专利名称：用于控制磨浆机中的工艺条件的过程的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种过程，其中除其它测量外，在磨浆诸如木质纸浆、纤维素纸浆和类似物等纤维材料时温度传感器直接用于磨浆区。本发明的主要目的是降低纤维切割和磨浆机损坏的风险。该过程还解决与纸浆质量随时间变化相关联的问题，当估计且由此有可能控制与纤维的纤维网络有关的分布力时，纸浆质量随时间的变化可被减至最小。本发明适用于其中使用磨浆机的所有的技术领域，诸如纸浆和造纸工业以及相关工业。
背景技术：
各种各样的磨浆机在高产率纸浆的生产中起重要作用，并且用于在纸浆和造纸工业以及相关工业的造纸过程中，通过从诸如木片之类的木质素-纤维素材料开始研磨热机械纸浆(TMP)或化学热机械纸浆(CTMP)，进行纤维的预处理。此处提及的两类磨浆机是重要的在约百分之四稠度下(干含量)磨浆纸浆的低稠(LC)磨浆以及稠度通常约为百分之四十的高稠(HC)磨浆。LC磨浆在两相系统中完成，即片/纸浆和水，而HC磨浆具有三相 片/纸浆、水和蒸气。磨浆机还在其他工业应用中使用，诸如制造木纤维板。参见
图1，大多数磨浆机由两个圆板、盘构成，待处理的材料在其间从板的内部通过至板的外围。通常，有一个静止的磨浆机板和一个以非常高的速度旋转的旋转磨浆机板。静止磨浆机板置于定子保持器C3)上，且通过机电或液压( 方式被推向置于转子保持器(4)上的旋转磨浆机板。通常将片或纤维(6)连同稀释水经由磨浆机板的中心(7)馈送至磨浆机，并且在向外至外围⑶的路径上被研磨。板(也称为分断)之间的磨浆区(9)沿半径(11)具有可变的间隙(10)，该可变间隙取决于板的设计。磨浆机板的直径随磨浆机大小(生产能力)和牌号而不同。最初，板(参见
图1 和图2，也称为分段12、1；3)被浇铸成一片，但现在它们通常由一起安装在定子和转子上的若干模块(形成盘)组成。可将分段生产成覆盖保持器的从内部至外部的整个表面，或将分段分成通常称为“碾碎条(breaker bar)区”的一个内部部分(14)和称为外围区的外部部分(15)。这些分段具有研磨图案(16)，该研磨图案(16)具有取决于供应商而不同的条17 和槽18。这些条充当刀，用于对片进行纤维分离或进一步磨浆已制成的纸浆。在使用中板连续磨损且需要以约每2个月的间隔更换。在HC磨浆机中，还在条之间的槽中传输纤维、 水和蒸气。蒸气的量是随空间而定的，这正是水和蒸气可与片/纸浆一起存在于磨浆区中的原因。在HC磨浆机中，水通常将被束缚于纤维。基于分段设计，不同的流体图案将出现在磨浆机中。在LC磨浆机中，不生成蒸气，因此仅存在两相(液体和纸浆)。还存在其它类型的磨浆机，诸如两个板彼此相对地旋转的双盘或圆锥磨浆机。另一种类型称为双联磨浆机，其中存在四个磨浆机板。中心定位的转子具有两个磨浆机板，一侧安装一个板，于是存在两个静止磨浆机板，它们利用例如液压缸而彼此推压，并由此形成两个磨浆区。
当对木片或先前经磨浆的纸浆进行磨浆时，磨浆机板通常彼此推压，以获得取决于所用磨浆机类型的大约0. 2-0. 7mm的板间隙(10)。板间隙是一个重要的控制变量，且根据磨浆机的类型，通过在一个或若干分段上施加机电压力或液压( 来实现增加或减小的板间隙。由此，轴向力施加在分段上。沿相反方向作用于轴向力的力由HC磨浆过程中通过蒸气生成和纤维网络所获得的力而构成。 在考虑LC磨浆的那些情况下，轴向力被从水(液体)相和纤维网络中增加的压力中提取的力所平衡。如果板间隙改变例如10%，则纸浆质量显著改变。因此，知晓实际的板间隙很重要。目前，在商业上提供了用于板间隙的测量单元。