基于工藝流程的紙機(jī)干燥部建模與模擬

孔令波　劉煥彬　李繼庚　尹勇軍

(1.天津科技大學(xué)天津市制漿造紙重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津，300457；

2.華南理工大學(xué)制漿造紙工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東廣州，510640)

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基于工藝流程的紙機(jī)干燥部建模與模擬

孔令波1,2劉煥彬2李繼庚2尹勇軍2

(1.天津科技大學(xué)天津市制漿造紙重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津，300457；

2.華南理工大學(xué)制漿造紙工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東廣州，510640)

摘要：基于三段通汽式干燥部工藝流程，在“輸入已知、輸出未知”和“先烘缸、再通風(fēng)、后紙張”的原則指導(dǎo)下，以烘缸組為最小建模單元，根據(jù)序貫?zāi)K法的基本思路，構(gòu)建了紙機(jī)干燥部的靜態(tài)模型。以某新聞紙機(jī)干燥部為對(duì)象進(jìn)行模擬，給出了進(jìn)出各模塊的物流和能流信息，模擬結(jié)果與該紙機(jī)實(shí)際運(yùn)行情況基本一致。該模型符合紙機(jī)干燥部工藝流程，可以用來(lái)模擬各模塊之間的物流和能流信息，便于為干燥部用能分析提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：紙機(jī)；干燥部建模；干燥工藝流程

E-mail：lbkong@tust.edu.cn

干燥部是紙機(jī)的主要組成部分，其目的是在保證紙張質(zhì)量的前提下，以最為經(jīng)濟(jì)的脫水方式取得最好的干燥效果。同時(shí)，干燥部也是紙機(jī)能耗最大的部分，其能耗相當(dāng)于紙機(jī)總能耗的80%[1]，相對(duì)脫水成本約為造紙過(guò)程脫水總成本的78%[2]。因此，改善干燥部能效水平可以降低造紙過(guò)程能耗和生產(chǎn)成本。

為全面了解紙張干燥過(guò)程及其能量利用情況，文獻(xiàn)[3- 4]以整個(gè)干燥部為建模對(duì)象給出了熱平衡計(jì)算模型，忽略了干燥部?jī)?nèi)部各單元之間的影響。對(duì)此，有研究者采用自上而下的方法對(duì)干燥部進(jìn)行了建模分析，如劉金星等[5]基于物料和能量平衡對(duì)紙機(jī)干燥部進(jìn)行了建模和仿真；李玉剛等[6]基于聯(lián)立模塊法對(duì)造紙機(jī)干燥部的操作參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化；張鼎華等[7]對(duì)基于多Agent的造紙干燥系統(tǒng)用能模型進(jìn)行過(guò)研究；周艷明等[8-10]提出了一種集成物流、能流和流分析的紙機(jī)干燥部建模與優(yōu)化方法。這些模型可以實(shí)現(xiàn)對(duì)干燥部整體及其模塊間的分析，但某些輸入?yún)?shù)需要經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試才可獲得，且模型的建立和實(shí)現(xiàn)順序與干燥工藝流程仍有差異，這可能是導(dǎo)致其模擬結(jié)果與實(shí)際數(shù)據(jù)有所偏離的原因之一。

本研究主要基于紙機(jī)干燥工藝流程，以烘缸組為最小建模單元，采用序貫?zāi)K法建立紙機(jī)干燥部的靜態(tài)模型。該模型是在文獻(xiàn)[5-10]的基礎(chǔ)上對(duì)干燥部進(jìn)行模擬，除模塊劃分有所不同外，其區(qū)別還在于：①按照“先烘缸、再通風(fēng)、后紙張”的工藝流程建模，盡量符合紙張干燥工藝流程；②模型的輸入已知，輸出未知，且已知參數(shù)可從現(xiàn)場(chǎng)儀表讀取，而無(wú)需通過(guò)測(cè)試才可獲得；③通過(guò)已知或假設(shè)參量的調(diào)節(jié)，可以考察某些關(guān)鍵變量對(duì)干燥過(guò)程的影響。

