Nghiên cứu phương pháp điều khiển phối hợp nhiều lô sấy để nâng cao ổn định độ ẩm giấy

Luận văn thạc sĩ phân tích nghiên cứu phương pháp điều khiển phối hợp nhiều lô sấy nhằm nâng cao mức độ ổn định độ ẩm của giấy, đánh giá thực trạng, chỉ ra hạn chế, đề xuất giải

• Tác giả: Bùi Văn Bình
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Văn Chí
• Trường học: Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên
• Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa
• Đề tài: Nghiên cứu phương pháp điều khiển phối hợp nhiều lô sấy nhằm nâng cao mức độ ổn định độ ẩm của giấy
• Loại tài liệu: luận văn thạc sỹ kỹ thuật
• Năm xuất bản: 2015
• Địa điểm: Thái Nguyên

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
• LỜI NÓI ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT GIẤY VÀ VẤN ĐỀ TIÊU THỤ NĂNG LƯỢNG
• 1.1. Tổng quan về quá trình sản xuất giấy
• 1.2. Vấn đề tiêu thụ năng lượng trong quá trình sản xuất giấy
• 1.3. Vấn đề tiết kiệm năng lượng trong quá trình sản xuất giấy
• 1.4. Vai trò của việc nâng cao độ ổn định của phần ướt
• 1.5. Nâng cao chất lượng điều khiển phần tháo nước
• 1.6. Nâng cao hiệu quả phần sấy khô
• 1.7. Cách giải quyết của đề tài
• 1.8. Kết luận chương 1
• 2. CHƯƠNG 2: ĐIỀU KHIỂN ÁP SUẤT HƠI TRONG QUÁ TRÌNH SẤY
• 2.1. Cấu hình của các lô sấy trong công đoạn sấy khô
• 2.2. Hệ thống hơi và nước ngưng
• 2.3. Mạch vòng điều khiển độ ẩm
• 2.4. Mô hình hệ thống hơi và nước ngưng
• 2.5. Mô hình vật lý của một lô sấy
• 2.6. Nhận dạng mô hình áp suất hơi
• 2.7. Hiệu chỉnh mô hình của áp suất hơi
• 2.8. Nhận dạng mô hình áp suất hơi sử dụng phương pháp nhận dạng hộp xám
• 2.9. Điều khiển áp suất hơi trong hệ thống sấy
• 2.10. Hiện tượng quá điều chỉnh áp suất hơi khi dùng bộ điều khiển PID cho mạch vòng điều chỉnh áp suất hơi
• 2.11. Khắc phục hiện tượng quá điều chỉnh áp suất trong điều khiển ổn định độ ẩm của giấy sử dụng điều khiển feedback và feedforward
• 2.12. Điều khiển áp suất hơi trong lô sấy sử dụng sách lược phản hồi trạng thái
• 2.13. Kết luận chương 2
• 3. CHƯƠNG 3: ĐIỀU KHIỂN ĐỘ ẨM CỦA GIẤY TRONG PHẦN SẤY KHÔ
• 3.1. Mô hình của phần sấy khô
• 3.2. Mô hình động học của áp suất hơi bão hòa đi vào trong lô sấy
• 3.3. Mô hình hệ thống thổi khí
• 3.4. Phương pháp Mid-Ranging
• 3.5. Điều khiển ổn định độ ẩm của giấy sử dụng Mid-ranging của hệ thống khí
• 3.6. Thiết kế mô hình và điều khiển
• 3.7. Kết quả mô phỏng
• 3.8. Kết luận chương 3
• 4. CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM TẠI CÔNG TY GIẤY HVT
• 4.1. Giới thiệu về hệ thống seo của công ty HVT
• 4.2. Nhận dạng mô hình hệ thống hơi đưa vào lô sấy
• 4.3. Kết quả điều khiển độ ẩm
• 4.4. Kết luận chương 4
• KẾT LUẬN CHUNG CỦA LUẬN VĂN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Phương pháp điều khiển phối hợp lô sấy

Phương pháp điều khiển phối hợp lô sấy là một giải pháp tiên tiến nhằm nâng cao hiệu quả trong quá trình sản xuất giấy. Việc áp dụng phương pháp điều khiển phối hợp giúp tối ưu hóa quá trình sấy, từ đó ổn định độ ẩm của giấy. Độ ẩm là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến chất lượng giấy, do đó việc kiểm soát độ ẩm một cách chính xác là cần thiết. Hệ thống lô sấy được thiết kế để hoạt động đồng bộ, giúp giảm thiểu sự biến động độ ẩm trong quá trình sản xuất. Điều này không chỉ tiết kiệm năng lượng mà còn nâng cao chất lượng sản phẩm cuối cùng.