通常，仅用一个板间隙传感器来防止板撞击，而并非如控制算法中所预期的。也存在其它系统，一种稳健的系统基于沿磨浆区半径的温度测量，为控制的目的而呈现温度曲线(19)或压力曲线(20)，参见图3。对于LC磨浆，优选测量压力，但对于HC磨浆，测量温度曲线就足够了。当改变板间隙、生产和所添加的稀释水量的工艺条件时，温度改变，这给出了以不同方式控制它的机会。通常使用多个温度和/或压力传感器，且可将其直接置于分段中，或者安装在置于分段(12和13)之间的传感器阵列保持器中，参见如EP 0788 407中描述的
图1、图2和图4。通常，传感器阵列保持器实现在外部的两个分段之间，参见图2。已经证明分段的设计对沿半径的温度曲线的特性非常重要。因此，难以提前决定应将温度传感器0 和/或压力传感器0 置于传感器阵列保持器的何处。根据用于板撞击保护的传统安全系统，除板间隙传感器外还使用置于定子保持器 (3)和/或转子保持器(4)上的加速度器。技术问题在文献中，存在关于通过使用稠度测量和温度测量进行磨浆机控制的广泛材料， 包括用于防止分段的板撞击的安全系统。安全系统通常构建在硬件(通常是加速度器和板间隙传感器)和关于频率分析器和用于限制控制的特定功能等的软件上。研究结果指出，对保持器上振动的测量显示出与由磨浆区内纤维垫中实际的局部起伏导致的振动的偏差，这可能是纤维垫或其它相(水和蒸气)中不同质的结果。当考虑 LC磨浆时，即使仅存在两相，也可能发生不同质。纤维垫中的不同质是技术问题描述的核心。如果纤维垫的填实度在空间和时间上局部改变，则可导致局部区域的空间温度或压力依赖于填实度的增加或减小而增加或减小。这会引起磨浆区中压力分布的波动，产生非线性工艺条件，由此改变纤维在磨浆区中的停留时间，这可导致由纤维切割引起的不良纸浆质量。纤维切割表示在纤维碰撞分段条时纤维的长度缩短很多。当纤维网络瓦解时得到最不期望的情况，即可被看作轴向力的排斥力的、与纤维网络有关的力急剧降低，这必然会导致板撞击。因此，加速度器或板间隙传感器均不能测量并防止纤维垫瓦解，因为关于磨浆区内局部波动的重要信息被过滤且未被适当处理。在文献中，已经示出温度测量是用于HC磨浆控制的不寻常的稳健技术。当改变生产、稀释水和液压时，温度曲线动态变化。在图fe中示出了这种动态变化，其中稀释水的阶跃变化取决于我们评价工艺所处的半径(11)上的位置而以不同方式影响温度曲线。可见当稀释水增加时，在最大值04)之前温度将降低，但在最大值之后将增加0 。原因是添加的水使逆流蒸气冷却，同时正在前行的蒸气被非常快地加热。
当生产增加时，整个温度曲线(19)被提升到另一水平( )，参见图恥。当通过增加例如液压而减小板间隙(10)时，相同的情况是有效的。与生产和稀释水的增加有关的所有这些工艺条件将影响在恒定液压下磨浆区内的有效体积，因此影响板间隙以及温度和/或压力曲线。这将导致纤维停留时间的变化，这将影响磨浆区中的起伏并最终影响纸浆质量。工艺条件还可能使磨浆机进入得到由于损坏的风险而出于安全原因禁止的另一种操作点的情形。以当前技术难以提前预测这些禁止区。然而，温度和/或压力曲线均不能单独给出如何防止纤维切割和板撞击的信息。目前的HC磨浆的另一个问题是不能通过简化的力平衡来捕捉局部波动，其中轴向力Fcl 07)是蒸气力Fs 08)和与纤维网络相关联的力Fp09)的和(参见图6a)。为了简化，可将这些力看作所有分段的分布力的积分，且如果它没有进一步展开以描述沿半径的分布力& (30)、fs (31)和fp (32)，则与保持器上的振动测量相比，没有为解决方案增加任何价值。