1干燥部模塊劃分與建模原則

1.1模塊劃分

根據(jù)干燥過(guò)程中各操作單元功能的不同，把紙機(jī)干燥部分為以下8個(gè)功能模塊，即烘缸組模塊、汽水分離模塊、表面冷凝模塊、風(fēng)機(jī)模塊、熱回收模塊、空氣加熱模塊、紙張模塊和氣罩模塊。圖1是按照典型的三段通汽式干燥部工藝流程構(gòu)建而成的模塊結(jié)構(gòu)圖。

按照三段通汽式干燥部工藝流程，把操作壓力相同的烘缸看作是一個(gè)烘缸組模塊，則干燥部可分為3個(gè)烘缸組模塊(見(jiàn)圖1)。然后，以烘缸組為模塊劃分最小結(jié)構(gòu)單元，把進(jìn)出各烘缸組的紙張劃分為相應(yīng)的3個(gè)紙張模塊。由于每個(gè)烘缸組排出的乏汽和冷凝水的流量與狀態(tài)不盡相同，且經(jīng)汽水分離器后產(chǎn)生的二次蒸汽作為下一段烘缸組的供汽，故各烘缸組對(duì)應(yīng)的汽水分離器也被分為3個(gè)模塊。由最后一個(gè)汽水分離模塊排出的二次蒸汽經(jīng)表面冷凝模塊回收余熱。

根據(jù)干燥部通風(fēng)系統(tǒng)的工藝，從車間經(jīng)送風(fēng)機(jī)模塊送入的新鮮空氣需要經(jīng)過(guò)余熱回收模塊預(yù)熱后，再經(jīng)空氣加熱模塊加熱至袋區(qū)送風(fēng)需要的工藝溫度。由于所需要的送風(fēng)量和排風(fēng)量并不相等，還需分別設(shè)置送風(fēng)模塊和排風(fēng)模塊。其中，余熱回收模塊用于加熱新鮮空氣的熱源是經(jīng)紙張干燥模塊排出的袋區(qū)濕熱空氣和由氣罩兩側(cè)泄漏的新鮮空氣在氣罩模塊內(nèi)混合后產(chǎn)生的具有一定溫濕度的氣罩排風(fēng)，即來(lái)自氣罩模塊的排風(fēng)。

圖1　典型三段通汽式干燥部模塊結(jié)構(gòu)圖

1.2建模原則

各模塊靜態(tài)數(shù)學(xué)模型的建立應(yīng)遵循“輸入已知、輸出未知”的原則，即各模塊的輸入均是已知量，而輸出則應(yīng)是待求量。只有從工程現(xiàn)場(chǎng)可以直接讀取的參量才可作為模型的輸入。對(duì)于某些可以從現(xiàn)場(chǎng)讀取的輸出參量，如出干燥部紙張干度和蒸汽總流量，一般用來(lái)驗(yàn)證模擬結(jié)果準(zhǔn)確與否。對(duì)紙張干燥而言，作為模型輸入的已知參量有：通入各烘缸組主蒸汽的壓力與壓差，蒸汽流量?jī)H作為計(jì)算的初始值，并不是干燥過(guò)程最終的蒸汽流量；進(jìn)干燥部紙張干度與溫度；送風(fēng)量及其狀態(tài)，實(shí)際上應(yīng)通過(guò)風(fēng)機(jī)的實(shí)際功率計(jì)算得到送風(fēng)量，故風(fēng)機(jī)功率應(yīng)是最初的已知輸入?yún)?shù)。

另一條重要的建模原則是：所建模型必須符合“先烘缸、再通風(fēng)、后紙張”的干燥工藝流程，即干燥之初先往烘缸通蒸汽預(yù)熱烘缸，再打開通風(fēng)系統(tǒng)促進(jìn)空氣流通，最后進(jìn)行紙張干燥過(guò)程。

1.3簡(jiǎn)化假設(shè)

建立紙機(jī)干燥部的靜態(tài)能量模型，首先需對(duì)其干燥過(guò)程做一些必要且合理的簡(jiǎn)化假設(shè)。為方便建立模型，對(duì)紙機(jī)干燥過(guò)程做以下簡(jiǎn)化假設(shè)：

