CN111926606A - 造纸机干燥部能效的一种在线监测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了造纸机干燥部能效的一种在线监测方法，该方法通过干燥过程中的物料和能量守恒，建立以干燥部监测部位的纸张温度(Tp)和湿度(u)、监测部位处袋区空气的温度(Ta)和湿度(AHa)为未知量的四元偏微分方程组过程模型，然后以实际造纸干燥生产过程中容易实时采集的过程数据作为已知量、初值及边界条件，通过求解本发明建立的四元偏微分方程组过程模型，获得造纸干燥部关键工艺参数的实时数据，进而计算获得造纸机干燥部能效，实现了对纸张干燥过程的能效在线监测，避免了“黑箱”操作，可以准确的掌握造纸机干燥部的运行状况，对指导生产调节，实现节能减排具有重要意义。
Description
技术领域
本发明涉及造纸机干燥部能效的一种在线监测方法，属于造纸工业技术领域。
背景技术
造纸是能耗密集型产业，属世界四大高能耗产业之一。在我国，造纸工业能耗居轻工业能耗之首，节能任务十分迫切。干燥部是造纸机能耗最高的工序，约占造纸机总能耗的60％，是造纸行业节能工作的重点。干燥部是一个涉及多物料(蒸汽、空气、纸张等)、多过程(传热过程和传质过程)相互耦合的复杂***，复杂的机理以至于需要对其运行状态实行全面监控才能更好的帮助企业实现更高效的生产管理。
企业现有的信息***对干燥部只能实现部分监测功能，如DCS(DistributedControl System，集散控制***)能监测干燥部蒸汽状态、气罩通排风状态等信息；QCS(Quality Control System，质量控制***)能监测纸张离开干燥部时的定量和水分信息。以上***对纸张在干燥部运行过程中的每个烘缸的烘缸表面温度、烘缸出口处纸张温度和湿度、烘缸袋区空气温度和湿度等工艺人员关心的关键工艺参数，以及烘缸出力、干燥部蒸汽单耗、干燥部热效率、通风与余热回收子***电单耗、通风与余热回收子***热回收效率等管理人员最关心的干燥能力和能源效率指标都没有监测。主要原因有两个：(1)纸张在干燥部干燥是一个在高温、高湿环境下的连续高速运动过程，有些参数的测量比较困难，传感器价格也相当昂贵；(2)干燥部是一个相对紧凑的***，受安装空间的限制，有些参数也没有测量。
因此，干燥部纸张干燥过程在行业内常常被称为“黑箱”过程，生产调节全凭人的经验，其能效水平普遍偏低，有较大的节能潜力。干燥部的干燥过程是通过干燥部烘缸实现的，因此实现对造纸机干燥部能效的在线监测，能让“黑箱”变得可见，对指导生产调节，实现节能减排具有重要意义。
发明内容
为解决造纸机干燥部纸张干燥过程中难以在线监测的问题，本发明的目的是提供造纸机干燥部能效的一种在线监测方法。
本发明为解决上述技术问题，采用如下技术方案：
造纸机干燥部能效的一种在线监测方法，包括如下步骤：
(1)实时在线采集造纸机车速(V)、成纸定量(BWo)、成纸水份(Wo)，实时在线采集干燥部进口处纸张的湿度(u0)和温度(Tp,0)，实时在线采集通风与余热回收子***每个烘缸的送风风量(ma,sup,i)、送风温度(Ta,sup,i)及送风空气湿度(AHa,atm,i)数据，实时在线采集蒸汽冷凝水子***每个烘缸的蒸汽压力(Ps,i)数据，实时在线采集蒸汽-冷凝水子***单位时间消耗的蒸汽量
和消耗蒸汽的焓(Hs,SCS)数据，实时在线采集通风与余热回收子***中空气加热模块单位时间消耗的蒸汽量
和消耗蒸汽的焓(Hs,AH)数据，其中i表示烘缸编号；
(2)以纸张在干燥部干燥过程中的物料和能量守恒为基础，建立过程模型，所述的过程模型为以纸张温度(Tp)和湿度(u)、袋区空气的温度(Ta)和湿度(AHa)为未知量和以步骤(1)中采集到的数据为已知量的四元偏微分方程组，通过求解方程组，实现对干燥部每个烘缸关键工艺参数烘缸出口处的纸张温度(Tp,i)和湿度(ui)、烘缸袋区空气的温度(Ta,i)和湿度(AHa,i)的在线实时监测，其中i表示烘缸编号；
(3)利用下述公式：
Tc,i＝{Ts,i/[(1/αs-c)+(dc,i/kc,i)]+θihc-pTp,i+(1-θi)hc-aTa,i}/{1/[(1/αs-c)+(dc,i/kc,i)]+θihc-p+(1-θi)hc-a} (1)
Tc,i＝[θihc-pTp,i+(1-θi)hc-aTa,i]/[θihc-p+(1-θi)hc-a] (2)
计算获得每个烘缸表面温度(Tc,i)，式(1)为加热烘缸的计算公式，式(2)为不加热烘缸的计算公式，实现对干燥部每个烘缸关键工艺参数烘缸表面温度的在线实时监测，
其中，Ts,i表示烘缸内蒸汽温度，用式Ts,i＝[3816.44/(23.1934-lnPi)]-227.03计算，