1.1. Ổn định độ ẩm giấy

Độ ẩm của giấy cần được duy trì trong một khoảng nhất định để đảm bảo chất lượng sản phẩm. Việc sử dụng công nghệ sấy giấy hiện đại cho phép kiểm soát độ ẩm một cách hiệu quả. Các phương pháp như điều khiển PID và điều khiển phản hồi trạng thái đã được áp dụng để giảm thiểu sự thay đổi độ ẩm. Kết quả cho thấy rằng việc ổn định độ ẩm không chỉ giảm thiểu lượng giấy bị loại bỏ mà còn tiết kiệm năng lượng đáng kể trong quá trình sản xuất.

1.2. Hiệu quả sấy giấy

Hiệu quả của quá trình sấy giấy được đánh giá qua khả năng loại bỏ nước và duy trì độ ẩm ổn định. Quy trình sấy giấy cần được tối ưu hóa để giảm thiểu năng lượng tiêu thụ. Việc áp dụng các phương pháp điều khiển hiện đại giúp cải thiện hiệu suất sấy, từ đó nâng cao chất lượng giấy. Các nghiên cứu cho thấy rằng việc giảm thiểu sự thay đổi độ ẩm trong quá trình sấy có thể dẫn đến việc tiết kiệm nguyên liệu và năng lượng, đồng thời tăng cường độ bền của sản phẩm.

II. Công nghệ sấy giấy

Công nghệ sấy giấy hiện đại đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao chất lượng sản phẩm. Hệ thống sấy giấy được thiết kế với nhiều lô sấy hoạt động đồng bộ, giúp tối ưu hóa quá trình loại bỏ nước. Việc sử dụng công nghệ sấy tiên tiến không chỉ giúp tiết kiệm năng lượng mà còn đảm bảo độ ẩm của giấy được duy trì ổn định. Các nghiên cứu cho thấy rằng việc áp dụng các phương pháp điều khiển hiện đại có thể cải thiện đáng kể hiệu quả sấy, từ đó nâng cao chất lượng giấy.

2.1. Kiểm soát độ ẩm

Kiểm soát độ ẩm trong quá trình sấy là một yếu tố quan trọng để đảm bảo chất lượng giấy. Việc áp dụng các phương pháp điều khiển như kiểm soát độ ẩm giúp duy trì độ ẩm trong khoảng cho phép. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc ổn định độ ẩm không chỉ giảm thiểu lượng giấy bị loại bỏ mà còn tiết kiệm năng lượng trong quá trình sản xuất. Điều này cho thấy tầm quan trọng của việc kiểm soát độ ẩm trong quy trình sản xuất giấy.

2.2. Tối ưu hóa quy trình sấy

Tối ưu hóa quy trình sấy là một trong những mục tiêu chính trong sản xuất giấy. Việc áp dụng các công nghệ mới giúp cải thiện hiệu suất sấy, từ đó nâng cao chất lượng sản phẩm. Các phương pháp như điều khiển Mid-Ranging đã được áp dụng để kiểm soát tốt hơn sự thay đổi của độ ẩm. Kết quả cho thấy rằng việc tối ưu hóa quy trình sấy không chỉ giúp tiết kiệm năng lượng mà còn nâng cao chất lượng giấy, đáp ứng yêu cầu của thị trường.

III. Kết quả thực nghiệm tại Công ty Giấy HVT

Kết quả thực nghiệm tại Công ty Giấy HVT cho thấy rằng việc áp dụng phương pháp điều khiển phối hợp nhiều lô sấy đã mang lại hiệu quả rõ rệt trong việc ổn định độ ẩm của giấy. Các số liệu thu thập được cho thấy sự giảm thiểu đáng kể trong biến động độ ẩm, từ đó nâng cao chất lượng sản phẩm. Việc tiết kiệm năng lượng cũng được ghi nhận, cho thấy tính khả thi của phương pháp này trong thực tiễn sản xuất.

3.1. Đánh giá hiệu quả

Đánh giá hiệu quả của phương pháp điều khiển phối hợp cho thấy rằng việc áp dụng công nghệ mới đã giúp cải thiện đáng kể chất lượng giấy. Các chỉ số về độ ẩm và năng lượng tiêu thụ đều cho thấy sự cải thiện rõ rệt. Điều này chứng tỏ rằng việc áp dụng công nghệ sấy giấy hiện đại là cần thiết để nâng cao hiệu quả sản xuất.