为了简化以下关于特殊情形LC磨浆的描述，我们假设水相的力包括fp，因为难以将关于从水和纤维网络获得的力的信息分开。当参考HC磨浆时，我们将使用符号分布力来描述由磨浆区内的纤维网络形成的轴向分布fd、蒸气力分布fs和纤维垫的力分布fp。在研究项目中，已有文件记载了一种新的理论物理模型("Refining models for control purposes (用于控制目的的磨菜模型)” Q008)，Anders Karlstrom, Karin Eriksson, David Sikter和Mattias Gustavsson，北欧纸菜和造纸杂志)。该模型描述HC 磨浆，且预想沿分段的半径测量温度和/或压力，以横越磨浆机中的材料和能量平衡并由此有可能估计板间隙。与早期的用于描述研磨工艺的物理学的初步试验相比的主要区别在于，模型估计了施加在纤维网络上的可逆的热力学功和不可逆的纤维分离功，其中在为得到正确的板间隙而进行迭代时，剪切力具有中心位置。由此，从商角度而非基于焓的方法描述该模型，其中基于焓的方法不考虑纤维、絮、水和分段之间的剪切。在研究项目中，开发出一种新的传感器阵列保持器以满足在跟随蒸气相中的较快波动时的需要。由此，获得了用于估计磨浆区中沿半径的绝对压力的可能性，这可用于预测与蒸气相有关的力。利用该信息，已清楚市场上的早期安全系统不能防止进入发生板碰撞的情况。以上模型可指示的一个原因是对于生产、稀释水和液压的不同阶跃的动态变化是强烈非线性的，这表示在某些情况下，例如在磨浆区的低稠度下，温度曲线受影响不大，而在其它工艺条件下，它受到相当大的影响，参见图如至图恥。非线性还受到分段设计的影响。这可导致不同的温度曲线(19、33)和压力曲线， 参见图5c。这表示难以描述纸浆如何受到分布波动的影响，而分布波动可导致纤维网络沿半径的局部瓦解。此外，参见图6b，分布轴向力fel也将强烈地依赖于与分段及其斜度有关的设计参数。可将斜度在数学上描述为在估计磨浆区中形成剪切力时重要的向量。对于LC磨浆，存在类似的现象，但在该过程中，仅基于两相描述物理条件。然而，知晓所有的这些内容，测量力平衡中的分布波动的问题是不可能的，因此必须规划出对该问题的其它解决方案。
发明内容
本发明的目的是解决以上提及的问题中的一个或多个。在本发明的第一方面，通过根据权利要求1的方法实现了这个目的或其它目的。本发明基于一种过程，其中稳健的温度和/或压力测量结合来自工艺、分段的设计参数以及模型的可用信号，以估计分布轴向力和获得的蒸气力fs或对于LC磨浆的液体相关力f”在考虑HC磨浆的那些情况下，假设根据EP 0 907416进行温度测量将做得很好， 因为假设条件是饱和的，即可从温度曲线估计出磨浆区中的压力。在发生过热的那些情况下，必须测量温度和压力以估计蒸气力fs。当沿磨浆区中的半径放置传感器时，可形成温度向量。还必须形成描述传感器位置的半径向量，以描述传感器在传感器阵列保持器上所处的位置。为了再现工艺中的非线性现象，假设模型可足够好地描述该工艺以确保的有用测量。该模型的主要变量是液压、至区域的入口和出口压力、按照斜度半径的分段特有设计参数，在某些情况下还有生产、所添加的稀释水和电机负载。插值法是尽可能精确地描述依赖于半径的变量的常见方式。当在处理中将不连续性近似为连续(34)时，这很重要。这些不连续性的示例是分段上斜度从一部分至另一部分的变化(35)，参见图7a。如果蒸气压力饱和并且根据温度曲线测量或估计了该蒸气压力，则分布蒸气力可估计为fs(r) =Ps(r)A(r) = Ps (r) 2 Jidr其中Ps(r)是对于HC磨浆的分布蒸气力，且A(r)是微元dr的面积。