式中，其中i表示烘缸编号，θi表示编号为i的烘缸包角系数，αs-c表示冷凝传热系数，dc,i表示编号为i的烘缸壁厚，kc,i表示编号为i的烘缸壁热导率，hc-p表示烘缸与纸张间的接触传热系数，hc-a表示烘缸与袋区空气间的对流传热系数，Ta,i表示编号为i的烘缸袋区空气温度，Tp,i表示编号为i的烘缸处纸张温度；
(4)利用下述公式：
RCN,i＝60·V·BW0·(1-W0/100)·(ui-1-ui)/(θiπDc,i)
计算获得每个烘缸的烘缸出力RCN,i，实现对干燥部每个烘缸的烘缸出力指标的在线实时监测，
式中，N表示烘缸个数，i表示烘缸编号，Dc,i表示第i个烘缸的直径，θi表示编号为i的烘缸包角系数；
(5)利用下述公式：
计算获得干燥部蒸汽单耗SSCp，实现对干燥部蒸汽单耗的在线实时监测，式中，B表示纸机幅宽；
(6)利用下述公式：
计算获得编号为i的烘缸水分蒸发的平均蒸发热ΔHev,i，
其中，
(7)利用下述公式：
计算获得干燥部热效率HEE，实现对干燥部热效率的在线实时监测，
式中，N表示烘缸个数，i表示烘缸编号，Dc,i表示编号为i的烘缸直径，θi表示编号为i的烘缸包角系数。
所述的四元偏微分方程组过程模型如下：
dTa/dt＝[Rs+Δ2hp-a(Tp-Ta)+Δ1·Kp-amev,a(ΔHev-CvTa-γ0)/Rv]·[LyV(1+AHa)]/[60εma,sup(Ca+CvAHa)]
其中，mev,a＝{exp[23.1934-3819.44/(Tp+227.03)]·[1-exp(-47.58u1.877-0.10085Tpu1.0585)]-exp[23.1934-3819.44/(Ta+227.03)]}/(Ta+273.15)，ΔHev＝46.544292·u1.0585·(Tp+273.15)2·{1/[1-exp(-47.58u1.877-0.10085Tpu1.0585)]-1}+(2504.7-2.4789Tp)·103；
Δ1和Δ2为与干燥面有关的系数，若监测点处的干燥面由烘缸-纸张-干网-空气组成则Δ1＝FRF、Δ2＝1，若监测点处的干燥面由烘缸-干网-纸张-空气或烘缸-纸张-空气组成则Δ1＝1、Δ2＝1，若监测点处的干燥面由空气-纸张-干网-空气组成则Δ1＝1+FRF、Δ2＝2，若监测点处的干燥面由空气-纸张-空气组成则Δ1＝2、Δ2＝2，FRF表示干网影响因子；Rp和Rs为与供热有关的系数，当纸张直接接受来自蒸汽提供的热量时Rp＝hs-p(3816.44/(23.1934-lnPs)-227.03-Tp)，否则Rp为0，当袋区空气直接接受来自蒸汽提供的热量时Rs＝hs-a(3816.44/(23.1934-lnPs)-227.03-Ta)，否则Rs为0；
u表示纸张湿度，Tp表示纸张温度，AHa表示袋区空气绝对湿度，Ta表示袋区空气温度，t表示时间；
Cp,dp表示绝干纸张的比热取定值1423.5J/(kg·℃)，Ca表示绝干空气的比热取定值1010J/(kg·℃)，Cv表示水蒸气的比热取定值1880J/(kg·℃)，γ0表示在标准大气压下0℃时水的汽化潜热取定值2501000J/kg，Cp,w＝0.0139(Tp/℃)2-1.3129(Tp/℃)+4206.1表示与温度有关的水的比热，ε表示通风机给对应的烘缸组送风量的分配系数，Ly表示纸机幅宽，hs-p表示蒸汽与纸张之间的对流传热系数，hs-a表示蒸汽与袋区空气之间的对流传热系数，hp-a表示纸张与袋区空气之间的对流传热系数，Rv是气体常数取定值461.5J/(kg·℃)，Kp-a表示纸张-空气接触面对流传质系数。
本发明的有益效果：以实际造纸干燥生产过程中容易实时采集的过程数据作为已知量、初值及边界条件，通过求解本发明建立的四元偏微分方程组过程模型，获得造纸干燥部关键工艺参数的实时数据，进而计算获得造纸机干燥部能效，实现了对纸张干燥过程的能效在线监测，避免了“黑箱”操作，可以准确的掌握造纸机干燥部的运行状况，对指导生产调节，实现节能减排具有重要意义。
附图说明
图1烘缸结构及分区图
图2单挂上排供热烘缸Phase1干燥界面纸张微元物料守恒分析图
图3单挂上排供热烘缸Phase1干燥界面纸张微元能量守恒分析图
图4单挂上排供热烘缸Phase1干燥界面袋区空气微元质量守恒分析图
图5单挂上排供热烘缸Phase1干燥界面袋区空气微元能量守恒分析图
图6实施例烘缸干燥部结构图
图7纸张湿度
图8纸张温度
图9袋区空气湿度
图10袋区空气温度
图11烘缸表面温度
图12烘缸出力
具体实施方式
为了便于理解本发明，为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反地，提供这些实施方式的目的是使对本发明的公开内容理解的更加透彻全面。本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。
