纸机压榨部的水分检测和控制技术T

纸机压榨部的水分检测和控制技术
唐志超
摘要：本文介绍了造纸机压榨水分检测和控制的作用和最新技术进展，提出了一种专门用于过程优化和诊断的可以伸缩的压榨水分扫描架。

Abstract: This paper covers the updated developments of measurement and
control on the press section of paper machine and draws attention to optimisation and diagnostic tool for press process. Described the related
factors which influence the dewatering efficiency of press section. Web Q-P
moisture scanner is extendable to fit various machine width for temporarily
machine tuning purpose.
关键词：压榨水分检测；诊断工具，横向水分控制
1.概述
目前就世界纸机自动化控制的分布而言，基本上侧重于纸机的一头一尾，即流送系统的绝干浆量，留着率，电荷，除气等的检测和控制，和卷取部成纸的各种质量指标的检测和控制。

虽然众所周知造纸机压榨部对于纸张质量和运行效率都是至关重要的，但是实际上目前在压榨部所采取的自动化检测和控制手段是非常有限的，几乎没有什么可视化的手段来优化工况。

纸机压榨水分扫描检测的重要性在于：（1）能够准确全面的在线评价压榨部工况；（2）根据水分横向分布来迅速判断出问题是来自湿部还是干部；（3）能够作为横向水分控制的反馈信号，缩短控制周期。

本文就华章电气最新研发的纸机压榨部专用水分检测系统及其诊断应用做一深入的介绍。

2.湿部脱水的检测和控制的现状
现在大多数脱水相关参数的调整都是通过直接的手动调节来实现的，只有约30%的影响脱水的参数进行了闭环自动化控制，国内多数造纸厂的自动控制水平可能还远远低于这个估计。

这意味着在借助于自动化技术对现有湿部设备进行改造以提高生产效率方面仍有很大的空间。

机械调整或其他诸多脱水相关因素的人工调整一般是由有经验的造纸操作人员根据结合过去的最佳经验而决定的，这些调整要综合考虑多方面因素，诸如刮刀，成型网，毛布，和辊子胶层的磨损状况，各种过程参数如生产品种，车速，蒸汽压力，上网浓度等等。

由于所涉及的这些因素是时刻在变化着的，所以必须持续不断的了解这些变化因素，这就对造纸自动化提出了新的要求。

举例说，比如当更换毛布以后，毛布吸水箱往往降低真空度，而当毛布老化透气性下降时，则采用比较高的真空度，以平衡脱水能力，而这个变化过程在毛布的使用寿命期内是连续的但不是均匀的。

为了保持毛布的良好状态，消除或减少过程波动，不少造纸厂对压榨部化学品施加进行了半自动化控制，但目前尚没有实现自动化闭环控制，因此并没有恰当的方法得知化学品的添加量是否处于动态最佳值。

化学清洗的效果也是不均一的，它会随着毛布寿命极限的到来而越来越小。

显然，从流送到压榨布的末端，有很多潜在的因素可以被优化，但是，问题是现在用于压榨部控制和优化的检测手段十分有限。

3.压榨部的水分检测的意义
传统上QCS是安装在施胶压榨或者卷取机之前的，检测信号用于控制各种纸机纵向和横向的参数变化。

但是这些检测均无法用于对进入烘干部的纸页的质量进行检测和优化控制，也无法用于对压榨部工况优化和毛布管理。

这种传统的方法仅仅局限于对压榨部，烘干部诸多因素作用的最终综合结果进行检测，有时能对施胶压榨工况进行检测。

考虑到现代化造纸机的压榨部设计十分紧凑，在预热烘缸附近进行压榨后水分检测是实际采用的比较多的位置，它是在湿纸页还没有开始蒸发的预热阶段检测出压榨部的纸页水分和温度，检测具有如下重要意义：
1）检测位置：这是造纸机能用于压榨后水分检测的最靠近的位置，选择这样的检测点决定了这种检测更注重的是脱水过程的条件的监控，而不是传统的干燥后的纸张质
量检测。

