốc độ qua của lô sấy chậm lại thì lớp nước ngưng quanh chu vi bên trong của lô sấy sẽ bị phá vỡ

Vì lý do trên mà hầu hết các lô sấy trong một máy sấy hiện đại có các thanh sấy bên trong các lô sấy Chúng còn có tên gọi khác là các thanh khuấy Điều này tạo ra

sự truyền nhiệt từ hơi quá nhiệt vào thành lô sấy tốt hơn bởi chúng khuấy đều nước ngưng trong lô sấy

Để hỗ trợ và đẩy tấm giấy di chuyển qua khu vực sấy, người ta sử dụng các cơ cấu làm khô Cơ cấu này cũng dung để ép tờ giấy vào bề mặt lô sấy làm tăng hiệu quả truyền nhiệt Cơ cấu này được dệt bằng các sợi tổng hợp và không hấp thụ nước(còn gọi là bạt tổng hợp) Nước chứa trong tấm giấy sẽ được loại bỏ trực tiếp bằng việc bay hơi qua tấm sợi tổng hợp này vào không khí

Hiện nay trong các máy sấy có hia kiểu bố trí đó là loại đơn và loại kép, chúng khác nhau ở cơ cấu bạt dẫn tổng hợp:

- Cấu hình loại kép là loại cũ hơn như trong hình vẽ dưới, trong cấu hình này có hai tấm bạt tổng hợp Một tấm sử dụng cho các lô sấy trên, tấm còn lại sử dụng cho các lô sấy phía dưới để hỗ trợ ép tấm giấy sát vào bề mặt các lô sấy Nhược điểm cảu cấu hình này là khi tấm giấy chuyển từ lô trên xuống lô dưới thì không có tầm bạt tổng hợp đỡ nên thường gây ra sự cố đứt và nhăn giấy

Hình 10: Cấu hình lô sấy kép -Để khắc phục nhược điểm trên ở máy tốc độ cao cấu hình đơn được đưa vào sản

xuất Cấu hình này sử dụng một tấm bạt tổng hợp để hỗ trợ dẫn giấy cho cả lô phía

trên và phía dưới cũng như khi giấy di chuyển giữa các lô Cấu hình đơn được minh

họa như sau:

Hình 11: cấu hình lô sấy đơn Trong buồng sấy trước khi tờ giấy ra khỏi phần sấy sau thì tờ giấy được đi qua

hai lô lạnh (lô có nhiệt độ thấp) với mục đích giảm nhiệt độ, sự cong vênh của tờ giấy

và giảm sự tích điện trong tấm giấy khi ra môi trường ngoài

Hình 12: Hai lô sấy lạnh ở nhóm sấy cuối cùng

2.2.2 Hệ thống cấp hơi và xử lý nước ngưng trong khâu sấy

Nhiệm vụ của hệ thống cấp hơi và xử lý nước ngưng là cung cấp đủ lượng hơi quá nhiệt cần thiết vào các lô sấy giấy và xử lý loại bỏ nước ngưng từ hơi quá nhiệt Trong buồng sấy các lô sấy được chia thành các nhóm sấy khác nhau tùy thuộc vào áp suất hơi yêu cầu, thông thường có từ năm đến mười nhóm trong một buồng sấy Áp suất hơi ở mỗi nhóm khác nhau được điều khiển riêng rẽ để đạt được các giá trị mong muốn Hơi nước trong các lô sấy có thể coi như là hơi bão hòa vì luôn có quá trình ngưng xảy ra trên thành lô sấy, do đó có sự tương quan giữa áp suất hơi và nhiệt độ hơi Trong thực tế áp suất hơi tỷ lệ với dung lượng sấy, tức là áp suất hơi được tăng dần dần lên tùy theo nhu cầu sấy

Một phương pháp đơn giản là người ta sử dụng hơi cấp thẳng tới các nhóm lô sấy khác nhau, sau đó đi tới phần nước ngưng như mô tả trong hình dưới Tuy nhiên đây

là phương pháp đem lại ít hiệu quả

Hình 13: Sơ đồ một nhóm máy sấy bao gồm 6 xi-lanh và một máy đo điều khiển áp

suất chung

Trong thực tế, các nhóm lô sấy làm việc với áp suất khác nhau có thể được bố trí theo hệ thống phân tầng ( cascade ), đây là cách bố trí hiệu quả để có thế tận dụng được năng lượng hơi sấy Trong cấu hình này hơi sấy sau khi sử dụng ở trong nhóm

có áp suất hơi làm việc cao được đưa tới sử dụng lại ở nhóm sấy có áp suất hơi làm việc thấp hơn

Hình 14: Bố trí nhóm hai nhóm sấy theo kiểu Cascade Hình trên mô tả hệ sấy bao gồm hai nhóm sấy: nhóm A và nhóm B Trong đó nhóm sấy A hoạt động ở áp suất hơi cao hơn nhóm B, do đó hơi đi qua nhóm sấy A và hơi thứ trong Tank A được dẫn tới các lô sấy của nhóm B Bộ điều chỉnh áp suất hơi PC2 sẽ điều chỉnh van hơi để hơi chính và hơi thứ kết hợp với nhau nhằm đạt được áp suất hơi mong muốn đi vào nhóm sấy B Như vậy để làm được điều này thì phải có sự khác nhau về áp suất hơi giữa hai nhóm sấy để hơi thứ có thể đi qua van PDC, sự khác nhau này phụ thuộc vào điểm làm việc và cấu tạo của máy sấy Sự chênh áp giữa đầu vào và đầu ra của nhóm sấy A được giám sát bằng bộ điều khiển PDC để đảm bảo quá trình ngưng hơi xảy ra Ở đây nhóm B là nhóm có áp suất hơi làm việc thấp nhất nên Tank B chỉ có nhiệm vụ dẫn nước ngưng về bình ngưng, để thực hiện điều này thì áp suất trong bình ngưng phải thấp hơn áp suất trong TankB