(1)考慮到烘缸內(nèi)蒸汽處于連續(xù)冷凝狀態(tài)，假設(shè)烘缸內(nèi)蒸汽處于飽和狀態(tài)；

(2)忽略因管道阻力造成的管道內(nèi)部的蒸汽或空氣的壓力降；

(3)送入袋區(qū)的熱風(fēng)與紙張間的熱質(zhì)傳遞以對(duì)流傳熱和對(duì)流傳質(zhì)為主，認(rèn)為袋區(qū)送風(fēng)吸收了蒸發(fā)出來(lái)的水之后再與泄漏空氣在氣罩內(nèi)混合；

(4)假設(shè)烘缸的散熱損失全部用于加熱氣罩內(nèi)混合均勻的空氣；

(5)忽略耗熱設(shè)備的熱輻射損失。

2干燥部模型

建立紙機(jī)干燥部的能量模型就是在“輸入已知、輸出未知”和“先烘缸、再通風(fēng)、后紙張”的原則下，按照?qǐng)D1所示模塊結(jié)構(gòu)圖，依次建立各模塊的質(zhì)量平衡和能量平衡方程，并給出確定這些方程中間變量的關(guān)系式。限于篇幅所限，以下將重點(diǎn)對(duì)烘缸組模塊、紙張模塊和氣罩模塊給予描述。

在建立各模塊子模型之前，首先應(yīng)依次分析進(jìn)出該模塊的各個(gè)參量的數(shù)量，然后根據(jù)式(1)確定該模塊的自由度(Nd)，即需要建立的方程數(shù)量。

Nd=Nt-Nk-Na-Nm

(1)

式(1)中,Nt、Nk、Na和Nm分別表示各功能模塊子模型狀態(tài)參量、已知參量、假設(shè)參量和中間參量的數(shù)量。

2.1烘缸組模塊

烘缸組模塊的作用是通過(guò)烘缸內(nèi)蒸汽冷凝釋放出的汽化潛熱為水的蒸發(fā)提供熱量，進(jìn)出烘缸組模塊的物流和能流及其狀態(tài)參量示于圖2。

新鮮蒸汽的熱量Qmis_1(m=1,3,5)和二次蒸汽的熱量Qmis_2(m=3,5)是干燥紙張的熱源。烘缸組模塊內(nèi)蒸汽傳給烘缸的熱量(Qmsc)大部分是通過(guò)烘缸壁傳給紙張(Qmcp)，也有部分因與周圍空氣對(duì)流而散失(Qmca)，這部分散失的熱量被看作是用來(lái)加熱氣罩內(nèi)的混合空氣。考慮到烘缸的散熱系數(shù)Zmca和乏汽比Zmbt是設(shè)計(jì)參數(shù)，故在模型中按假設(shè)參數(shù)處理。

圖3　紙張模塊圖示

圖2　烘缸組模塊圖示

通過(guò)分析，由式(1)得到烘缸組模塊的自由度為8。根據(jù)質(zhì)量與能量平衡關(guān)系，分別列出烘缸組模塊的蒸汽、二次蒸汽、冷凝水與乏汽的物料平衡方程和能量平衡方程(共8個(gè))，即：

Mmis=Mmis_1+Mmis_2

Qmis=Qmis_1+Qmis_2

Mmoc+Mmob=Mmis

(2)

Pmoc=Pmob

Qmcp+Qmca=Qmis-Qmoc-Qmob

Qmca=(Qmcp+Qmca)Zmca

對(duì)主段烘缸組模塊，即當(dāng)m=1時(shí)，有Mmis_2=0，Qmis_2=0。上述方程中計(jì)算用到的物性參數(shù)，如飽和蒸汽和冷凝水的熱焓，借助文獻(xiàn)[8]開發(fā)的物性數(shù)據(jù)庫(kù)計(jì)算得到，其他各模塊中的物性參數(shù)確定方法相同。

根據(jù)烘缸組內(nèi)蒸汽至烘缸的傳熱方程式，即蒸汽傳給烘缸的熱量與蒸汽和烘缸表面溫度之差成正比，可得烘缸的表面溫度Tc，為:

(3)

式(3)中，烘缸內(nèi)蒸汽-冷凝水-烘缸壁的總傳熱系數(shù)hsc的計(jì)算參見(jiàn)文獻(xiàn)[11-12]。蒸汽傳給烘缸的熱量Qmsc由烘缸傳給紙張的熱量Qmcp和散失至周圍空氣的熱量Qmca組成，即:

Qmsc=Qmcp+Qmca

(4)

2.2紙張模塊

紙張模塊是干燥部模型的關(guān)鍵模塊。為了建模方便，把紙張模塊的袋區(qū)濕熱空氣看作是由水蒸氣和袋區(qū)空氣組成的，對(duì)應(yīng)的2個(gè)熱流分別為水蒸氣和袋區(qū)空氣的熱量。實(shí)際上，此信息流模塊是隱含在濕熱空氣中的，故在干燥部模塊結(jié)構(gòu)圖(見(jiàn)圖1)中沒(méi)有單獨(dú)列出來(lái)。圖3給出了進(jìn)出紙張模塊和袋區(qū)濕空氣信息流模塊的所有狀態(tài)參量。

烘缸傳給紙張的熱量Qkcp(k=11,12,13)是紙張蒸發(fā)水的熱源，對(duì)紙張模塊而言是已知的，但對(duì)烘缸模塊而言卻是未知的，這也是首先要計(jì)算烘缸模塊的原因所在。同樣，進(jìn)紙張模塊的袋區(qū)送風(fēng)是空氣加熱模塊的輸出，故對(duì)空氣加熱模塊而言是未知的，但對(duì)此提及的紙張模塊而言可看作是已知的，因此要先計(jì)算空氣加熱模塊。然而，由于出空氣加熱模塊的送風(fēng)量為整個(gè)干燥部全部袋區(qū)的總排放量，而紙張模塊的袋區(qū)送風(fēng)量則對(duì)應(yīng)于當(dāng)前模塊的送風(fēng)量，對(duì)此，根據(jù)與紙張模塊相對(duì)應(yīng)的烘缸組模塊所含所有烘缸個(gè)數(shù)的比例分配每個(gè)紙張模塊的送風(fēng)量。這也比較符合工程實(shí)際，因?yàn)槊總€(gè)烘缸袋區(qū)在紙張寬度方向上的送風(fēng)量相同。

基于圖3，紙張模塊的自由度為：25-7-1-6=11，即求解該模塊需要11個(gè)主方程。根據(jù)質(zhì)量與能量平衡關(guān)系，分別列出紙張模塊中纖維、空氣、水分的質(zhì)量與能量平衡方程以及關(guān)鍵的關(guān)系方程式如下：

(5)

上述方程中計(jì)算用到的物性參數(shù)，如蒸發(fā)潛熱、比熱容、熱焓等由文獻(xiàn)[8]的物性數(shù)據(jù)庫(kù)確定。

紙張模塊輸出的紙張溫度Top可由下式求得。

Top=Tp-ΔTp

(6)

式中，ΔTp為紙張?jiān)趯?duì)流干燥區(qū)由于雙面水的蒸發(fā)而引起的溫度降。一般地，高速紙機(jī)ΔTp約為4~5℃，普通低速紙機(jī)ΔTp約為12~15℃[11]。離開烘缸時(shí)(接觸干燥階段)的紙張溫度Tp可通過(guò)烘缸傳給紙張的熱量Qkcp確定，即：

Qkcp=Qmcp=hcptpAcp(Tc-Tp)

(7)

式中，tp為紙張?jiān)诤娓捉M模塊內(nèi)的停留時(shí)間；Acp為烘缸外壁與紙張間的接觸傳熱面積；Tc為烘缸的表面溫度，由式(3)可確定；hcp為烘缸外壁與紙張間的接觸傳熱系數(shù)，其取值因紙張水分不同而不同[12]。

2.3氣罩模塊

氣罩模塊的作用是及時(shí)排除吸收水蒸氣的濕熱空氣，為紙張?zhí)峁┝己玫母稍飾l件。從干燥部的工藝流程來(lái)看，與紙張發(fā)生對(duì)流傳質(zhì)的空氣流是從袋區(qū)送入的熱新鮮空氣，而泄漏空氣則會(huì)在氣罩內(nèi)與濕熱空氣混合，因此，可以把氣罩模塊抽象成為各紙張模塊輸出的濕熱空氣與泄漏空氣混合的模塊。

由于從各紙張模塊排出的濕熱空氣的狀態(tài)并不一致，實(shí)際上進(jìn)氣罩模塊的濕熱空氣應(yīng)為3股不同狀態(tài)下的濕熱空氣流。這3股不同狀態(tài)的濕熱空氣流將在氣罩內(nèi)與泄漏空氣混合均勻，但為了建模和計(jì)算方便，假設(shè)這3股濕熱空氣流先混合后再與泄漏空氣混合，計(jì)算結(jié)果并不會(huì)受此順序的影響。因此，需在排出各紙張模塊的3股物流之后增設(shè)“濕熱空氣混合”的信息流模塊(見(jiàn)圖4虛線框所示)。增設(shè)的濕熱空氣混合信息流模塊相當(dāng)于把氣罩模塊的求解切割為2個(gè)相對(duì)獨(dú)立的步驟：①首先根據(jù)已知的3股濕熱空氣流的狀態(tài)確定進(jìn)入氣罩的總的濕熱空氣流的狀態(tài)；②然后再求解氣罩模塊的輸出未知變量。

圖4　氣罩模塊圖示

通過(guò)對(duì)圖4的分析，得到氣罩模塊的自由度為：27-13-1-6=7。根據(jù)質(zhì)量與能量平衡關(guān)系，分別列出進(jìn)出氣罩模塊的物料(空氣)平衡方程和能量平衡方程以及關(guān)鍵的關(guān)系方程式，為:

(8)

其中，泄漏空氣量M14ia′與總排放量M14oa的關(guān)系式為：

M14ia′=ZleakM14oa

(9)

式中，Zleak為氣罩本身的泄漏系數(shù)，是氣罩內(nèi)外壓差而引起的泄漏空氣量占?xì)庹峙棚L(fēng)量的比例。密閉氣罩的泄漏系數(shù)一般為20%~30%，而半封閉氣罩的泄漏系數(shù)會(huì)更高，可達(dá)40%~50%[13]。

2.4風(fēng)機(jī)模塊

風(fēng)機(jī)模塊包括了送風(fēng)機(jī)和抽風(fēng)機(jī)模塊。送風(fēng)機(jī)模塊的作用是通過(guò)持續(xù)不斷地為袋區(qū)送入新鮮空氣，以維持紙張表面水蒸發(fā)的傳質(zhì)驅(qū)動(dòng)力。抽風(fēng)機(jī)模塊的作用則是把吸收了水蒸氣的濕熱空氣排出紙機(jī)干燥部，同樣是為了維持高效的干燥速率和能源利用率。

鑒于送風(fēng)機(jī)和抽風(fēng)機(jī)的工作原理相同，即通過(guò)將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的形式為紙張干燥提供所需要的送風(fēng)量或排風(fēng)量。本研究中，風(fēng)機(jī)模塊主要用來(lái)計(jì)算送(抽)風(fēng)機(jī)在紙張干燥過(guò)程所需的電耗。風(fēng)機(jī)模塊消耗的電能與通風(fēng)量的關(guān)系式為[12]：

(10)

式中，K為電機(jī)容量?jī)?chǔ)備系數(shù)，一般取1.2~1.3；Wfan為實(shí)際工況下風(fēng)機(jī)的進(jìn)口風(fēng)量(m3/s)；Pfan為實(shí)際工況下風(fēng)機(jī)的全風(fēng)壓(Pa)；ηfan為全風(fēng)壓運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的風(fēng)機(jī)效率，可取0.8。

圖5　PM1干燥部模塊結(jié)構(gòu)圖及模擬結(jié)果

3干燥部模擬-案例應(yīng)用

選取某新聞紙機(jī)(記作PM1)干燥部為模擬對(duì)象。根據(jù)干燥部模塊劃分依據(jù)，對(duì)該紙機(jī)干燥部進(jìn)行模塊劃分(見(jiàn)圖5)，共有17個(gè)基本模塊組成。PM1用于生產(chǎn)幅寬4.8 m、定量48 g/m2的新聞紙，車速為1500 m/min，設(shè)計(jì)產(chǎn)能為540 t/d。進(jìn)出干燥部紙張干度分別為48%和92%。

模型計(jì)算需要的假設(shè)參數(shù)是PM1設(shè)計(jì)參數(shù)和經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，取值依次為：烘缸組模塊的散熱系數(shù)取5%、乏汽比取10%；汽水分離模塊進(jìn)冷凝水的汽化比取3%；風(fēng)機(jī)模塊的電機(jī)容量?jī)?chǔ)備系數(shù)K取1.2，實(shí)際工況下風(fēng)機(jī)的全風(fēng)壓取2400 Pa(風(fēng)機(jī)銘牌)，全風(fēng)壓運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的風(fēng)機(jī)效率取0.8；熱回收模塊的換熱效率取60%，空氣加熱模塊的換熱效率取80%，紙張模塊的散熱系數(shù)取3%，氣罩模塊的泄漏系數(shù)取30%、散熱系數(shù)取10%。

圖5中各模塊右下角的數(shù)字編號(hào)為模型的計(jì)算順序。按照此計(jì)算順序，采用Matlab編程依次對(duì)各模塊進(jìn)行求解，直至各紙張模塊的出紙干度與實(shí)際測(cè)試值接近，則認(rèn)為模擬完成。若兩者不符，則通過(guò)改變各烘缸組的進(jìn)汽流量(即改變傳給紙張的熱量)來(lái)調(diào)節(jié)出各紙張模塊的紙張干度。PM1干燥部的模擬結(jié)果如圖5所示，由此可以清楚地了解該干燥部?jī)?nèi)各模塊間的關(guān)系。

為檢驗(yàn)計(jì)算過(guò)程本身是否正確，對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了能量平衡驗(yàn)證，即分別計(jì)算進(jìn)出PM1干燥部的各項(xiàng)能量；結(jié)果顯示，進(jìn)出PM1干燥部各項(xiàng)能量之和的相對(duì)誤差為2.1%；在計(jì)算誤差允許范圍之內(nèi)(小于5%)，可認(rèn)為進(jìn)出PM1干燥部的能量是平衡的。

如圖5所示，初始干度為48%的濕紙張物流為39.68 t濕紙/h，經(jīng)過(guò)第1個(gè)紙張模塊后蒸發(fā)了2.34 t水/h，紙張干度增至51.0%；經(jīng)過(guò)第2個(gè)紙張模塊后蒸發(fā)了3.57 t水/h，紙張干度增至56.4%；經(jīng)過(guò)第3個(gè)紙張模塊后蒸發(fā)了7.16 t水/h，紙張干度增至71.6%；經(jīng)過(guò)最后一個(gè)紙張模塊后蒸發(fā)了5.87 t水/h，紙張干度升至91.9%(已基本達(dá)到工藝設(shè)定值92%)，此時(shí)對(duì)應(yīng)的成紙產(chǎn)量為20.74 t/h。從紙張干度和產(chǎn)量來(lái)看，模擬結(jié)果與實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)吻合，故認(rèn)為模擬結(jié)果可以反映PM1干燥部各模塊的實(shí)際情況。

根據(jù)模擬結(jié)果，還可以推算PM1干燥過(guò)程的水分蒸發(fā)速率、干燥能源強(qiáng)度以及干燥效率等指標(biāo)。計(jì)算結(jié)果顯示，每小時(shí)生產(chǎn)20.74 t干度為92%的新聞紙或蒸發(fā)18.94 t水，PM1需要消耗的蒸汽總量為24.91 t/h(各烘缸組模塊消耗的蒸汽流量見(jiàn)圖5，分別為3.49、2.95、8.99、6.36 t/h)。其中，4個(gè)烘缸組消耗的蒸汽量為21.79 t/h，占干燥部總蒸汽消耗量的88%，其余12%的蒸汽用于加熱預(yù)熱后的新鮮空氣。據(jù)此，生產(chǎn)每噸紙的蒸汽消耗量為24.91/20.74=1.20 t蒸汽/t紙。PM1干燥部蒸汽的總熱流率為68.01 GJ/h，排出干燥部冷凝水的熱流率為9.73 GJ/h，故蒸發(fā)每噸水需要的熱量為：(68.01-9.73)/18.94=3.08 GJ/t水。該能耗計(jì)算結(jié)果均在PM1實(shí)際運(yùn)行范圍之內(nèi)。另外，根據(jù)通風(fēng)量求得的送風(fēng)機(jī)的電耗為241 kWh/h，抽風(fēng)機(jī)的電耗為345 kWh/h，相當(dāng)于噸紙送(抽)風(fēng)機(jī)的總電耗為28 kWh/t紙。上述對(duì)PM1模擬結(jié)果的分析表明，建立的干燥部靜態(tài)模型基本能達(dá)到仿真工程實(shí)際。

4結(jié)束語(yǔ)

按照三段通汽式干燥部工藝流程，在“輸入已知、輸出未知”和“先烘缸、再通風(fēng)、后紙張”的原則指導(dǎo)下，以烘缸組為最小建模單元，根據(jù)聯(lián)立模塊法的建模思路，自上而下地構(gòu)建了紙機(jī)干燥部的靜態(tài)模型。該模型由8個(gè)基本模塊組成，即烘缸組模塊、汽水分離模塊、表面冷凝模塊、風(fēng)機(jī)模塊、熱回收模塊、空氣加熱模塊、紙張模塊和氣罩模塊。紙機(jī)干燥部模型可由這些基本模塊的子模型根據(jù)實(shí)際干燥工藝特點(diǎn)組合而成。本研究重點(diǎn)對(duì)烘缸組模塊、紙張模塊、氣罩模塊和風(fēng)機(jī)模塊給予了詳細(xì)說(shuō)明。

對(duì)某新聞紙機(jī)(PM1)的模擬結(jié)果顯示，經(jīng)各紙張模塊去除的水量依次為2.34、3.57、7.16、5.87 t水/h，紙張干度依次為51.0%、56.4%、71.6%、91.9%，與實(shí)際測(cè)試干度基本一致。PM1干燥部每小時(shí)蒸發(fā)18.94 t水(生產(chǎn)20.74 t新聞紙)需要消耗新鮮蒸汽總量為24.91 t，其中，12%的蒸汽用于加熱預(yù)熱后的新鮮空氣。生產(chǎn)每噸紙需要消耗蒸汽1.20 t，計(jì)算結(jié)果與實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)基本吻合，說(shuō)明所開發(fā)的干燥部靜態(tài)模型基本能做到較準(zhǔn)確地模擬紙機(jī)干燥部用能現(xiàn)狀。

本研究對(duì)紙機(jī)干燥部進(jìn)行了建模與模擬，所建模型更符合干燥部的工藝流程規(guī)則，便于從整體上了解紙機(jī)干燥部的物流和能流信息，并考慮了與干燥過(guò)程有關(guān)的能量消耗和效率因素，有利于對(duì)紙機(jī)干燥部用能現(xiàn)狀進(jìn)行分析。此外，還可以借此研究某些操作參數(shù)對(duì)干燥過(guò)程的影響，這對(duì)于干燥部節(jié)能優(yōu)化具有一定的參考價(jià)值。

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(責(zé)任編輯：關(guān)穎)

綜述

Modeling and Simulation of Paper Machine Dryer Section Based on Its Process Flow

KONG Ling-bo1,2,*LIU Huan-bin2LI Ji-geng2YIN Yong-jun2

(1.TianjinKeyLabofPulpandPaper,TianjinUniversityofScienceandTechnology,Tianjin, 300457；

2.StateKeyLabofPulpandPaperEngineering,SouthChinaUniversityofTechnology,Guangzhou,GuangdongProvince, 510640)

(*E-mail: lbkong@tust.edu.cn)

Abstract：Based on the drying process of three-stage steam heating paper machine dryer section, a static model for paper machine dryer section was developed using sequential modular approach. The input parameters of the model were known and the output parameters were unknown. The dryer group was chose as the basic modeling unit. The cylinder modular, ventilation modular and paper modular were built consequently according to the drying techniques. As a case study, the static model of a newsprint machine dryer section was then constructed according to its specific drying process and conditions. The mass and energy flows information of each basic modular were presented in the results. The simulated results were basically consistent with the practical operation of the paper machine. The model was in line with the drying techniques and it could be useful for energy analysis in dryer section.

Keywords：paper machine; dryer section modeling; drying process

作者簡(jiǎn)介：孔令波，男，1984年生；助理研究員；主要從事造紙干燥過(guò)程優(yōu)化與節(jié)能研究。

基金項(xiàng)目：華南理工大學(xué)制漿造紙工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金(201422)。

收稿日期：2015- 04-23

中圖分類號(hào)：TS755

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1000- 6842(2015)04- 0044- 07