造纸机干燥部能效的一种在线监测方法，包括如下步骤：
(1)实时在线采集造纸机车速(V)、成纸定量(BWo)、成纸水份(Wo)，实时在线采集干燥部进口处纸张的湿度(u0)和温度(Tp,0)，实时在线采集通风与余热回收子***每个烘缸的送风风量(ma,sup,i)、送风温度(Ta,sup,i)及送风空气湿度(AHa,atm,i)数据，实时在线采集蒸汽冷凝水子***每个烘缸的蒸汽压力(Ps,i)数据，实时在线采集蒸汽-冷凝水子***单位时间消耗的蒸汽量
和消耗蒸汽的焓(Hs,SCS)数据，实时在线采集通风与余热回收子***中空气加热模块单位时间消耗的蒸汽量
和消耗蒸汽的焓(Hs,AH)数据，其中i表示烘缸编号；
(2)以纸张在干燥部干燥过程中的物料和能量守恒为基础，建立过程模型，所述的过程模型为以纸张温度(Tp)和湿度(u)、袋区空气的温度(Ta)和湿度(AHa)为未知量和以步骤(1)中采集到的数据为已知量的四元偏微分方程组，通过求解方程组，实现对干燥部每个烘缸关键工艺参数烘缸出口处的纸张温度(Tp,i)和湿度(ui)、烘缸袋区空气的温度(Ta,i)和湿度(AHa,i)的在线实时监测，其中i表示烘缸编号；
(3)利用下述公式：
Tc,i＝{Ts,i/[(1/αs-c)+(dc,i/kc,i)]+θihc-pTp,i+(1-θi)hc-aTa,i}/{1/[(1/αs-c)+(dc,i/kc,i)]+θihc-p+(1-θi)hc-a} (1)
Tc,i＝[θihc-pTp,i+(1-θi)hc-aTa,i]/[θihc-p+(1-θi)hc-a] (2)
计算获得每个烘缸表面温度(Tc,i)，式(1)为加热烘缸的计算公式，式(2)为不加热烘缸的计算公式，实现对干燥部每个烘缸关键工艺参数烘缸表面温度的在线实时监测，
其中，Ts,i表示烘缸内蒸汽温度，用式Ts,i＝[3816.44/(23.1934-lnPi)]-227.03计算，
式中，其中i表示烘缸编号，θi表示编号为i的烘缸包角系数，αs-c表示冷凝传热系数，dc,i表示编号为i的烘缸壁厚，kc,i表示编号为i的烘缸壁热导率，hc-p表示烘缸与纸张间的接触传热系数，hc-a表示烘缸与袋区空气间的对流传热系数，Ta,i表示编号为i的烘缸袋区空气温度，Tp,i表示编号为i的烘缸袋区纸张温度；
(4)利用下述公式：
RCN,i＝60·V·BW0·(1-W0/100)·(ui-1-ui)/(θiπDc,i)
计算获得每个烘缸的烘缸出力RCN,i，实现对干燥部每个烘缸的烘缸出力指标的在线实时监测，
式中，N表示烘缸个数，i表示烘缸编号，Dc,i表示第i个烘缸的直径，θi表示编号为i的烘缸包角系数；
(5)利用下述公式：
计算获得干燥部蒸汽单耗SSCp，实现对干燥部蒸汽单耗的在线实时监测，式中，B表示纸机幅宽；
(6)利用下述公式：
计算获得编号为i的烘缸水分蒸发的平均蒸发热ΔHev,i，
其中，
(7)利用下述公式：
计算获得干燥部热效率HEE，实现对干燥部热效率的在线实时监测，
式中，N表示烘缸个数，i表示烘缸编号，Dc,i表示编号为i的烘缸直径，θi表示编号为i的烘缸包角系数。
所述四元偏微分方程组过程模型如下：
其中，mev,a＝{exp[23.1934-3819.44/(Tp+227.03)]·[1-exp(-47.58u1.877-0.10085Tpu1.0585)]-exp[23.1934-3819.44/(Ta+227.03)]}/(Ta+273.15)，ΔHev＝46.544292·u1.0585·(Tp+273.15)2·{1/[1-exp(-47.58u1.877-0.10085Tpu1.0585)]-1}+(2504.7-2.4789Tp)·103；
Δ1和Δ2为与干燥面有关的系数，若监测点处的干燥面由烘缸-纸张-干网-空气组成则Δ1＝FRF、Δ2＝1，若监测点处的干燥面由烘缸-干网-纸张-空气或烘缸-纸张-空气组成则Δ1＝1、Δ2＝1，若监测点处的干燥面由空气-纸张-干网-空气组成则Δ1＝1+FRF、Δ2＝2，若监测点处的干燥面由空气-纸张-空气组成则Δ1＝2、Δ2＝2，FRF表示干网影响因子；Rp和Rs为与供热有关的系数，当纸张直接接受来自蒸汽提供的热量时Rp＝hs-p(3816.44/(23.1934-lnPs)-227.03-Tp)，否则Rp为0，当袋区空气直接接受来自蒸汽提供的热量时Rs＝hs-a(3816.44/(23.1934-lnPs)-227.03-Ta)，否则Rs为0；
u表示纸张湿度，Tp表示纸张温度，AHa表示袋区空气绝对湿度，Ta表示袋区空气温度，t表示时间；
Cp,dp表示绝干纸张的比热取定值1423.5J/(kg·℃)，Ca表示绝干空气的比热取定值1010J/(kg·℃)，Cv表示水蒸气的比热取定值1880J/(kg·℃)，γ0表示在标准大气压下0℃时水的汽化潜热取定值2501000J/kg，Cp,w＝0.0139(Tp/℃)2-1.3129(Tp/℃)+4206.1表示与温度有关的水的比热，ε表示通风机给对应的烘缸组送风量的分配系数，Ly表示纸机幅宽，hs-p表示蒸汽与纸张之间的对流传热系数，hs-a表示蒸汽与袋区空气之间的对流传热系数，hp-a表示纸张与袋区空气之间的对流传热系数，Rv是气体常数取定值461.5J/(kg·℃)，Kp-a表示纸张-空气接触面对流传质系数。
造纸机干燥部由烘缸组成，烘缸的排布结构通常有单挂和双挂两种方式(如附图1-a所示)。单挂结构只用一张干网，纸张紧贴在干网上一起运动，双挂结构上下排烘缸分别使用不同的干网。按照烘缸排布结构和安装位置的不同，纸张在烘缸干燥过程的干燥界面也不同(表1)，依据干燥界面的不同，烘缸可以细分为不同的干燥区(如附图1-b和1-c所示)。
表1不同烘缸干燥界面分析
(a)说明：C-烘缸；P-纸张；F-干网；A-空气
因此，根据造纸机干燥部烘缸的结构、安装位置、是否供热，烘缸可以分为6大类，即：(1)单挂上排供热烘缸(包括2个干燥区)，(2)单挂上排不供热烘缸(包括2个干燥区)，(3)单挂下排供热烘缸(包括2个干燥区)，(4)单挂下排不供热烘缸(包括2个干燥区)，(5)双挂供热烘缸(包括4个干燥区)，(6)双挂不供热烘缸(包括4个干燥区)。
通常以烘缸为独立单元建立造纸机干燥部物料流和能量流过程模型。对于单挂上排供热烘缸的phase1干燥区，Δ1＝FRF，Δ2＝1，Rp＝hs-p(3816.44/(23.1934-lnPs)-227.03-Tp)，Rs＝hs-a(3816.44/(23.1934-lnPs)-227.03-Ta)；phase2干燥区Δ1＝1+FRF，Δ2＝2，Rp＝0，Rs＝hs-a(3816.44/(23.1934-lnPs)-227.03-Ta)。对于单挂上排不供热烘缸的phase1干燥区，Δ1＝FRF，Δ2＝1，Rp＝0，Rs＝0；phase2干燥区Δ1＝1+FRF，Δ2＝2，Rp＝0，Rs＝0。对于单挂下排供热烘缸的phase1干燥区，Δ1＝1，Δ2＝1，Rp＝hs-p(3816.44/(23.1934-lnPs)-227.03-Tp)，Rs＝hs-a(3816.44/(23.1934-lnPs)-227.03-Ta)；phase2干燥区Δ1＝1+FRF，Δ2＝2，Rp＝0，Rs＝hs-a(3816.44/(23.1934-lnPs)-227.03-Ta)。对于单挂下排不供热烘缸的phase1干燥区，Δ1＝1，Δ2＝1，Rp＝0，Rs＝0；phase2干燥区Δ1＝1+FRF，Δ2＝2，Rp＝0，Rs＝0。对于双挂供热烘缸的phase1和phase3干燥区，Δ1＝1，Δ2＝1，Rp＝hs-p(3816.44/(23.1934-lnPs)-227.03-Tp)，Rs＝hs-a(3816.44/(23.1934-lnPs)-227.03-Ta)；phase2干燥区，Δ1＝FRF，Δ2＝1，Rp＝hs-p(3816.44/(23.1934-lnPs)-227.03-Tp)，Rs＝hs-a(3816.44/(23.1934-lnPs)-227.03-Ta)；phase4干燥区，Δ1＝2，Δ2＝2，Rp＝0，Rs＝hs-a(3816.44/(23.1934-lnPs)-227.03-Ta)。对于双挂不供热烘缸的phase1和phase3干燥区，Δ1＝1，Δ2＝1，Rp＝0，Rs＝0；phase2干燥区，Δ1＝FRF，Δ2＝1，Rp＝0，Rs＝0；phase4干燥区，Δ1＝2，Δ2＝2，Rp＝0，Rs＝0。
下面以单挂上排供热烘缸Phase1干燥界面为例说明过程模型的建立：
(1)纸张微元质量守恒
在Phase1干燥界面内沿纸张运行方向取纸张任意一微小单元，长度为Δx，阴影面表示被干网包覆的纸张表面。如附图2所示，由纸张微元内的水分质量守恒，即纸张微元的水分变化率＝单位时间内纸张带进微元的水的质量-单位时间内纸张带出微元的水的质量-单位时间内由纸张微元蒸发的水的质量，即
其中
表示单位时间通过纸张微元的绝干质量，可用式
计算。
式中，u表示纸张湿度，mw表示纸张微元内水的质量，
表示纸张被干网包覆表面水分蒸发速率，Gdp表示纸张绝干定量，Ly表示纸机幅宽，V表示纸机车速。
假设纸机稳定运行，即dmw/dt＝0，则上述两式可化简为：
由于dx＝Vdt/60，t表示干燥时间，则：
(2)纸张微元能量守恒
如附图3所示，由纸张微元能量守恒，即纸张微元的能量变化率＝单位时间内纸张带进微元的能量-单位时间内纸张带出微元的能量+单位时间内纸张微元吸收外界的热量-单位时间内纸张微元向外界释放的热量-单位时间内由于纸张水分蒸发带走的热量，即
式中，Tp表示纸张温度，mp表示微元内纸张质量，
表示单位时间通过纸张微元的质量，Cp,p表示纸张比热，Qs-p表示纸张微元吸收由蒸汽传来的热量，Qp-f-a表示纸张微元被干网包覆的表面与空气间的传热速率，
表示被干网包覆的纸张表面水分蒸发速率，ΔHev表示蒸发热，Ly表示幅宽，
表示单位时间通过微元的纸张绝干质量，Cp,dp表示绝干纸张的比热取定值1423.5J/(kg℃)，Cp,w水的比热，与温度有关。
假设纸机稳定运行，即d(mpCp,pTp)/dt＝0，则能量守恒方程可化简为：
由于
可用式
计算，Cp,p可用式Cp,p＝(Cp,dp+uCp,w)/(1+u)计算，
可用式
计算，故
取定值，即d((Cp,dp)/dx＝0，所以上式可以继续化简为
利用求导公式，可得：
故
所以
即
由于dx＝(V/60)dt，t表示干燥时间，则上式还可以表示为：
(3)袋区空气微元质量守恒分析
以与纸张微元对应的空气微元为研究对象，如附图4所示，由空气微元内的水分质量守恒，即空气微元的水分变化率＝单位时间内空气带进微元的水的质量-单位时间内空气带出微元的水的质量+单位时间内纸张微元蒸发的水的质量，即
式中，AHa表示空气绝对湿度，mda表示微元内绝干空气的质量，
表示被干网包覆的纸张表面水分蒸发速率，
表示单位时间通过微元的绝干空气质量，Ly表示幅宽。
假设纸机稳定运行，即d(mdaAHa)/dt＝0，则上式可化简为：
假设袋区送风全部经过表面，则
表示袋区送风速率，Gda表示通过单位面积纸面的绝干空气量。则：
由于dx＝(V/60)dt，t表示干燥时间，则上式还可以表示为：
(4)袋区空气微元能量守恒分析
分析空气微元能量守恒，如图5所示。由空气微元能量守恒，即空气微元的能量变化率＝单位时间内空气带进微元的能量-单位时间内空气带出微元的能量+单位时间内空气微元吸收外界的热量-单位时间内空气微元向外界释放的热量+单位时间纸张蒸发出水蒸气的热量，即
式中，mda表示微元内绝干空气质量，Ha表示湿空气的焓，Qs-a表示空气微元吸收由蒸汽传来的热量，Qp-f-a表示空气微元吸收由被干网包覆纸张表面传来的热量，ΔHev表示蒸发热，Ly表示幅宽。
假设纸机稳定运行，即d(mdaHa)/dt＝0，则上式可简化为：
Ha可以用下式计算：Ha＝(Ca+Cvxa)Ta+γ0AHa，Ca表示绝干空气的比热取定值1010J/kg，Cv表示水蒸气的比热取定值1080J/kg，γ0表示在标准大气压下0℃时水的汽化潜热取定值2501000J/kg。故
所以
即
由于dx＝(V/60)dt，t表示干燥时间，则上式还可以表示为：
综上，单挂上排供热烘缸Phase1干燥界面的数学模型可以表示为一个四元偏微分方程组，如下所示：
式中，u表示纸张湿度，Tp表示纸张温度，AHa表示袋区空气绝对湿度，Ta表示袋区空气温度，t表示时间，Cp,dp表示绝干纸张的比热取定值1423.5J/(kg℃)，Cp,w＝0.0139(Tp/℃)2-1.3129(Tp/℃)+4206.1表示与温度有关的水的比热，Ca表示绝干空气的比热取定值1010J/kg，Cv表示水蒸气的比热取定值1080J/kg，γ0表示在标准大气压下0℃时水的汽化潜热取定值2501000J/kg。
Gdp表示的纸张绝干定量。可用采集的成纸定量BW0和水份W0数据估算，Gdp＝BW0(1-W0/100)。
Gda表示通过单位面积纸面的绝干送风量，可用采集的送风机风量ma,sup、送风湿度AHa和车速V估算，Gda＝60εma,sup/[BV(1+AHa)]，ε表示通风机给对应的烘缸组送风量的分配系数，ε取值0～1，B表示纸机幅宽。
Qs-p表示纸张吸收由蒸汽传来的热通量，可用蒸汽温度Ts和纸张温度Tp估算，Qs-p＝hs-p(Ts-Tp)，hs-p表示蒸汽与纸张之间的对流传热系数。Qs-a表示袋区空气吸收由蒸汽传来的热通量，可用蒸汽温度Ts和袋区空气温度Ta估算，Qs-a＝hs-a(Ts-Ta)，hs-a表示蒸汽与袋区空气之间的对流传热系数。Qp-a表示纸张直接与空气接触表面传递给空气的热通量，Qp-f-a表示纸张被干网包覆的表面与空气间的传热通量，均可以用纸张温度Tp和袋区空气温度Ta估算，Qp-a＝Qp-f-a＝hp-a(Tp-Ta)，hp-a表示纸张与袋区空气之间的对流传热系数。
ΔHev表示蒸发热，可用纸张温度Tp和湿度u估算，ΔHev＝ΔHsorp+ΔHlat。其中，
将方程组中变量的估算公式带入方程组中，即得到可用待求变量、可在线测量变量和常量组成的四元偏微分方程组，具体如下：
其中，mev,a＝{exp[23.1934-3819.44/(Tp+227.03)]·[1-exp(-47.58u1.877-0.10085Tpu1.0585)]-exp[23.1934-3819.44/(Ta+227.03)]}/(Ta+273.15)，ΔHev＝46.544292·u1.0585·(Tp+273.15)2·{1/[1-exp(-47.58u1.877-0.10085Tpu1.0585)]-1}+(2504.7-2.4789Tp)·103，Rp＝hs-p(3816.44/(23.1934-lnPs)-227.03-Tp)，Rs＝hs-a(3816.44/(23.1934-lnPs)-227.03-Ta)；
FRF表示干网影响因子，u表示纸张湿度，Tp表示纸张温度，AHa表示袋区空气绝对湿度，Ta表示袋区空气温度，t表示时间；
Cp,dp表示绝干纸张的比热取定值1423.5J/(kg·℃)，Ca表示绝干空气的比热取定值1010J/(kg·℃)，Cv表示水蒸气的比热取定值1880J/(kg·℃)，γ0表示在标准大气压下0℃时水的汽化潜热取定值2501000J/kg，Cp,w＝0.0139(Tp/℃)2-1.3129(Tp/℃)+4206.1表示与温度有关的水的比热，ε表示通风机给对应的烘缸组送风量的分配系数，Ly表示纸机幅宽，hs-p表示蒸汽与纸张之间的对流传热系数，hs-a表示蒸汽与袋区空气之间的对流传热系数，hp-a表示纸张与袋区空气之间的对流传热系数，Rv是气体常数取定值461.5J/(kg·℃)，Kp-a表示纸张-空气接触面对流传质系数。
其他类型烘缸不同干燥界面的数学模型同理可得。。
下面结合具体实施例继续对本申请的造纸机干燥部能效的一种在线监测方法予以说明。
实施例
测试对象是某生产瓦楞纸的造纸机干燥部，设计产能为10万吨/年，设计车速500m/min，幅宽4m，主要生产定量为105～145g/m2瓦楞纸。纸机采用双排多烘缸干燥部，总共48个烘缸(详见附图6)，烘缸直径1.5m都配备扰流棒和固定虹吸管。蒸汽冷凝水子***采用典型的三段降压式，#23～#48烘缸是主蒸汽段(I段)，#10～#22烘缸是中间蒸汽段(II段)，#1～#9是湿段蒸汽段(III段)。通风与余热回收子***采用密闭气罩。
烘缸的类型如下表所示：
在线采集造纸机车速(V)、成纸定量(BWo)、成纸水份(Wo)，在线采集纸张在监测部位进口处的湿度(u0)和温度(Tp,0)，在线采集监测部位处通风与余热回收子***的送风风量(ma,sup)、送风温度(Ta,sup)及送风气体湿度(AHa,atm)数据，在线采集监测部位处蒸汽冷凝水子***的蒸汽压力(Ps)数据。
记录某个时刻实时采集变量的值如下表所示。
| 变量 | 值 |
| 车速(V，m/min) | 500 |
| 成纸定量(BW<sub>o</sub>，g/m<sup>2</sup>) | 100 |
| 成纸水分(W<sub>o</sub>，％) | 8 |
| 进口纸张湿度(u<sub>0</sub>，kg/kg) | 1.04 |
| 进口纸张温度(T<sub>p,0</sub>，℃) | 40 |
| 送风风量(m<sub>a,sup</sub>，kg/s) | 60 |
| 送风温度(T<sub>a,sup</sub>，℃) | 30 |
| 送风湿度(AH<sub>a,atm</sub>，kg/kg) | 0.016 |
| I段蒸汽压力(P<sub>s1</sub>，kPa) | 131 |
| II段蒸汽压力(P<sub>s2</sub>，kPa) | 75 |
| III段蒸汽压力(P<sub>s3</sub>，kPa) | 19 |
ε表示通风机给对应的烘缸组送风量的分配系数，取定值0.0208；Ly表示纸机幅宽，取定值4m，hs-p表示蒸汽与纸张之间的对流传热系数，取定值1000W/(m2℃)；hs-a表示蒸汽与袋区空气之间的对流传热系数，取定值20W/(m2℃)；hp-a表示纸张与袋区空气之间的对流传热系数，取定值30W/(m2℃)；Rv是气体常数取定值461.5J/(kg·℃)，Kp-a表示纸张-空气接触面对流传质系，取定值0.02m/s。
纸张在干燥部干燥过程中遵守物料和能量守恒定律，以此为基础建立6类不同烘缸(单挂上排供热烘缸、单挂下排供热烘缸，单挂上排不供热烘缸、单挂下排不供热烘缸，双挂供热烘缸，双挂不供热烘缸)，以干燥部监测点处的纸张温度(Tp)和湿度(u)、监测点处袋区空气的温度(Ta)和湿度(AHa)为未知量的四元偏微分方程组过程模型，并将48个烘缸过程模型依次组合成干燥部的过程模型。
以干燥部进口的纸张湿度(u0)和温度(Tp,0)、第1个烘缸处通风与余热回收子***的送风温度(Ta,sup)及送风空气湿度(AHa,atm)为初值，以第1个烘缸处蒸汽冷凝水子***的蒸汽压力(Ps)为边界条件，采用Runge-Kutta法数值求解的第1个烘缸第1个干燥界面的四元偏微分方程组，即可实时获得第1个烘缸第1个干燥界面的出口处纸张温度(Tp)和湿度(μ)及第1个干燥界面处袋区空气的温度(Ta)和湿度(AHa)数据。