Từ phân tích trên ta có thể thấy một nhược điểm của hệ này là phát sinh đầu nối giữa hai vòng điều khiển khác nhau, nó tạo ra nhiễu cho toàn hệ thống Trên thực tế, việc sử dụng lại nguyên liệu đem lại một số ảnh hưởng tới đặc tính động học của hệ thống và trong hầu hết các trương hợp nó tạo ra tín hiệu phản hồi dương Nhưng vì lý

do tiết kiệm năng lượng nên thực tế cấu trúc Cascade vẫn làm giải pháp thường được

sử dụng

Nhằm khắc phục nhược điểm cảu cấu hình Cascade trên, trong thực tế người ta

sử dụng them bộ nén hơi Bộ nén hơi này có nhiệm vụ làm ổn định áp suất hơi đưa vào các lô sấy cùng nhóm Bằng cách này hơi thứ được chuyển tới một nhóm lô sấy là độc lập và không bị ảnh hưởng từ nhóm lô khác Cấu hình được mô tả như sau:

Hình 15: Hệ sấy sử dụng bộ nén mới

Bộ điều khiển áp suất PC sử dụng hơi cấp quay vòng từ bộ nén hơi nhưng nó cũng có khả năng sử dụng hơi từ lò hơi để cấp trực tiếp cho các nhóm lô sấy khi cần thiết Theo cách tương tự như vậy, bộ điều khiển PDC dẫn hơi thứ thoát ra sau các lô hoặc dẫn tới bộ nén hơi hoặc dẫn tới bộ phận ngưng hơi như khi đứt giấy hoặc nhu cầu làm khô giảm

Ngoại hai bộ điều khiển áp suất PC và PDC nêu trên, trong hệ điều khiển hơi cấp và ngưng còn có hàng loạt các bộ điều khiển mức LC thực hiện duy trì mức nước ngưng không đổi theo yêu cầu công nghệ trong các bình ngưng chứa nước và hơi sau khi đi ra khỏi lô sấy Các bộ điều khiển mức LC này đều hoạt động độc lập và không ảnh hưởng trực tiếp tới quá trình điều khiển độ ẩm của giấy Từ đó ta có sơ đồ tổng quan hệ thống cấp hơi và ngưng được mô tả trên như sau:

2.3 Vòng điều khiển độ ẩm của tờ giấy

Để điều khiển một biến quá trình cần quan tâm nào đó ta cần phải đo lường được hay ước lượng được giá trị tham số đó Ở đây các thông số đánh giá chất lượng của tờ giấy như khối lượng cơ bản, độ ẩm, độ dày, độ trọ, hướng sợi, màu sắc và độ sáng … được đo Online trên dây chuyền Hệ thống điều khiển chất lượng (QCS) được chia thành hai phần: Hệ điều khiển dọc máy MD và hệ điều khiển ngang máy CD Trong thực tế để đo các tín hiệu phục vụ cho điều khiển MD và CD là dung các cảm biến đơn gắn trên thiết bị đo (scanner platform) Mục đích của việc đo lường này là nhằm điều khiển nó Cơ học ngày nay để điều khiển sự thay đổi độ ẩm dọc theo dây chuyền là áp suất hơi sấy

Hình 17: Máy quét di chuyển cảm biến đo

Hình 18: Con đường của cảm biến quét Các mũi tên lớn là trong sự chỉ đạo tốc độ của

máy tính

Như đã trình bày ở trên trước độ ẩm của tờ giấy được điều khiển thông qua áp suất hơi trong các lô sấy Bộ phận sấy được chia thành các nhóm điều khiển khác nhau nhằm điều khiển một thông số đầu ra là lượng nước có trong giấy, do vậy đây là hệ Multi-input-single-output (MISO) Tức là hệ có nhiều biến điều khiển nhằm đạt giá trị mong muốn của cảm biến được điều khiển ( độ ẩm ) Theo như trình bày ở trên thì điều này được giải quyết bằng cách cho phép các bộ điều chỉnh áp suất hơi bám theo

ra với các máy có chất lượng điều khiển cao bố trí tới hai máy Scaner để đảm bảo chất lượng điều khiển cao hơn ( một máy đặt giữa các nhóm lô sấy một máy đặt ở cuối quá trình sấy ) Giá trị đo ở vị trí giữa đôi khi còn được dung cho điều khiển feedforward

để nâng cao chất lượng điều khiển hệ thống

Hình 19: Hệ sấy sử dụng một máy Scanner Trong các nhóm lô sấy sẽ có một nhóm lô sấy làm việc với áp suất hơi lớn nhất

và nhận được tín hiệu điều khiển độ ẩm từ bộ điều khiển độ ẩm của tờ giấy Giá trị đặt của các nhóm khác được tính từ giá trị đặt của nhóm có áp suất lớn nhất Chúng được tính theo tỷ số hoặc theo sai lệch như hình minh họa sau:

Việc tính toán giá trị đặt được thực hiện thông qua hàm tổng quát sau:

Với: r: giá trị đặt từ bộ điều khiển độ ẩm

: hệ số tỷ lệ ( = 1 khi ≤0 ; 0 < ≤ 1 khi = 0) n: chỉ số thể hiện số nhóm

Công thức này có thể dung để đặt áp suất sai lệch giữa các nhóm Cụ thể điểm đặt của bộ điều khiển độ ẩm được phân bố tới các bộ điều khiển áp suất như sau: