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Norske Skog公司Albury纸厂采用先进的优化和控制系统

作者:美卓自动化2012.10.16阅读 2954

  新闻纸需求量的下降和生产成本的增加,是目前现代TMP工厂所面临的主要挑战。为保持盈利必须提高效率。先进的控制与优化系统有助于解决这些问题。但许多工厂都缺乏其实施的必要资源。
  Norske Skog 公司 Albury 纸厂正在为其四条年产17.3万吨 TMP 浆的生产线寻找控制和优化方案。在2009年春控制工程网版权所有,美卓和 Norske Skog 公司合作安装了该套系统。为了分配风险,以及减少初期资本要求,只对四条生产线中的两条进行了低成本实验。
  该实验系统于2009年4月开始安装,完整的实验系统于6月开始运行。两条浆线的试验系统包括纸浆质量的软件传感器,一段和二段精浆机的模型预测控制,生产车速优化,以及监测系统性能的工具。实验生产线建立了生产车速,比能和纸浆质量变化的基准指标,以用于与优化性能进行对比。
  2009年11月,这项试验所产生的显著的,可衡量的结果已获得一致的认可。通过优化生产,试验生产线的平均产量增加了6.0%~6.5%。与之相对应的是精浆机通过优化而减少了2.9%~4.0%的比能。与此同时,纸浆质量的波动变化(通过由 Pulp Expert 分析仪所测出的纸浆游离度标准偏差来衡量)减少了超过30%。
  由于实验效果明显,该试验系统在2010年夏转换为永久安装,且安装范围扩大到另外两个生产线。而该系统在完整安装后,其运行结果与实验结果相一致,且可提供持续的收益。
  1    引言
  现代的TMP(热磨机械浆)厂面临着许多挑战。不断增加的生产成本,高品质木材的有限供应,以及新闻纸需求量的不断下降是这其中最大的挑战。高效率是保持长期盈利能力至关重要的一点。多家工厂已经通过实施能源和质量优化系统而极大地改善了其目前的处境。
  虽然这些技术已被证明有效,但其实施成本较高,使得很少有工厂具有完成这些系统所需要的技术资源。同时,现金流的限制和逆境风险也可能会是重大的障碍。
  在 2009 年春季, Norske Skog 公司与美卓合作建立实施了一套高级控制和优化系统。 Albury 纸厂建于 1981 年,是一家世界级的新闻纸生产厂 。其 TMP 车间可年产 17.3 万吨纸浆。
  为了减少成本和分解风险,该项目开始时只对1号生产线和2号生产线进行试安装运行。实验结果使得工厂可以看到直接的系统效益,并有一个明确的成本节省流www.cechina.cn,随后该工厂就最终决定购买并全面实施该套系统。
  如下所述,该系统在两条生产线的试验非常成功,并最终使该系统在TMP主要生产线实现全面安装。
  2    1号线和2号线实验系统
  2.1   系统描述
  在该套高级控制和优化系统实施之前,Albury 纸厂对于这一方面具有良好的监督管理。Albury  纸厂原有的系统可使生产车速、稀释水流和精浆机电机负载以操作者指定的设置值运行。而高级控制系统正是基于这套管理控制架构而建立的。
  几个重要的优化参数,如精浆浓度、纸浆游离度和纸浆纤维长度,无法频繁测量以达到控制需要。精浆浓度可在实验室里每天测量几次。纸浆质量可通过 Pulp Expert 分析仪每30分钟测量一次,但这些测量是在两条线共用的一个消潜池之后进行的。一个简单的试验系统流程图如图1所示:
  这些问题可通过使用软件传感器而获得解决。历史过程数据和测试结果都与机械和统计模型相结合,可对纸浆质量进行连续地预测。这些预测由于是可以使用的,因此随后被用于在线测量。更多关于特定建模技术使用的信息请参考Strand 等和 Carello 等发表的论文。
  该软件传感器对于 Albury 纸厂1号线和2号线控制实验的预测指标见表1。

  表 1   软件传感器预测指标。

  该系统的控制和优化部分设计用于稳定过程,尽量减少质量波动,然后使该过程具有一个更有效的运行环境。这是通过使用一个具有多变量的模型预测控制(MPC)技术来实现的。MPC可覆盖整个过程,并实现了多个变量(螺杆转速CONTROL ENGINEERING China版权所有,稀释水流,负载等)可同时用于完成控制多个目标(生产,纸浆游离度,纤维长度,纸浆浓度等)。该解决方案所选择的MPC系统与反映过程输入(被控变量)和过程输出(控
  制变量)之间关系的动态模型一同运行,以分离复杂过程的相互作用。如果较低水平的限制符合要求,它还允许更高层次优化。