然后以求解出的第1个干燥界面出口处纸张湿度(u)和温度(Tp)及第2个干燥界面烘缸处通风与余热回收子***的送风温度(Ta,sup)及送风空气湿度(AHa,atm)为初值，以第2个干燥界面烘缸处蒸汽冷凝水子***的蒸汽压力(Ps)为边界条件，采用Runge-Kutta法数值求解的第2个干燥界面的四元偏微分方程组，即可实时获得第2个干燥界面出口处纸张温度(Tp)和湿度(μ)及第2个干燥界面处袋区空气的温度(Ta)和湿度(AHa)数据。以此类推，则该时刻下每个干燥界面出口位置的纸张温度(Tp)和湿度(μ)及袋区空气的温度(Ta)和湿度(AHa)均可实时计算获得，从而实现在线监测。以烘缸与纸张或干网有直接接触的干燥界面获得的计算数据为基础绘制了不同烘缸处纸张的温度和湿度曲线及袋区空气的温度和湿度曲线，具体详见附图7,8,9,10所示。
采用便携式装备对纸张温度(Tp)和湿度(μ)及袋区空气的温度(Ta)和湿度(AHa)数据进行在线测量，验证在线监测方法的准确性。由于测试空间的限制，测量难度较大，仅对部分烘缸位置进行了测试。实际测试结果与在线监测结果非常接近，说明该在线监测方法准确可靠。
利用公式RCN,i＝60·V·BW0·(1-W0/100)·(ui-1-ui)/(θiπDc,i)计算获得每个烘缸的烘缸出力RCN,i，实现对干燥部每个烘缸的烘缸出力指标的在线实时监测，结果如图12所示；
利用公式
计算获得干燥部蒸汽单耗SSCp，实现对干燥部蒸汽单耗的在线实时监测，利用公式
计算获得编号为i的烘缸水分蒸发的平均蒸发热ΔHev,i，其中，
再利用公式
计算获得干燥部热效率HEE，实现对干燥部热效率的在线实时监测。
结果如下表所示
从能效指标监测的结果分析，实施例生产线蒸汽单耗1.41kg/kg，折合标煤184.71kgce/t纸，已达到制浆造纸单位产品能耗限额国家标准的先进水平(GB1825-2015)。
从过程工艺参数监测上分析，实施例生产线还有进一步节能降耗的空间：
(1)从烘缸出力曲线(图12)上看出，实施例生产线最后8个烘缸几乎不蒸发水分，因此可以关闭，节约蒸汽消耗。从纸张湿度曲线(图7)中也可以看到同样的现象，40号以后的烘缸位置，纸张湿度几乎不发生变化。
(2)从纸张湿度曲线(图7)上看出，实施例生产线干燥部出口处的纸张含水量接近0，出现过度干燥现象，这样过度蒸发水分除了会造成能源浪费外，还会导致纸张发脆，物理性能下降。
(3)实施例中烘缸16号、23号、28号、34号、41号、42号、43号，袋区温度较低，这与蒸汽泄露等原因有关，应尽快维修，否则容易造成滴露现象，影响干燥部整体热效率。
以上仅为本发明的具体实施例，但本发明的技术特征并不局限于此。任何以本发明为基础，为实现基本相同的技术效果，所作出地简单变化、等同替换或者修饰等，皆涵盖于本发明的保护范围之中。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (2)
1.造纸机干燥部能效的一种在线监测方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)实时在线采集造纸机车速(V)、成纸定量(BWo)、成纸水份(Wo)，实时在线采集干燥部进口处纸张的湿度(u0)和温度(Tp,0)，实时在线采集通风与余热回收子***每个烘缸的送风风量(ma,sup,i)、送风温度(Ta,sup,i)及送风空气湿度(AHa,atm,i)数据，实时在线采集蒸汽冷凝水子***每个烘缸的蒸汽压力(Ps,i)数据，实时在线采集蒸汽-冷凝水子***单位时间消耗的蒸汽量
和消耗蒸汽的焓(Hs,SCS)数据，实时在线采集通风与余热回收子***中空气加热模块单位时间消耗的蒸汽量
和消耗蒸汽的焓(Hs,AH)数据，其中i表示烘缸编号；
(2)以纸张在干燥部干燥过程中的物料和能量守恒为基础，建立过程模型，所述的过程模型为以纸张温度(Tp)和湿度(u)、袋区空气的温度(Ta)和湿度(AHa)为未知量和以步骤(1)中采集到的数据为已知量的四元偏微分方程组，通过求解方程组，实现对干燥部每个烘缸关键工艺参数烘缸出口处的纸张温度(Tp,i)和湿度(ui)、烘缸袋区空气的温度(Ta,i)和湿度(AHa,i)的在线实时监测，其中i表示烘缸编号；
(3)利用下述公式：
Tc,i＝{Ts,i/[(1/αs-c)+(dc,i/kc,i)]+θihc-pTp,i+(1-θi)hc-aTa,i}/{1/[(1/αs-c)+(dc,i/kc,i)]+θihc-p+(1-θi)hc-a} (1)
Tc,i＝[θihc-pTp,i+(1-θi)hc-aTa,i]/[θihc-p+(1-θi)hc-a] (2)
