Способ контроля длительности прохождения древесного материала через вертикальный варочный котел непрерывного действия Советский патент 1989 года по МПК D01C3/02 

I

Изобретение относится к целлюлозно-бумажному производству и может быть использовано для контроля движения пакета 1цепы в варочных установках непрерывного действия типа Камюр.

Цель изобретения - повышение точности определения времени прохождения древесного материала по каждой зоне варочного котла.

На фиг.1 схематически представлены зоны варочного котла;на фиг.2 устройство реализации способа, через которые проходит древесный материал в процессе варки (I - зона пропитки, II - зона нагрева, III - зона варки, IV - зона диффузионной промывки), параметры движения древесного материала, соответствующие границам зон, концентрация С,-, скорость V-,перепады давления по высоте каждой зоны АР,, а также напряжения, вызываемые трениями древесного материала о поверхности сит отбора щелока Ц .

Перепад давления dP на элементарном слое высотой dx пакета щепы в котле, возникающий вследствие фильтрации жидкой фазы через твердую, равен

dP r (U - V) dx

(1)

где г - удельное сопротивление филтрации;U,V - скорости жидкой и твердой

фаз.

Из уравнения равновесия элементарного слоя следует, что перепад давления по высоте зоны от сечения х ; 1 до х равен х

4Р, 4, + S (Ге(х)

(2)

R

Ь (x))dx ,

де 1 с(х)

Чг

R б(х)

напряжение в пакете; концентрация древесного материала в сечении х; вес 1 кг щепы, погруженной в жидкость; радиус сечения котла; касательное напряжение, вызванное трением пакета о стенки котла;

i(x) К тр(х) - С(х) ,

где К Тр - коэффициент трения.

При нормальных условиях эксплуатации напряжением, вызванным трением пакета о стенки котла, мржно пренебречь. Однако на фильтрующих сетках циркуляции пакет испытывает значительную силу трения, которая зави

сит от состояния поверхности стенок, скорость движения пакета, расхода щелока в циркуляциях и фильтрующих свойств пакета в данном сечении. Засорение сит отбора щелока древесным материалом сопровождается резким увеличением коэффициента трения, а следовательно, и напряжения в районе сит. В дальнейшем под бч понимается среднее напряжение, действующее в районе сита отбора i-й зоны варочного котла. Из уравнений (1) и (2) следует, что перепады давления содержат не только информацию о параметрах движения древесного материала, но и информацию о параметрах сопротивления движению, т.е.

20

4Р; Р/С,, V,-, U,- ,6;)

(3)

Напряжения, вызванные трением, влияют на параметры движения.

Для разработки способа оценки параметров движения по имеющимся в распоряжении измерениям на основании исследований компрессионных и фильтрующих свойств древесного материала при варке получены зависимости между параметрами движения материала на границах зон варочного котла, параметрами сопротивления движению и измеряемыми сигналами. При нулевых начальных условиях уравнения зон в отклонениях параметров, преобразованные по Лапласу, имеют следующий вид. Для верхней зоны котла () уравнение уровня щепы в котле:

Рх0 + V0 &Ј. , (4.1)

L О

где х 0 - отклонение уровня столба

щепы в котле;

QAp - массовый расход абс. сухой древесины, подаваемый в котел. Дня I зоны (i 1):

V0 3iLlx0 + ai4Vf + balUt; (4,2) С, а3,х0 + a34V, + bjiU, (4 3) Для других зон (i 2, 3, 4):

V;., a 1;il,1 Cf., + a ; ( 4 (;«.,) X ,

X V; + b j, 4; + Ьг;,ги,

4,4)

С

а 2, f, -2(,1 х

X V., + Ь 2 , -м , , + Ь 1; + f, -z U,f

(4.5)

где а | и b i . - передаточные функции комплексной переменной Р.

Скорость движения жидкой фазы в верхней части котла до зоны экстрак ции щелока постоянна, т.е.

U, Ui U3

Взаимосвязь между зонами в COOT- ветствии с уравнениями (4.1) - (4.5) иллюстрирует структурная схема на фиг.1Ј. Для большинства звеньев входными сигналами являются концентрация на верхней границе зоны и скорость на нижней, а выходными сигналами - концентрация на нижней границе и скорость на верхней.

Параметры уравнений (4.1) - (4.5) можно разделить на две категории. К 1-й относятся те параметры,которые характеризуют процесс движения пакета щепы по котлу. В совокупности они составляют вектор состояния Y:

х0, V0, С,, V,, С,, Vlf

С3, V

3 С 4

где Т - признак транспортирования х0 - изменение уровня щепы в котле;

Ve, V,,

Vr, V3 - скорости движения твердой фазы в сечениях 0,1,2,3.

С t 1

С , С . - концентрация твердой фазы в соответствующих сечениях.