3.2. Ứng dụng thực tiễn

Ứng dụng thực tiễn của phương pháp điều khiển phối hợp tại Công ty Giấy HVT đã chứng minh tính khả thi và hiệu quả của nó trong sản xuất giấy. Việc ổn định độ ẩm không chỉ giúp nâng cao chất lượng sản phẩm mà còn tiết kiệm năng lượng, từ đó giảm chi phí sản xuất. Điều này cho thấy rằng việc áp dụng các phương pháp điều khiển hiện đại là cần thiết để đáp ứng yêu cầu ngày càng cao của thị trường.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Ngành công nghiệp sản xuất giấy là một lĩnh vực tiêu thụ năng lượng lớn, trong đó công đoạn sấy khô chiếm tới khoảng 80% tổng năng lượng tiêu thụ cho mỗi tấn giấy. Ví dụ, một nhà máy giấy có công suất 1000 tấn/ngày nếu giảm được 0.1% dao động độ ẩm sẽ tiết kiệm được khoảng 365 tấn nguyên liệu thô mỗi năm. Độ ẩm của giấy là thông số quan trọng nhất trong quá trình sản xuất, ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng sản phẩm và hiệu quả năng lượng. Tuy nhiên, việc điều khiển ổn định độ ẩm trong công đoạn sấy khô gặp nhiều khó khăn do đặc tính phức tạp của hệ thống, bao gồm sự biến đổi của áp suất hơi, tốc độ máy, chất lượng nguyên liệu và các yếu tố môi trường.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là phát triển phương pháp điều khiển phối hợp nhiều lô sấy nhằm nâng cao mức độ ổn định độ ẩm của giấy, qua đó cải thiện chất lượng sản phẩm và tiết kiệm năng lượng trong công đoạn sấy khô. Nghiên cứu tập trung vào việc xây dựng mô hình chính xác cho từng lô sấy, áp dụng các chiến lược điều khiển hiện đại như Mid-Ranging và kết hợp điều khiển feedback-feedforward để giảm thiểu hiện tượng quá điều chỉnh áp suất hơi. Phạm vi nghiên cứu được thực hiện tại Công ty Cổ phần giấy Hoàng Văn Thụ, Thái Nguyên, với dữ liệu thực nghiệm thu thập trong quá trình vận hành máy sản xuất giấy công nghiệp.

Nghiên cứu có ý nghĩa thiết thực trong việc nâng cao hiệu quả sản xuất giấy, giảm thiểu tiêu hao năng lượng và tăng tính cạnh tranh cho các nhà máy giấy hiện hữu, đặc biệt trong bối cảnh giá năng lượng ngày càng tăng cao và yêu cầu chất lượng sản phẩm ngày càng khắt khe.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình điều khiển hiện đại trong kỹ thuật điều khiển và tự động hóa, bao gồm:

• Mô hình IZP và ZPP: Mô hình IZP (Integrator-Pole-Zero) mô tả động học áp suất hơi trong lô sấy với đặc tính có một khâu tích phân, một điểm cực và một điểm không. Mô hình ZPP (Zero-Pole-Pole) được phát triển để khắc phục nhược điểm của IZP, thay thế khâu tích phân bằng một điểm cực nhằm phản ánh chính xác hơn đặc tính tần số thấp của hệ thống.
• Bộ điều khiển PID hai bậc tự do: Giúp tách biệt việc kháng nhiễu tải và bám theo tín hiệu đặt, giảm thiểu hiện tượng quá điều chỉnh trong mạch vòng điều khiển áp suất hơi.
• Chiến lược điều khiển Mid-Ranging: Áp dụng để điều khiển phối hợp áp suất hơi và lưu lượng khí thổi vào buồng máy nhằm kiểm soát độ ẩm giấy hiệu quả hơn.
• Phản hồi trạng thái và bộ lọc Kalman: Sử dụng để thiết kế bộ điều khiển phản hồi trạng thái, giúp điều chỉnh vị trí điểm cực của hệ thống, loại bỏ hiện tượng quá điều chỉnh và ước lượng biến trạng thái không đo được.

Các khái niệm chính bao gồm: áp suất hơi bão hòa, độ ẩm giấy, mô hình động học lô sấy, điều khiển PID, feedforward-feedback, nhận dạng mô hình hộp xám, và hệ thống thổi khí.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng dữ liệu thực nghiệm thu thập từ hệ thống sản xuất giấy tại Công ty Cổ phần giấy Hoàng Văn Thụ, Thái Nguyên. Cỡ mẫu dữ liệu gồm hàng nghìn điểm trích mẫu với chu kỳ 1 giây, thu thập tín hiệu độ mở van hơi và áp suất trong lô sấy. Phương pháp chọn mẫu là lấy mẫu liên tục trong quá trình vận hành thực tế để đảm bảo tính đại diện.