2）诊断功能：检测集中关注压榨部上游的过程参数变化而不是任何下游的动态。

这个功能使得造纸操作人员能很有把握的而不是根据经验或猜测去进行如下的各项工
作：
●压榨辊线压力
●中高调整
●吸水箱真空度
●压榨毛布冲水
●高压冲水
●毛布导辊的动作
3）横向水分自动控制：对于压榨部的蒸汽箱和化学增干横向水分控制来说，由于压榨水分扫描架安装位置靠近压榨部，横向水分控制响应就更快，一般只有几
秒钟，而传统的烘干部回湿横向水分控制必须采用干部扫描结果来控制，其滞
后时间很长。

4）过程优化：能根据压榨后的水分检测横向曲线判断和调整诸多过去凭经验决定的参数是否合理，比如压辊中高，线压力，蒸汽箱的蒸汽用量和温度等等。

5）毛布管理：
a)借助于计算机的界面，结合压榨后水分检测结果，过程参数和相关的商业数据
库，可以将对毛布的工况进行动态的监控和优化，以达到在毛布寿命期限内取
得更好的脱水效果。

b)借助于出压榨水分检测结果，可以通过调节毛布相关设备的条件如真空度，张
紧度来缩短新毛布的初始适应期。

c)通过水分趋势记录对毛布选择和更换提供依据。

d)能及时发现毛布表面缺陷对纸页脱水造成的影响。

6）对质量和产量的影响：
a)通过压榨后水分检测和蒸汽箱横向水分控制，能降低出压榨的平均水分从而能
节约蒸汽或者提高车速。

b)由于进入烘干部的湿纸幅横向水分分布更均匀，烘干部回湿横向水分控制执行
器的总喷水量会减少，有利于减轻烘干负荷，为提高车速创造了条件。

c)由于出压榨的湿纸幅横向水分分布均匀，有利于减少断头和由于收缩不均一而
造成的各种纸病和操作问题。

这里介绍的检测，控制和诊断不应该被视同为传统的质量控制系统(QCS)，它为同类在线检测系统带来了一个新的定义：即专注于某个单体设备比如压榨部的工况和运行效果的检测和优化。

压榨后检测结果比传统的QCS检测有更广的过程优化和诊断用途，比如毛布分析，压辊状况，判断高频率干扰，关于质量，毛布和辊子的趋势数据库。

这个系统所配备的带有诊断显示的人机界面十分友好，能帮助操作人员快速的判断过程问题。

4.关于WEBQ P型造纸压榨水分检测系统的介绍
WebQ P是某公司为造纸机压榨部专门设计的水分在线扫描检测系统，它是一种实用的造纸机湿部工况诊断工具，能帮助造纸人员及时的分析压榨部的效率和可能存在的问题。

