Wyniki wyszukiwania - BazTech

Ograniczanie wyników

Znaleziono wyników: 1

Liczba wyników na stronie

Wyniki wyszukiwania

Wyszukiwano:
w słowach kluczowych: układ wodno-masowy

Sortuj według:

Ogranicz wyniki do:

Równowaga dynamiczna w układzie wodno-masowym maszyny papierniczej

Olejnik K.

Zeszyty Naukowe. Rozprawy Naukowe / Politechnika Łódzka

2011

Z. 413

1-147

W każdym prawidłowo funkcjonującym, ustabilizowanym i ciągłym procesie technologicznym ustala się pewna dynamiczna równowaga, którą w technologii papieru ogólnie określa się jako równowagę technologiczną. Równowagę tę definiują określone wskaźniki kryterialne (fizyczne, fizykochemiczne, chemiczne), które umożliwiają jednoznaczną charakterystykę stanu procesu technologicznego. Najczęściej wskaźniki te mają również decydujący wpływ na przebieg tego procesu. W przypadku produkcji papieru równowagę technologiczną w procesie kształtują równowagi cząstkowe: wodna, masowa, fizykochemiczna, cieplna i mikrobiologiczna. Podstawowymi wskaźnikami, które charakteryzują te równowagi, są: jednostkowe zużycie wody świeżej, stężenie substancji stałych i rozpuszczonych w układzie wodno-masowym maszyny papierniczej, temperatura panująca w tym układzie oraz ilość i rodzaj rozwijających się w nim mikroorganizmów. W przeszłości, kiedy stosowano surowce włókniste najwyższej jakości i nie istniały ograniczenia zużycia wody świeżej, układ technologiczny procesu wytwarzania papieru był stosunkowo mało skomplikowany i posiadał otwartą strukturę liniową. Panująca w nim równowaga technologiczna nie była więc czynnikiem, który mógłby w sposób istotny ograniczać przebieg produkcji. Natomiast współczesny przemysł papierniczy podlega ciągłym zmianom wymuszanym przez czynniki ekonomiczne, środowiskowe i społeczne. Efektem tych zmian jest m.in. zwiększanie wykorzystania surowców wtórnych, ograniczanie zużycia wody świeżej i ilości odprowadzanych ścieków. Ponieważ specyfika procesu wytwarzania papieru wymusza stosowanie dużych ilości wody, obniżanie zapotrzebowania na ten surowiec odbywa się poprzez zastępowanie go wodami poprodukcyjnymi krążącymi w procesie. Uwzględniając fakt, że w trakcie produkcji papieru zachodzą złożone zjawiska fizykochemiczne, współczesny układ technologiczny maszyny papierniczej można przyrównać do wielostopniowego reaktora z częściowym zawracaniem wybranych strumieni reagentów z różnych etapów przebiegu procesu. Strumienie cyrkulacyjne, niosąc określony ładunek substancji stałych i rozpuszczonych, oddziałują w sposób wtórny na proces produkcyjny, w efekcie czego układ technologiczny nabiera cech systemu okresowo nieustalonego, obarczonego dodatkowo szeregiem opóźnień. Proces produkcji papieru należy ponadto do systemów wieloparametrowych typu MIMO (Multiple Input Multiple Output). Oznacza to, że przebieg tego procesu jest uzależniony od wielu parametrów, które często są ze sobą wzajemnie sprzężone. Wszystkie te czynniki powodują, że do sterowania takim procesem konieczne jest stosowanie najbardziej wyrafinowanych wieloprocesorowych systemów komputerowych, w których wykorzystuje się m.in. hierarchiczne sterowanie rozproszone (DCS), wielowymiarowe sterowanie predykcyjne (MPC) z modelami cząstkowymi, logikę rozmytą, sieci neuronowe i inne. W dalszym ciągu nie daje to jednak 100% gwarancji poprawnego przebiegu procesu produkcyjnego. Zmniejszanie jednostkowego zużycia wody świeżej staje się obecnie szczególnie trudnym problemem w technologii papieru. Efektem ciągłego, wtórnego wykorzystywania wód obiegowych jest bowiem znacząca zmiana równowagi technologicznej panującej w procesie produkcyjnym. W skrajnym przypadku może to prowadzić do destabilizacji tego procesu, a w efekcie do obniżenia jego wydajności i pogorszenia jakości produktu. Dodatkową trudnością jest fakt, że zmiany poszczególnych parametrów mogą zachodzić w różnych przedziałach czasowych. Badania nad równowagą technologiczną procesu produkcji papieru mają więc obecnie duże znaczenie praktyczne, jednakże wyniki uzyskiwane w trakcie pomiarów wykonywanych w warunkach przemysłowych często są mało precyzyjne. Wynika to głównie ze wzrostu stopnia skomplikowania współczesnych układów technologicznych, skrócenia czasów trwania poszczególnych operacji jednostkowych, a także na skutek działania układów automatyki korygujących na bieżąco poszczególne parametry procesu. Dalszy rozwój i wszelkie działania optymalizacyjne w tym przemyśle coraz bardziej zaczynają więc zależeć od dokładności modeli matematycznych oraz programów komputerowych, które umożliwiają symulowanie i analizowanie określonych sytuacji bez konieczności ingerencji w układ rzeczywisty. Powyższe czynniki spowodowały podjęcie prac mających na celu opracowanie modelu, a następnie całej aplikacji umożliwiającej badania zmian zachodzących w równowadze technologicznej układu wodno-masowego maszyny papierniczej ze szczególnym uwzględnieniem cząstkowych równowag: wodnej, masowej i fizykochemicznej. Prace na modelem były poprzedzone badaniami doświadczalnymi, dzięki którym określono szybkość uwalniania się zanieczyszczeń stałych i rozpuszczalnych przenikających do wód technologicznych papierni z uwzględnieniem rodzaju surowca włóknistego, jego stężenia i temperatury. Eksperymentalnie wyznaczono też zależności pomiędzy ograniczeniem zużycia wody świeżej a ilością zanieczyszczeń kumulujących się w wodach obiegowych. Wyznaczono ogólny wzór, który pozwala określić zmianę wskaźnika opisującego daną równowagę cząstkową w zależności od jednostkowego zużycia wody świeżej. Na podstawie danych doświadczalnych oraz rozważań teoretycznych wyznaczono równania pozwalające na ilościowe określenie wielkości zmian zachodzących w równowadze technologicznej w modelowanym układzie oraz wyznaczenie czasu trwania tych zmian. Równania te wykorzystano następnie w opracowanym symulatorze układu wodno-masowego maszyny papierniczej. Aplikacja ta została wyposażona w interfejs zbliżony wyglądem i funkcjonalnością do rzeczywistego systemu sterowania maszyną papierniczą. Oprócz równań bilansowych dotyczących badanych równowag cząstkowych, w programie uwzględniono typowe dla maszyn papierniczych układy sterowania automatycznego (oparte zarówno o regulatory lokalne typu PID, jak i układy sterowania hierarchicznego), co pozwoliło dokładniej odtwarzać zachowanie się rzeczywistego układu przemysłowego. Matematyczny opis modelowanego układu technologicznego zajął ponad 1500 linii kodu, natomiast cały program obejmuje ponad 20.000 linii kodu. Statyczna weryfikacja opracowanego modelu i programu symulacyjnego wykazała, że narzędzie to odwzorowuje zmiany zachodzące w badanym procesie technologicznym z zadowalającą dokładnością. Dzięki temu stało się możliwe dokładniejsze, ilościowe określenie stanu równowagi technologicznej panującej w badanym układzie technologicznym oraz wyznaczenie czasów ustalania się poszczególnych równowag cząstkowych w badanym układzie. W wyniku przeprowadzonych symulacji wykazano m.in., że zmniejszanie jednostkowego zużycia wody świeżej pociąga za sobą wykładniczy wzrost stężenia zawiesiny oraz substancji rozpuszczalnych w wodzie obiegowej w maszynie papierniczej oraz wydłuża czas ustalenia się nowej równowagi technologicznej w badanym układzie technologicznym. Przykładowo, zmniejszenie jednostkowego zużycia wody świeżej z 220 m3/t do 5 m3/t spowodowało dwukrotny wzrost stężenia zawiesiny w wodzie obiegowej i wydłużenie czasu stabilizacji się równowagi technologicznej z około 2,5 minuty do ponad 130 minut, co w warunkach rzeczywistych może stanowić istotne utrudnienie dla efektywnej kontroli i regulacji procesu produkcyjnego. Stwierdzono ponadto, że najszybciej stabilizuje się równowaga masowa, natomiast najdłużej ustala się równowaga fizykochemiczna związana z organicznymi substancjami rozpuszczalnymi. Opracowany program umożliwił również analizę nieustalonych stanów przejściowych będących odpowiedzią układu technologicznego na wprowadzane w nim zmiany. Opracowane narzędzie oraz przedstawione wyniki badań stanowią przyczynek do uzupełnienia dotychczasowej wiedzy na temat funkcjonowania układu wodno-masowego maszyny papierniczej.

Every properly functioning, stable continuous technological process operates under certain dynamically balanced conditions. In general, this state can be described as a "Technological Equilibrium" of a process. To be useful, technological equilibrium of any process should be precisely determined by physical, physico-chemical and technological parameters. In case of paper production process, technological equilibrium is a set of the following partial equilibriums: water, mass, physico-chemical, microbiological and thermal. These equilibriums can be characterized by the following factors: specific water consumption, consistency of suspended and dissolved (organic and inorganic) solids in a technological water, amount and species of microorganisms in a technological water and temperature of a technological water. In the past, when high quality raw materials were used and fresh water consumption did not restrict the process, technological system of a paper mill had relatively simple, open and linear structure. As a result, technological equilibrium in such a system had a minor impact on the process and did not limit it. Modern paper industry is strongly influenced by economic, environmental and social factors. For example, there is a pressure for higher utilization of recycled materials and reduction of both fresh water consumption and waste water effluent. Unfortunately, a characteristic feature of paper production is its internal, high demand for water, which cannot be easily reduced in practice. Therefore, lower specific water consumption can be achieved only by replacing the fresh water with circulating post production (technological) waters. One must remember that a lot of very complex phenomena occur in modern papermaking process, thus this process can be compared with multi-stage reactor where certain streams of reagents from different stages of a process are recirculated. In papermaking, recirculated streams carry a load of suspended and dissolved solids and secondarily affect the process. As a result, this process can be considered as a unsteady with a dead-time presence. In addition, papermaking process is a MMO system (Multiple Input Multiple Output) which means that it depends on several parameters simultaneously. A lot of these parameters are also coupled. All above factors cause, that the most sophisticated solutions must be used in order to control this process including hierarchical distributed control systems, multivariable model predictive control systems, fuzzy logic, neural networks etc. However, it still does not guarantee absolutely stable operations. Nowadays, decrease of the specific fresh water consumption is one of the most difficult tasks in papermaking. Increased usage of circulating technological waters leads to significant change of the technological equilibrium in paper mill. In extreme situation, it can result in unstable process parameters, lower production efficiency and quality. Therefore, investigations related to technological equilibrium in paper production nowadays are fundamental from practical point of view. Unfortunately, results obtained during industrial measurements are often not reliable. Complexity of the process, short dwell times and constant parameter corrections by control systems are the main reasons. That is why further development and optimization in this industry depend on accuracy of mathematical models and computer software which provide the possibility of process simulations and analysis without without a necessity to interfere with a real system. As a result of above factors, presented work was undertaken. The main objective of this work was to develop the model and computer application for investigation and analysis of the technological equilibrium in water-mass loops of a paper machine system, especially including: water equilibrium, mass equilibrium and physico-chemical equilibrium. The main task of the research was preceded by laboratory experiments related to kinetics of fines fraction development in technological waters of a paper mill and desorption of dissolved solids from papermaking pulps. Temperature, consistency and pulp type were the main variables. Relationships between specific fresh water consumption and accumulation of suspended and dissolved solids in technological waters were also determined. As a result of the analysis, an empirical formula was generated that -for the assumed specific fresh water consumption - enables to determine the value of a given partial equilibrium. Obtained results were subsequently used during development of the mathematical model and process simulator of a wet-end part of a paper machine. DCS-like interface was also implemented into the application. Main control loops similar to real control systems of a paper machine (including PID local controllers) were implemented as well. Mathematical description of the model in the application takes about 1500 lines of code. Full program code takes about 20.000 lines. Steady-state verification of the developed model and the application showed that it works with satisfactory accuracy, thus it made possible to determine quantitatively the state of technological equilibrium with high precision. Based on the results obtained from simulations it was found that decrease of the specific fresh water consumption caused exponential growth of the consistency of both suspended and dissolved solids and extended the time of stabilization of technological equilibrium in the investigated process. For example, decrease of specific fresh water consumption from 220 m3/t to 5 m3/t doubled the consistency of suspended solids in technological waters and extended stabilization time of the technological equilibrium from 2,5 minutes to 130 minutes. I was also found that the time of mass equilibrium stabilization was the shortest. On the other hand, the time of stabilization of a physico-chemical equilibrium related to organic compounds was the longest. Proposed software enabled also the possibility of analysis of unstable, transient states which originated from a system response to applied changes. Presented results and developed application are the complement to the knowledge of the functioning of a technological system of a paper machine.