计算获得每个烘缸表面温度(Tc,i)，式(1)为加热烘缸的计算公式，式(2)为不加热烘缸的计算公式，实现对干燥部每个烘缸关键工艺参数烘缸表面温度的在线实时监测，
其中，Ts,i表示烘缸内蒸汽温度，用式Ts,i＝[3816.44/(23.1934-lnPi)]-227.03计算，
式中，其中i表示烘缸编号，θi表示编号为i的烘缸包角系数，αs-c表示冷凝传热系数，dc,i表示编号为i的烘缸壁厚，kc,i表示编号为i的烘缸壁热导率，hc-p表示烘缸与纸张间的接触传热系数，hc-a表示烘缸与袋区空气间的对流传热系数，Ta,i表示编号为i的烘缸袋区空气温度，Tp,i表示编号为i的烘缸处纸张温度；
(4)利用下述公式：
RCN,i＝60·V·BW0·(1-W0/100)·(ui-1-ui)/(θiπDc,i)
计算获得每个烘缸的烘缸出力RCN,i，实现对干燥部每个烘缸的烘缸出力指标的在线实时监测，
式中，N表示烘缸个数，i表示烘缸编号，Dc,i表示第i个烘缸的直径，θi表示编号为i的烘缸包角系数；
(5)利用下述公式：
计算获得干燥部蒸汽单耗SSCp，实现对干燥部蒸汽单耗的在线实时监测，式中，B表示纸机幅宽；
(6)利用下述公式：
计算获得编号为i的烘缸水分蒸发的平均蒸发热ΔHev,i，
其中，
(7)利用下述公式：
计算获得干燥部热效率HEE，实现对干燥部热效率的在线实时监测，
式中，N表示烘缸个数，i表示烘缸编号，Dc,i表示编号为i的烘缸直径，θi表示编号为i的烘缸包角系数。
2.一种如权利要求1所述的造纸机干燥部能效的一种在线监测方法，其特征在于，所述的四元偏微分方程组过程模型如下：
其中，mev,a＝{exp[23.1934-3819.44/(Tp+227.03)]·[1-exp(-47.58u1.877-0.10085Tpu1.0585)]-exp[23.1934-3819.44/(Ta+227.03)]}/(Ta+273.15)，ΔHev＝46.544292·u1.0585.(Tp+273.15)2·{1/[1-exp(-47.58u1.877-0.10085Tpu1.0585)]-1}+(2504.7-2.4789Tp)·103；
Δ1和Δ2为与干燥面有关的系数，若监测点处的干燥面由烘缸-纸张-干网-空气组成则Δ1＝FRF、Δ2＝1，若监测点处的干燥面由烘缸-干网-纸张-空气或烘缸-纸张-空气组成则Δ1＝1、Δ2＝1，若监测点处的干燥面由空气-纸张-干网-空气组成则Δ1＝1+FRF、Δ2＝2，若监测点处的干燥面由空气-纸张-空气组成则Δ1＝2、Δ2＝2，FRF表示干网影响因子；Rp和Rs为与供热有关的系数，当纸张直接接受来自蒸汽提供的热量时Rp＝hs-p(3816.44/(23.1934-lnPs)-227.03-Tp)，否则Rp为0，当袋区空气直接接受来自蒸汽提供的热量时Rs＝hs-a(3816.44/(23.1934-lnPs)-227.03-Ta)，否则Rs为0；
u表示纸张湿度，Tp表示纸张温度，AHa表示袋区空气绝对湿度，Ta表示袋区空气温度，t表示时间；
Cp,dp表示绝干纸张的比热取定值1423.5J/(kg·℃)，Ca表示绝干空气的比热取定值1010J/(kg·℃)，Cv表示水蒸气的比热取定值1880J/(kg·℃)，γ0表示在标准大气压下0℃时水的汽化潜热取定值2501000J/kg，Cp,w＝0.0139(Tp/℃)2-1.3129(Tp/℃)+4206.1表示与温度有关的水的比热，ε表示通风机给对应的烘缸组送风量的分配系数，Ly表示纸机幅宽，hs-p表示蒸汽与纸张之间的对流传热系数，hs-a表示蒸汽与袋区空气之间的对流传热系数，hp-a表示纸张与袋区空气之间的对流传热系数，Rv是气体常数取定值461.5J/(kg·℃)，Kp-a表示纸张-空气接触面对流传质系数。
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Application publication date: 20201113 Assignee: ZHEJIANG ZHEFENG NEW MATERIAL Co.,Ltd. Assignor: QUZHOU University Contract record no.: X2024980000752 Denomination of invention: An online monitoring method for energy efficiency in the drying section of paper machines Granted publication date: 20230602 License type: Common License Record date: 20240115 |