Ко 2-й категории относятся параметры, характеризующие внешние и внутренние воздействия (возмущения влияющие на процесс движения пакета древесного материала и независящие от этого процесса). Они составляют вектор возмущений W:

T

fQ 4p & 1 U 3 4

и,, u4, v4

I

(6)

где Q др - массный расход древесины на входе в котел;

0

62 з

64 - касательные напряжения,

вызванные трением пакеV

та щепы о стенки котла в районе сит отбора щелока;

U 1 - скорость движения жидкой фазы в верхней части котла до зоны экстракции щелока;

U 4 - скорость жидкой фазы в

зоне диффузионной промывки, движущейся навстречу твердой фазе;

V4 - скорость древесного материала в зоне выгрузки котла, обусловленная скоростью вращения дон-т ного шабера.

С использованием обозначений векторов Y и W уравнения (401) - (4,5) записываются в матричной форме

AY BW ,(7)

25 Где А и В - передаточные матрицы, состоящие из элементов а и Ь, причем в матрице А все диагональные элементы, кроме первого, 30равны а , -1, i 1.

Была получена также система уравнений, связывающая совокупность используемых измерений с параметрами движения и параметрами сопротивле- 35 ния движению древесного материала.

Первое уравнение измерения - измерение уровня щепы в котле.

Z, Х0 4- Ј,

(8.1)

40

В дальнейшем будем обозначать 1-е измерение через Z;, а ошибку 1-го измерения Ј;. Тогда

5

г (ЭР, h 1и хс + h1|3 С,

+ Ј

i

Zb h3,j

0

+ 1

3,1

С, + h 3r 5

61+ Ј3;

Z, UP, Ьд, С- + h 4.7 С

5

+ 1 4| s d. s 4- Ј 4

Z5 ДР h y C3 + h c,9

+ 1 f(4 d4 + Ј5+(8.2)

7 + (8.3)

ъ + (8.4)

f + (8.5)

где Za, Z3,

Z4, Zj - измерения перепадов давлений по высоте зон котла.

Измерение нагрузки на донный ш бер определяет концентрацию массы

I

в зоне выгрузки:

+ Et

(8.6) 10

Произведение измерений объемного расхода выдуваемой массы и ее концентрации равно текущей производительности варочного котла по цел- люлозе Q чел., которая зависит от концентрации С 4 и скорости V4 древесного материала в зоне выгрузки:

Z 7 Q

цел - h 7, э С 4

+ 1 7i1 V4 + fi (8.7)

Измеряемые величины разности температур щелока на входе и выходе из подогревателей верхней и нижней зон нагрева котла зависят от скорости движения твердой и жидкой фаз в этих зонах:

где Z |fZ(Z4...

II

- вектор измерений;

t-llt,. .. Ti

чим

- вектор ошибок

измерений;

Y - вектор параметров состояния процесса движения твердого материала;

W - вектор возмущений;

Н и L - передаточные матрицы, состоящие из элементов h -н и 1 р k Из уравнения (8) получаем

W ( -A) Y , (10) Тогда, подставив (1) и (10) получим

Z HY + L(B А) + Ј (Н + L (В A)) Y + Ј.

(11)

Изобретение относится к целлюлозно-бумажный промышленности и предназначено для повышения эффективности оперативного контроля и управления процессом непрерывной варки сульфатной целлюлозы. Цель изобретения - повышение точности определения длительности прохождения древесного материала по каждой зоне варочного котла. Это достигается тем, что в способе определяют время прохождения щепой рабочего тракта варочного котла непрерывного действия на основе оценивания параметров движения древесного материала в жикой фазе / скорости и концентрации на границах зон варочного котла / по совокупности измерений уровня щепы в котле, расхода щепы на входе, целлюлозной массы на выходе котла и дополнительных измерений перепадов давления между зонами, перепадов температур в подогревателях щелока. Реализация способа контроля длительности прохождения древесного материала через варочный котел в автоматизированных системах управления варочными установками непрерывного действия дает возможность получить непрерывную оценку времени пропитки щепы щелочью, времени нагрева и варки щепы, длительности диффузионной промывки массы, информацию о характере движения щепы с дальнейшим использованием этой информации для поддержания оптимального температурно-временного графика процесса варки и обеспечения максимальной стационарности движения древесного материала. 2 ил.л.с.прохорова

zft ат, ha „ v. + 1

U. +

,S

+ Ј

лт3 h 9l4v, +

+ Е,

(8.8)

Ui +

(8.9)

Измеряемые амплитуды колебаний температур щелока на входе в подогреватели вследствие циклического переключения поясов сит, через которые происходит отбор щелока из котла в линию циркуляции, тоже являются функциями от скоростей движения твердой и жидкой фаз:

to

AI h 1M V,

+ 1

fO, 6

U, + Ј,

(8.10)

А9 h И)6 V +

+ 1 11.5 U1 + Ј

(8.11)

Уравнения (8.1) - (8.11) записываются в матричной форме:

Z HY + LW + Е,

(9)

Теперь можно применить к уравнению (11) аппарат теории оптимальной фильтрации и получить наилучшую оценку вектора состояний Y:

Y Е Y-Z Ч Е Z-Z МГ г, (12)

где Е обозначает математическое ожидание.

По оптимальным оценкам скоростей на границах зон можно оценить время пребывания древесного материала в каждой из них.

Принимаем за оценку средней скорости движения древесного материала в i-й зоне значение, равное

л

V,

Cf

V ;- + Vj 2

(13)

50

Тогда оценка времени пребывания материала в i-й зоне равна

л

t , H;/Vfc

Р

(14)

где Н . - высота i-й зоны (расстояние между i-1 и i-м сечениями) .

Варочная установка содержит варочный котел 1, дозатор 2 щепы, подающий щепу в котел, донный шабер 3,

осуществляющий выгрузку целлюлозы, насос 4 линии циркуляции верхней варочной зоны, насос 5 нижней варочной зоны, трубы 6 и 7 линии циркуляции щелока, линию 8 выдувки цел- люлозы, линию 9 подачи варочного щелока, линию 10 подачи промывного щелока в зону диффузионной промывки, линию 11 отбора щелока в испарительный циклон, сито 12 отбора щелока в линию циркуляции верхней зоны нагрева, сито 13 отбора щелока в линию циркуляции нижней зоны нагрева, сито 14 отбора экстрагируемого щелока, паровые подогреватели 15 и 16 циркулирующего щелока, испарительный циклон 17.

Щепа поступает в верхнюю часть котла, вместе с варочным щелоком проходит зону пропитки I, затем нагрева

циркулирующим через 15, проходит зону на- нагревается щелоком, через подогреватель

16 до температуры варки, проходит через зону варки III, после чего щелок из нее отбирается через сито 14 в линию 11. Далее масса поступает в зону промывки IV, где навстрчу ей снизу вверх движется промыв- ной щелок, который извлекает из масы органические продукты растворения древесины и выводится через сито 14 и линию 11 в испарительный циклон 17.

Выгрузка массы осуществляется доным шабером 3. При выгрузке масса разбавляется промывным щелоком по линии 10 и выдувается через линию 8

Каждое сито разделено на два пояса. Отбор щелока производится поочередно то из верхнего пояса сита, то из нижнего с частотой порядка 1 мин.

Для контроля движения материала используют датчики для измерения на входе котла расхода щепы 18, уроня щепы в котел 19, на выходе котла - скорости вращения донного шабера 20, нагрузки на его привод 21, расхода массы в выдувной линии 22 и ее концентрации 23.

Для реализации способа контроля дополнительно установлены датчики перепадов давления по высоте зон варочного котла: 24 - для измерения перепада давления на зоне пропитки (ЙР ), 25 - для измерения перепада давления на верхней зоне нагрева

76000

10

10

15

25

30

35

(ДР2), 26 - для измерения перепада давления на нижней зоне нагрева , 27 - для измерения перепада давления на зоне диффузионной промывки (4Р4), а также датчики температур для измерения разности температур щелока на входе и выходе из подогревателей для верхней зоны нагрева dT 1 28 и 29, для нижней зоны нагрева ЛТЭ 30 и 31, датчики 29 и 31 для измерения амплитуды колебаний температур щелока при циклическом переключении сит отбора (А, А3).

В измерениях датчиков содержится информация о параметрах сопротивления движению столба щепы, концентрации материала и его скорости в отдельных зонах. Вся совокупность измерений подключена к вычислительному устройству, которое проводит расчет оценки вектора параметров состояния процесса движения древесного материала по зонам варочного котла в соответствии с формулой (12) оценки средних скоростей движения материала в зонах по формуле (13), времени пребывания материала в каждой зоне по формуле (14). Результаты расчета выдаются на дисплей оператора в виде чисел и графиков.

Способ контроля длительности пре- бывания древесного материала в процессе непрерывной варки может быть использован в составе автоматизированной системы управления варочно- промывной установкой производства беленой сульфатной целлюлозы.

40 Формула изобретения

Способ контроля длительности прохождения древесного материала через вертикальный варочный котел непрерыв45 ного действия путем измерения уровня материала в котле, расхода материала на входе и на выходе котла, отличающийся тем, что, с целью повышения точности определе50 ния длительности прохождения древес ного материала по каждой зоне варочного котла, дополнительно измеряют перепады давления между зонами котла, перепады температур в подогревате55 лях щелока, амплитуды колебаний температур при циклическом переключении отбора щелока с верхней и нижней половин циркуляционных сит и на основании всех измеряемых значений последовательно рассчитывают концентрацию и скорость движения древесного материала на границах зон варочного котла, среднюю скорость движеГ 1

Фиг.1

ния материала в зонах, а затем определяют длительность прохождения материала через каждую зону котла и через котел в целом.