Phương pháp phân tích chính bao gồm:

• Nhận dạng mô hình hộp xám (Subspace Identification): Dùng thuật toán N4SID để xác định các tham số mô hình ZPP từ dữ liệu vào ra, giúp mô hình hóa chính xác động học áp suất hơi.
• Mô phỏng số bằng Matlab/Simulink: Thực hiện mô phỏng các cấu trúc điều khiển PID kết hợp feedforward và phản hồi trạng thái để đánh giá hiệu quả giảm hiện tượng quá điều chỉnh.
• Phân tích thống kê và đánh giá độ phù hợp mô hình: Sử dụng sai số bình quân phương và độ fit mô hình để đánh giá mức độ chính xác của mô hình nhận dạng.

Timeline nghiên cứu kéo dài trong khoảng một năm, bao gồm các giai đoạn thu thập dữ liệu, xây dựng mô hình, thiết kế điều khiển, mô phỏng và thử nghiệm thực tế.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Mô hình ZPP nhận dạng từ dữ liệu thực nghiệm có độ fit đạt 98.3%, phản ánh chính xác đặc tính động học áp suất hơi trong lô sấy, cải thiện đáng kể so với mô hình IZP truyền thống.
2. Hiện tượng quá điều chỉnh áp suất hơi khi sử dụng bộ điều khiển PID truyền thống được xác định là do đặc tính có điểm không và điểm cực trong mô hình động học, gây dao động lớn và ảnh hưởng tiêu cực đến độ ổn định độ ẩm giấy.
3. Phương pháp kết hợp điều khiển feedback và feedforward với hai khâu bổ sung F(s) và T(s) đã loại bỏ hoàn toàn hiện tượng quá điều chỉnh áp suất, tạo ra đáp ứng áp suất dạng khâu quán tính bậc nhất có trễ, giúp độ ẩm giấy ổn định hơn.
4. Bộ điều khiển phản hồi trạng thái thiết kế dựa trên mô hình bậc hai chuẩn đã thành công trong việc loại bỏ điểm không gây quá điều chỉnh, đạt được đáp ứng áp suất ổn định, không có dao động quá mức, thời gian đạt trạng thái ổn định khoảng 300 giây.

Thảo luận kết quả

Kết quả nhận dạng mô hình ZPP cho thấy việc thay thế khâu tích phân bằng điểm cực giúp mô hình phản ánh chính xác hơn đặc tính tần số thấp của hệ thống, điều này rất quan trọng trong việc thiết kế bộ điều khiển hiệu quả. Việc sử dụng bộ điều khiển PID hai bậc tự do kết hợp feedforward giúp tách biệt chức năng kháng nhiễu và bám theo tín hiệu đặt, giảm thiểu dao động và hiện tượng quá điều chỉnh, từ đó nâng cao độ ổn định độ ẩm giấy.

So với các nghiên cứu trước đây chỉ sử dụng mô hình chung cho toàn bộ lô sấy, nghiên cứu này đã xây dựng mô hình riêng cho từng lô sấy kế tiếp nhau, giúp điều khiển phối hợp hiệu quả hơn, phù hợp với đặc tính biến đổi của từng lô. Việc áp dụng chiến lược Mid-Ranging trong điều khiển lưu lượng khí thổi cũng góp phần thúc đẩy quá trình bay hơi, nâng cao độ ổn định độ ẩm.

Dữ liệu thực nghiệm và mô phỏng cho thấy các giải pháp điều khiển đề xuất không chỉ cải thiện chất lượng giấy mà còn tiết kiệm năng lượng đáng kể, phù hợp với yêu cầu thực tiễn của các nhà máy giấy hiện nay.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Triển khai áp dụng phương pháp điều khiển phối hợp nhiều lô sấy với mô hình ZPP và bộ điều khiển PID hai bậc tự do kết hợp feedforward tại các nhà máy giấy có công suất lớn, nhằm nâng cao độ ổn định độ ẩm giấy và tiết kiệm năng lượng trong vòng 6-12 tháng.
2. Phát triển hệ thống đo lường và thu thập dữ liệu tự động liên tục cho từng lô sấy, đảm bảo dữ liệu chính xác phục vụ nhận dạng mô hình và điều khiển thích nghi, do phòng kỹ thuật tự động hóa chịu trách nhiệm thực hiện trong 3-6 tháng.
3. Áp dụng bộ điều khiển phản hồi trạng thái kết hợp bộ lọc Kalman để ước lượng biến trạng thái không đo được, nâng cao hiệu quả điều khiển và giảm thiểu dao động, triển khai thử nghiệm trong vòng 6 tháng tại các dây chuyền sản xuất hiện có.
4. Tăng cường đào tạo nhân viên vận hành và bảo trì về các phương pháp điều khiển hiện đại và công nghệ nhận dạng mô hình, giúp nâng cao năng lực vận hành và bảo dưỡng hệ thống điều khiển mới, thực hiện liên tục trong năm đầu tiên.
5. Khuyến nghị nghiên cứu mở rộng áp dụng chiến lược Mid-Ranging kết hợp điều khiển lưu lượng khí thổi và áp suất hơi cho các loại giấy đặc biệt, nhằm tối ưu hóa chất lượng và tiết kiệm năng lượng trong dài hạn.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Kỹ sư tự động hóa và điều khiển trong ngành sản xuất giấy: Nắm bắt các phương pháp điều khiển hiện đại, mô hình hóa hệ thống sấy, áp dụng vào thực tế để nâng cao hiệu quả sản xuất.
2. Quản lý kỹ thuật và vận hành nhà máy giấy: Hiểu rõ các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng giấy và tiêu hao năng lượng, từ đó đưa ra các quyết định đầu tư và cải tiến phù hợp.
3. Nhà nghiên cứu và sinh viên chuyên ngành kỹ thuật điều khiển và tự động hóa: Tham khảo các phương pháp nhận dạng mô hình hộp xám, thiết kế bộ điều khiển PID hai bậc tự do, phản hồi trạng thái trong môi trường công nghiệp thực tế.
4. Chuyên gia tư vấn và phát triển công nghệ trong ngành giấy: Áp dụng các kết quả nghiên cứu để tư vấn giải pháp tiết kiệm năng lượng, nâng cao chất lượng sản phẩm cho các nhà máy giấy trong và ngoài nước.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao độ ẩm giấy lại quan trọng trong sản xuất giấy?
Độ ẩm ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng giấy, khả năng xử lý tiếp theo và giá trị sản phẩm. Độ ẩm không ổn định có thể gây lỗi trong các công đoạn cán, tráng bóng và in ấn, làm tăng tỷ lệ loại bỏ giấy và tiêu hao năng lượng.

2. Mô hình ZPP có ưu điểm gì so với mô hình IZP?
Mô hình ZPP thay thế khâu tích phân bằng điểm cực, giúp phản ánh chính xác hơn đặc tính tần số thấp và đáp ứng động học thực tế của hệ thống, từ đó cải thiện hiệu quả điều khiển và giảm hiện tượng quá điều chỉnh.

3. Phương pháp điều khiển Mid-Ranging là gì?
Mid-Ranging là chiến lược điều khiển kết hợp nhiều biến đầu vào (áp suất hơi và lưu lượng khí thổi) để kiểm soát độ ẩm giấy hiệu quả hơn, tận dụng ưu điểm của từng biến để thúc đẩy quá trình bay hơi và ổn định độ ẩm.

4. Làm thế nào để giảm hiện tượng quá điều chỉnh áp suất hơi trong lô sấy?
Sử dụng bộ điều khiển PID hai bậc tự do kết hợp hai khâu feedforward F(s) và T(s) giúp loại bỏ hiện tượng quá điều chỉnh, tạo ra đáp ứng áp suất ổn định, đồng thời có thể áp dụng bộ điều khiển phản hồi trạng thái để điều chỉnh vị trí điểm cực.

5. Việc áp dụng các phương pháp điều khiển hiện đại có thể tiết kiệm bao nhiêu năng lượng?
Theo ước tính, giảm được 0.1% dao động độ ẩm có thể tiết kiệm khoảng 365 tấn nguyên liệu thô mỗi năm cho nhà máy 1000 tấn giấy/ngày, tương đương tiết kiệm năng lượng đáng kể và giảm chi phí sản xuất.

Kết luận

• Nghiên cứu đã xây dựng và nhận dạng thành công mô hình ZPP cho từng lô sấy, cải thiện độ chính xác so với mô hình truyền thống.
• Phân tích và khắc phục hiện tượng quá điều chỉnh áp suất hơi bằng bộ điều khiển PID hai bậc tự do kết hợp feedforward và bộ điều khiển phản hồi trạng thái.
• Áp dụng chiến lược điều khiển Mid-Ranging phối hợp áp suất hơi và lưu lượng khí thổi giúp nâng cao độ ổn định độ ẩm giấy và tiết kiệm năng lượng.
• Thử nghiệm thực tế tại Công ty Cổ phần giấy Hoàng Văn Thụ cho thấy hiệu quả rõ rệt về chất lượng sản phẩm và tiết kiệm nhiên liệu.
• Đề xuất triển khai áp dụng rộng rãi các giải pháp điều khiển hiện đại trong ngành sản xuất giấy, đồng thời phát triển hệ thống đo lường và đào tạo nhân lực để nâng cao hiệu quả vận hành.

Nghiên cứu mở ra hướng đi mới cho việc tối ưu hóa công đoạn sấy khô trong sản xuất giấy, góp phần nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm trong bối cảnh cạnh tranh và yêu cầu tiết kiệm năng lượng ngày càng cao. Các nhà quản lý và kỹ sư trong ngành được khuyến khích áp dụng và phát triển tiếp các giải pháp này nhằm đạt hiệu quả tối ưu.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 đã trình bày tổng quan về quá trình sản xuất giấy, đưa ra và phân tích vấn đề tiệu thụ năng lượng trong quá trình sản xuất giấy, trong đó phần chiếm nhiều nhất về năng lượng đó chính là công đoạn sấy khô. Căn cứ vào đó đề tài đưa ra cách giải quyết của đề tài với hướng tiết kiệm năng lượng thông qua việc điều chỉnh ổn định độ ẩm của giấy sử dụng điều chỉnh áp suất hơi đưa qua van với mục đích không tạo ra quá điều chỉnh khi bơm hơi bão hòa vào lô sấy, qua đó giảm thiểu sự dao động về áp suất hơi trong lô sấy và sử dụng phương pháp Mid-ranging nhằm can thiệp vào việc điều chỉnh lượng gió đưa vào buồng sấy. Trang 18 Chương 2 ĐIỀU KHIỂN ÁP SUẤT HƠI TRONG QUÁ TRÌNH SẤY 2.1 Cấu hình của các lô sấy trong công đoạn sấy khô Cách đơn giản nhất để bốc hơi nước ra khỏi màng giấy là sử dụng nhiệt ẩn có trong hơi quá nhiệt. Sử dụng hơi quá nhiệt đưa tới các lô sấy là một phương pháp hiệu quả để sấy khô giấy, năng lượng sử dụng ở phương pháp này được chứng minh là có giá rẻ hơn ¼ so với các phương pháp khác, ngoài ra phương pháp này còn có một ưu điểm như mức độ độc hại thấp, dễ dàng vận chuyển và khả năng mang nhiệt cao.

Vì phần lớn lượng nhiệt tạo ra được tồn tại dưới dạng nhiệt ẩn cho nên lượng nhiệt lớn có thể truyền một cách hiệu quả tại một nhiệt độ bằng hằng số nào đó, đây là một phương thức dùng phổ biến không những trong ngành giấy mà còn trong rất nhiều ngành công nghiệp khác. Mặt khác, khi hơi quá nhiệt sau khi đã đi qua quá trình công nghệ, lượng nhiệt còn lại vẫn có thể tận dụng được để chạy máy phát điện tự dùng, sau đó quay trở lại gia nhiệt thêm và bắt đầu một chu trình sinh công mới, điều này làm giảm chi phí tổng thể của quá trình sản xuất. Giấy có độ ẩm cao được dẫn qua một loạt các lô sấy như Hình 2-1, có 2 loại gồm hệ thống lô sấy một lớp và hệ thống lô sấy hai lớp [2]. Hình 2-1 Mô hình của hệ thống lô sấy một lớp (bên phải) và hai lớp (bên trái) Khi hơi quá nhiệt đi vào các lô sấy, nó sẽ giải phóng năng lượng nhiệt qua các lỗ trên bền mặt của lô sấy và ngưng tụ thành nước, nước ngưng được đưa quay trở lại Trang 19 nồi hơi.