基于插值的温度和压力向量的长度，执行半径至多个元dr的分布。对于LC磨浆，可使用以下fx(r) =P1WAW = P1 (r) 2 Jidr其中P1 (r)是液体相关压力。可从之前提到的物理模型获得分布轴向力fd的特征，其描述了剪切力曲线(36) ξ (r)，参见图7b。然而，该模型非常复杂，因为必须沿半径同时测量或估计很多其它工艺变量外) (0 = ι (OA (。哉其中ω表示角度速，α (r)是纤维浓度，Δ (r)是板间隙且μ工(r)是纤维粘性。当然，该描述是一种简化，因为它不包括蒸气和水的剪切力。然而，在“Mudy of tangential forces and temperature profiles in commercial refiners (在商业磨乡突机中白勺切向；O 和温度曲线的研究)，乂2003)，Hans-01of Backlund, Hans Hoglund, Per Gradin，国际机械磨浆会议，P. 379-388，魁北克市中，它被证实为良好的近似。上述概念的简化是创建类似的分布向量，该分布向量例如可基于分段斜度Ψ (r) 结合剪切力分布的知识，因为分段斜度和剪切力彼此相关。通过研究图7a和图7b，容易理解，与分段的内部部分(7)相比，在分段的外围(8)剪切较高。用于描述分布的函数(37)的示例为
权利要求
1.一种间歇计算作用在分段上的分布轴向力和磨浆机的磨浆区中产生的分布力之差的方法，其中所估计的差被馈送至具有所选设定点的计算机单元，与所选设定点的偏差被馈送到用于控制施加于磨浆机中的磨浆机板上的压力的控制单元，其特征在于，沿磨浆机的分段的有效半径布置、定位在已知位置的多个温度传感器和/或压力传感器结合分段的研磨图案上的空间信息与关于以下至少一个处理变量的信息一起使用，以便利用模型使差最小化片或纸浆供应、测量得到的磨浆机的电机负载、稀释水供应、输入流的温度、输出流的温度、输入流的压力、输出流的压力或施加于磨浆机的磨浆机板上的压力。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所估计的分布轴向力和分布蒸气力之差，或在以低稠磨浆挤压液体/片/纤维时(实际值函数)，被馈送至具有期望的限制函数(设定点值)的计算机单元，且与设定点值的偏差被馈送到控制单元，所述控制单元控制片或纸浆和稀释水的注入以及磨浆区的入口和出口压力或者它们的组合，以便补偿分布蒸气力的位移。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所估计的分布轴向力和分布蒸气力之差，或在以低稠磨浆挤压液体/片/纤维时(实际值函数)，被馈送至具有期望的限制函数 (设定点值)的计算机单元，以便通过控制施加于磨浆机板的压力或片/纸浆或稀释水的注入或磨浆区的入口压力或离开磨浆区的出口压力或这些的组合，来控制平均纤维长度或者具有变化纤维长度的产生的纤维碎片和/或纸浆的脱水和/或纸浆所特有的其它质量变量。
全文摘要
在纸浆和造纸工业中，需要在磨浆机的磨浆区中在空间上直接测量工艺变量。这通过本发明实现，且思考了一种控制过程，其中高稠磨浆机沿各分段半径的分布轴向力和分布蒸气力之间的差，或者低稠磨浆机的液相相关力和纸浆相相关力之间的差被用于防止纤维切割和各分段的板撞击。该过程还适用于接近机器极限的磨浆过程的连续控制。
文档编号B02C7/12GK102438753SQ201080019559
公开日2012年5月2日 申请日期2010年3月30日 优先权日2009年4月29日
发明者安德斯·卡尔斯特伦 申请人:安德斯·卡尔斯特伦