针对诊断需求，某公司开发了扫描幅宽可以在1600~6000毫米内随意调节的扫描架，并申请了国家专利。

该系统装有双光路的红外线水分传感器的水分扫描系统，传感器内置在扫描架里，在周围恶劣的环境下能得到很好的保护。

WebQ P水分测量系统能可以集成在压榨部的DCS、QCS使用，WebQ P带有国际通用的现场总线协议方便的实现和第三方设备的无缝连接。

这是一套完整的压榨部检测和横向控制系统，可以与现有的QCS结合使用，也可以单独运行。

图1 反射式红外水分工作原理图
1）压榨水分检测系统的技术特点
● 双光路的红外线水分传感器能快速、高精度地检测出物体的纵向和横向的水分分布情
况。

● 独特的光学设计提供了0-65%的水分测量范围。

● 高可靠性通过一个完整的检查光路的程序来保证。

● 四波长八光束的双光路的水分传感器光路结构能最小化由于物料的形状、散射系数、
成分带来的误差，减少标定次数。

● 高温环境、密封设计保证了恶劣环境下的可靠性。

● 在传感器头上通压缩空气阻止污染物和凝结物聚集在光路上。

● 绝缘的扫描架外壳消除了潜在的危险。

● 紧凑的外表很容易安装在离被测物50-100mm 处
● 内衬钢丝的聚酯传送带能提供足够强的拉力，并且有优异的热稳定性。

该传送带同时
又是扫描架的密封带，防止外界潮湿空气和粉尘的进入。

● 采用轴承滑动，平稳而精确，磨损非常小，使用寿命长。

● 配有鼓风系统，使扫描架内部保持正压，能有效防止外界潮湿空气和粉尘的进入。

图3 WebQ P-II 型可伸缩扫描架 图4 WebQ P-I 型扫描架
图3所显示的是一种作为临时扫描检测使用的扫描架，图4所显示的是一种用于横向水分控制的扫描架。

图2 压榨水分检测系统结构图 操作站 -扫描架控制 -实时、历史曲线
现场总线
打印机 电机
探测器
反射镜 灯泡
调制盘
物料 内光路
外光路 第三方DCS 或QCS 系统
2）扫描架的规格和性能
外围尺寸：380x420，包括了内置的传感头
最大长度：5000mm
180度往复扫描
扫描速度：可达到200mm/s
单点位置精度：±0.1 mm
最大周围环境温度：60℃
最大相对湿度：90%
电源要求：220V，50Hz,1KW
扫描驱动：高精度步进驱动及其控制系统
传感器冷却风量：31m³/h
扫描器内部清洁空气量：1020 m³/h
测量范围：0-65%水分
测量精度：0.2% 水分
重复性：±0.1%
测量点：40mm斑点
响应时间：低于40ms
3）压榨部水分检测报表
图5和图6是在浙江某白纸版机压榨部诊断检测所得到的结果,定量250克/米2，车速170米/分钟，门幅2640毫米。

图5坐标式水分显示图
图6色块式水分显示图
从图5可以看出，压榨部水分分布是传动边高，操作边低，如果这与该机卷取部的QCS 检测结果趋势一致，说明水分横向偏差的原因来自压榨部；反之，如果不一致，说明水分横向偏差的原因来自干部。

图6是用不同的颜色来表示整卷纸的水分分布，颜色与水分的对应关系可以自定义，比如红色表示低水分，绿色表示正常范围的水分，兰色表示高水分，这样能一目了然的了解整卷纸的水分分布。

色块图的优点是能够发现坐标图所不能反应的局部问题，比如，仔细观察图6就能看到，水分沿着时间坐标呈现周期性波动，通过周期对比能帮助查明原因，比如该案例经对比检查，系流送系统的气泡引起的的周期波动所至。

推而广之，这种图象化的报告系统也可以用作QCS的其他指标报表显示，比如定量，灰分等等，并且能作为ERP的子系统为经营管理提供一手资料，有很强的实用价值。

5.结论
1）压榨水分扫描检测使得操作人员能根据可视化信息准确的判断问题的来源从而采取相应的措施。

湿部的水分横向曲线能反映下列因素的变化：毛布，辊子，纸张质量和压榨部总体条件设定。

2）即使在没有横向自动化控制系统的条件下，借助于这个可视化的工具，通过对真空﹑高压水，线压力等等常用的调整手段也能收到良好的优化压榨工况的效果。

生产操作人员能很快接受压榨后水分扫描，并将其作为改善纸机运行效率的一个强有力的工具。

其应用还对改善纸张质量，降低蒸汽消耗有所贡献，根据国外经验和我们的实践，在压榨部检测和控制水分能收到如下效果：
●出压榨水分含量降低： 1.5- 2.0%
●潜在蒸汽节约：5-10%
●或，潜在增速能力：5-10%
●更干的纸页，断头减少：10-20%
●出压榨横向水分改善：10-30%（在原有横向水分控制的基础上的改善率）
●减少烘干部回湿喷水量
●改进最终产品质量
●更有效的横向水分控制
●改善毛布工况：
●缩短新毛布适应时间
●延长毛布寿命
●提高产量和质量
3）应用智能化手段对压榨部进行优化将成为一种新的技术发展趋势，因为这是用最经济的手段将昂贵的压榨设备的优越性发挥到淋漓尽致的必然选择。