Hơi quá nhiệt được dẫn tới các lô sấy ở phần sau của máy (được gọi là mặt điều khiển), và nước ngưng được lấy ở phần mặt trước của máy (được gọi là mặt vận hành). Đối với một số máy sản xuất giấy, đặc biệt là máy có công suất lớn, nước ngưng được lấy ra từ hai mặt. Việc tháo nước ngưng có một vai trò quan trọng quyết định đến việc truyền nhiệt của các lô sấy, qua đó cho thấy sự cần thiết phải dẫn một số lượng hơi quá nhiệt nhất định đi qua các ống truyền cùng nhau với phần nước ngưng.2 Hệ thống hơi và nước ngưng Mục đích của hệ thống hơi và nước ngưng là cung cấp một khối lượng hơi cụ thể vào trong các lô sấy và lấy lại từ đó phần nước ngưng. Các lô sấy trong phần sấy khô được chia thành các nhóm sấy khác nhau, thông thường có từ 5 đến 10 nhóm sấy.

Áp suất của hơi quá nhiệt được đưa vào các nhóm sấy khác nhau được điều khiển theo một giản đồ dọc theo chiều dài của toàn bộ phần sấy, từ nhóm sấy đầu tiên đến nhóm sấy cuối cùng. Ống dẫn hơi quá nhiệt Các ống dẫn hơi quá nhiệt vào 6 lô sấy Lô sấy 1 Lô sấy 2 Lô sấy 3 Lô sấy 4 Lô sấy 5 Lô sấy 6 Ống nước ngưng Hình 2-2 Mô hình của hệ thống sấy và nước ngưng Vì hơi bên trong các lô sấy có thể coi là bão hòa vì nó có sự ngưng tụ liên tục tại vách của các lô sấy, đó là một mối liên quan trực tiếp giữa áp suất hơi và nhiệt độ của hơi. Đối với hầu hết các lớp giấy, áp suất hơi sấy khô sẽ tăng dần dần theo các lý do về khả năng và giới hạn vận hành. Theo một cách đơn giản nhất, cách để đưa hơi quá nhiệt đến các nhóm sấy khác nhau là có thể dẫn tất cả hơi quá nhiệt từ đầu phân phối hơi nước và tháo trực tiếp xuống bộ ngưng tụ nước.

Hình 2-3 mô tả một hệ thống điều khiển nước ngưng Trang 20 đơn giản với 02 nhóm sấy. Việc xả hơi nước từ nhóm sấy A và hơi giãn nở (khi nước ngưng tụ gặp áp suất thấp trong bình ngưng, bốc hơi và tạo ra hơi mới gọi là hơi giãn nở) từ bể chứa A được dẫn tới nhóm sấy B, nhóm sấy B làm việc tại một áp suất thấp hơn. Bộ điều khiển PC2 điều chỉnh độ mở van và qua đó thêm vào một lượng hơi từ đầu phân phối hơi nước nhằm duy trì áp suất mong muốn của nhóm sấy B. Ống dẫn hơi quá nhiệt Nhóm sấy B Nhóm sấy A Đưa tới hệ thống trữ nước ngưng Bể chứa B Bể chứa A Hình 2-3 Minh họa hệ thống điều khiển nước ngưng Điều này có nghĩa là phải cực tiểu hóa sai lệch áp suất giữa nhóm sấy A và nhóm sấy B.

Sai lệch áp suất này phụ thuộc vào điểm vận hành và các đặc điểm của máy. Sai lệch áp suất giữa hai nhóm sấy được điều chỉnh bởi bộ điều khiển PDC, trong Hình 2-3, nhóm B có áp suất thấp nhất trong hệ thống và qua đó bể chứa B phải xả hơi tới bộ ngưng tụ. Nhóm sấy có điểm vận hành cao hơn ấp suất khí quyển và phải có bộ ngưng tụ để đảm bảo trong bể ngưng có áp suất thấp hơn.3 Mạch vòng điều khiển độ ẩm Để điều khiển chất lượng của giấy, người ta sử dụng hệ thống điều khiển chất lượng (QCS – quality control system), QCS được chia thành 2 phần cho hai chiều riêng biệt, phần dọc theo máy (MD – machine direction control) và phần ngang máy (CD – Cross direction control). Kỹ thuật truyền thống là đo các tín hiệu của MD và CD bằng cách quét trên giấy sử dụng một cảm biển.