  图 1    1号线与2号线生产过程简要流程图。

  1号线和2号线实验系统的被控和控制变量列于表2和表3。


  表 2   被控变量。


  表 3   控制变量。

  另外还有几篇参考资料提供了更多相关的控制和优化结构使用细节。
  2.2   试验目的和基准指标
  1号线和2号线实验的总体目标有两个。首先是减少由Pulp Expert分析仪所测得的纸浆质量的波动(见图1)。这一目标是通过为表3所示的质量参数指标设置目标值来实现的。
  第二个目标是通过减少生产每吨纸浆所需的能源量(比能),和/或增加平均生产效率,同时保持纸浆质量,来使生产过程具有更高的运行效率。
  为了正确评价试验的效果而建立了一个基准。且只对本实验前一年时间内的数据进行了评价。运行不正常和停机时期的数据未被包括在基准性能数据计算内。结果显示在表4和表5中。


  表 4   纸浆质量基准指标。


  表 5   生产效率和比能基准指标


  2.3    效率提升方式
  使用了几种方法来达到提高效率的目的。第一个也是最重要的,是生产效率的最大化。如许多其他TMP工厂一样,Albury纸厂的生产效率和比能之间具有很密切的联系。在某一给定的游离度指标条件下,随着生产效率的增加,比能指标下降。具体如图2所示。


  图 2    Albury纸厂比能指标随生产效率变化趋势。

  除此之外,Albury纸厂在实验时期内的纸浆产量要高于基准指标时期。通过稳定纸浆质量波动,以及使受纸浆质量制约的生产效率的最大化,使得总产率可得到提高。而产量增加的边际成本较低,因此可导致更高的整体效率。
  另一个能源优化战略中的重要参数是精浆机浓度。Albury纸厂的生产过程数据表明:较低的精浆机浓度可导致了较低的比能,但如果浓度过低的话,则纸浆质量就会下降。这可通过确定指定的浓度范围CONTROL ENGINEERING China版权所有,以及在质量要求范围内,对浓度的低范围进行优化而进行处理。
  实验同时还发现,磨盘寿命对Albury纸厂的比能具有较大的影响。如图3所示,新磨盘的比能非常高,然后随着时间的推移而逐渐降低。当磨盘变得非常旧时,比能再度上升。

  图 3    一段精浆机比能随磨盘寿命(小时)的变化趋势。

  当磨盘是新的时,通过降低浓度指标,就可部分避免由于受磨盘寿命影响而产生的比能增加。
  同时还做了一些额外的离线优化,包括一段精浆机和二段精浆机之间的能量应用优化控制工程网版权所有,以及对个别生产线和常见质量问题进行评估。
  2.4   试验结果
  该实验系统于2009年春季开始安装,并于同年6月完成安装。随后在夏季和秋季对系统进行了微调和优化,直至11月下旬实验完成。对实验阶段的过程数据(2009年6月10日至11月30号)进行了分析,并且将其与该类性能指标的基准数据(见4和表5)进行了对比计算。结果显示在表6和表7中。


  表 6   试验纸浆质量指标。


  表 7   实验过程生产效率和比能指标。

  1号线和2号线的试验结果表明纸浆质量的波动明显减少,平均产量增加,且比能明显减少。因此,工厂决定在两条实验生产线上永久安装该套系统,并在其他主要生产线的精浆机上使用该套控制实施系统。
  3     全部生产线的安装实施
  3.1   系统描述
  该系统的全线安装实施工作于2010年春末开始,3号线和4号线的控制和优化工作于7月底完成。
  3号线和4号线安装的系统的配置和系统设计与之前所述的1号线和2号线安装的实验系统相匹配。2010年11月,全线的系统安装工作完成。


  表 8   3号线和4号线纸浆质量指标。


  表 9   3号线和4号线纸浆生产效率和比能指标。

  3.2   结果
  与在1号线和2号线进行实验时一样,也为3号线和4号线建立了基准指标和相关性能指标对比。3号线和4号线实验过程的性能数据收集时期为2010年8月至11月。3号线和4号线的结果列于表 8 和表 9 中。
  3号线和4号线的安装实施情况表明,其生产效率的增加和比能的减少与1号线和2号线的试验情况相同。但质量波动却并未明显减少。
  这可能部分是由于在高级控制系统中出现了问题,导致约三个星期内无法履行根据 Pulp Expert 分析仪测试结果的做出的预测结果。如果将这段时间排除在外,在纸浆游离度的波动将减少4.5%。
  4     结论
  从实验系统的实施战略开始,Norske Skog 公司 Albury纸厂和美卓一起完成了对其工厂内的所有生产线的精浆机安装实施高级控制和优化系统。该系统可通过提高生产效率和减少比能,来提高工厂的运行效率。
  由于个别问题,使得该系统在3号线和4号线未能减少质量波动,但针对该方面的工作仍在继续。
  在完成该项目后,Norske Skog 公司 Albury 纸厂和美卓已经达成协议,将通过继续合作对该系统进行支持和升级。这将确保该系统在本项目结束时所体现出的优点将会维持一段时间。

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