Cảm biến được gắn vào đế của máy quét và di chuyển qua lại theo chiều ngang của tờ giấy, phụ thuộc vào tốc độ Trang 21 của máy mà đường quét của cảm biến có hình zig – zag như Hình 2-4. Điều đó có nghĩa là sự thay đổi của các đại lượng đo theo CD và MD được tổ hợp cùng nhau trên đường này. Trong tài liệu [14] các tác giả sử dụng thuật toán bình phương cực tiểu để ước lượng các địa lượng đo theo CD và sử dụng bộ lọc Kalman để xác định các thành phần theo MD, tiếp theo các tác giả trong tài liệu [15] đã đề xuất quỹ đạo cảm biến quét theo hình ellipe bằng cách thay đổi tốc độ quét của cảm biến hoặc sử dụng 02 cảm biến chuyển động theo hai hướng ngược nhau để tăng chất lượng ước lượng các đại lượng CD và MD. Hình 2-4 Đường quét zig zag của cảm biến tạo thành trên tờ giấy Như đã đề cập ở trên, mục tiêu của các phép đo các đại lượng MD và CD là phục vụ cho bài toán điều khiển, bài toán điều khiển độ ẩm MD sẽ được thực hiện bằng cách thay đổi áp suất của hơi trong phần sấy khô.

Để đánh giá chất lượng của giấy đối với các biến cần điều khiển người ta sử dụng các đại lượng thống kê như chỉ tiêu 2σ hoặc độ lệch chuẩn. Tất cả các cuộn giấy khi sản xuất ra đều có bản báo cáo về chỉ tiêu 2σ CD và 2σ MD đối với độ ẩm và khối lượng của giấy. Hình vẽ sau minh họa độ thay đổi của độ ẩm và khối lượng của giấy trong thực tế, trong đó giá trị đặt của độ ẩm là 4.3%, của khối lượng là 80g/m2, chỉ tiêu 2σ của độ ẩm là 0.056% và của khối lượng là 0. Trang 22 Độ ẩm (%) Khối lượng (g/m2) Thời gian (s) Hình 2-5 Sự thay đổi độ ẩm và khối lượng của giấy Những giá trị trên là những giá trị trung bình của toàn bộ cuộn giấy khi sản xuất ra.

Khi điều khiển, để đảm bảo chất lượng của giấy người ta dùng các chỉ tiêu này. Giá trị đặt của độ ẩm và khối lượng thường không thay đổi và được duy trì bằng hằng số trong một khoảng thời gian dài. Cấu trúc của mạch vòng điều khiển áp suất như Hình 2-6, trong đó máy quét sẽ quét lần lượt độ ẩm của giấy của từng nhóm sấy, tín hiệu này gửi tới bộ điều khiển áp suất của hơi nóng đưa vào nhóm sấy tương ứng. Giá trị đặt tương ứng cua áp suất hơi được tính toán và thực hiện mạch vòng điều khiển, các giá trị đặt này sẽ khác nhau đối với từng nhóm sấy [2].

Nhóm Nhóm Nhóm Nhóm Nhóm Nhóm Máy sấy 1 sấy 2 sấy 3 sấy 4 sấy 5 sấy 6 quét Hướng máy Hình 2-6 Cấu trúc của vòng điều khiển độ ẩm sử dụng 01 máy quét và có 06 nhóm sấy Trang 23 Giá trị đặt của áp suất hơi Nhóm Nhóm Nhóm Nhóm Nhóm Nhóm sấy 1 sấy 2 sấy 3 sấy 4 sấy 5 sấy 6 Hình 2-7 Giá trị đặt của áp suất hơi đưa vào từng nhóm sấy Các giá trị đặt này được tính toán một cách tối ưu, ∆P là lượng khác nhau giữa áp suất mong muốn giữa các nhóm sấy, lượng này phụ thuộc vào tốc độ máy seo, kiểu ống truyền nước, kích thước ống ngưng tụ và ống dẫn hơi, thông thường ∆P = 50kPa. Vì hệ thống sấy được chia thành các nhóm khác nhau, do vậy hệ thống là MISO, nhiều đầu vào (áp suất hơi đưa vào từng nhóm sấy) và một đầu ra là độ ẩm của giấy. Nói cách khác hệ thống sấy có nhiều bậc tự do. Theo cách truyền thống, tất cả các bộ điều khiển áp suất hơi của từng nhóm sấy sẽ được điều khiển bám theo một tín hiệu giống nhau.

Bộ điều khiển áp suất sẽ tính toán áp suất đặt cho một nhóm nào đó, được gọi là nhóm dẫn chính, các nhóm còn lại áp suất đặt sẽ được tính toán theo một công thức tỷ lệ với áp suất đặt của nhóm dẫn chính. Như ở Hình 2-6 và Hình 2-7, nhóm sấy 5 là nhóm dẫn chính, nó có áp suất cao nhất, nhóm này nhận giá trị áp suất đặt từ bộ điều khiển áp suất, giá trị đặt của các nhóm còn lại được tính toán từ giá trị đặt của nhóm sấy 5 như Hình 2-8.