Bài tập lớn hệ thống tự động hóa nhà máy giấy

BÀI TẬP LỚN: HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG HÓA NHÀ MÁY GIẤY

CHƯƠNG 1.

TỔNG QUAN VỀ NHÀ MÁY GIẤY BÃI BẰNG

1.1. Tầm quan trọng của ngành sản xuất giấy

Ngành giấy có vai trò quan trọng trong nền kinh tế quốc dân, nó quyết định tới nền
văn minh của đất nước nói riêng và của toàn nhân loại nói chung. Giấy là công cụ lưu
trữ thông tin để truyền bá từ thế hệ này sang thế hệ khác. Giấy góp phần quan trọng vào
thúc đẩy kinh tế – xã hội và khoa học – kỹ thuật phát triển. Nhân loại muốn phát triển
thì các thành tự khoa học – kỹ thuật và thông tin văn hóa phải được phổ biến rộng rãi
trên toàn thế gới, dẫn tới nhu cầu sử dụng giấy đang ngày càng tăng cao.
Giấy được sử dụng trong hầu hết các linh vực : Công nghiệp, giáo dục, sách báo ,y
tế, Quốc phòng, trong sinh hoạt hàng ngày … Hàng năm, giấy mang lại nguồn lợi đáng
kể cho nền kinh tế quốc dân.
1.2. Lịch sử phát triển của nhà máy giấy Bãi Bằng

Công ty giấy Bãi Bằng là công trình hữu nghị giữa hai nước Việt Nam – Thụy
Điển được xây dựng vào năm 1974 và được khánh thành 26 – 11 – 1982 . Được xây
dựng tại thị trấn Phong Châu, huyện Phù Ninh, tỉnh Phú Thọ. Với vị trí gần đường bộ,
đường thủy và đường sắt nên thuận lợi cho quá trình vận chuyển và tiêu thụ sản phẩm.
Dây chuyền công nghệ được xây dựng trên một diện tích 20 ha, cung cấp giấy
viết, giấy in… cho thị trường trong nước và xuất khẩu ra nước ngoài. Sản lượng của
công ty liên tục tăng cao, sau đây là thống kê về sản lượng giấy sản xuất ra thực tế
(1992 – 2001):

Hình 1.1. Sản lượng giấy sản xuất ra thực tế (1992 – 2001)
ĐK &TĐH5_K54

1


BÀI TẬP LỚN: HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG HÓA NHÀ MÁY GIẤY

1.3. Các sản phẩm tiêu biểu của công ty giấy Bãi Bằng

Công ty giấy Bãi Bằng sản xuất rất nhiều các loại mặt hàng với các chủng loại và
kích cỡ khác nhau sau đây là một số sản phẩm tiêu biểu của công ty :
• Giấy cuộn :
- Định lượng : 584100 (g/m2)
- Độ trắng : /78 0ISO
- ∅ cuộn : 904100 (cm)
- ∅ lõi : 7.6 cm
- Bao gói : 344 lớp giấy kraft
• Giấy photocopy :
- Định lượng : 70;80 (g/m2)
- Độ trắng : /88 0ISO
- Khổ giấy : Từ A4 tới A0
- Bao gói : 1 lớp giấy kraft
• Giấy kẻ ngang :
- Định lượng : 58 (g/m2)
- Khổ giấy : 21,5 3 16,5 cm, loại 48 và 96 trang
- Bao gói : 10 – 12 quyển trong 1 hộp
• Giấy tessne : Khăn lau mặt, Khăn bỏ túi, Khăn ăn
- Định lượng : 1461 (g/m2)
- Độ trắng : /80 0ISO
- Số lớp : 243
- Độ nhăn : 20425%
- Độ ẩm : 861%

• Giấy toilet :
- Định lượng : 1661 (g/m2)
- Độ trắng : /75 0ISO
- Số lớp : 142
- Độ nhăn : 20425%
- Độ ẩm : 861%

1.4. Phân tích SWOT

Điểm mạnh

ĐK &TĐH5_K54

Điểm yếu

2


BÀI TẬP LỚN: HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG HÓA NHÀ MÁY GIẤY

•

Vị trí địa lý của công ty rất thuận lợi để
phát triển vùng nguyên liệu bột giấy;
và khả năng tận dụng giấy loại nhờ vào
mạng lưới những người thu mua.

•

Tốc độ tăng trưởng cao.

•

Nguồn nhân lực dồi dào giá rẻ cũng là
một lợi thế.

•

Công suất sản xuất giấy vả bột giấy của
doanh nghiệp còn nhỏ so với nhiều
doanh nghiệp khác trên thế giới do đó
mất đi lợi thế cạnh tranh theo quy mô.

•

Trình độ công nghệ chưa cao dẫn đến
tình trạng sản xuất chưa hiệu quả và
còn gây ô nhiễm môi trường.

Cơ hội
•

•

Nhu cầu sử dụng giấy rất lớn khi nền
kinh tế vẫn tiếp tục phát triển và dân số
Việt Nam ngày càng tăng.
Năng lực sản xuất còn thấp, công nghệ
lạc hậu, sản xuất trong nước vẫn chưa
đáp ứng được tiêu dùng, đặc biệt là

nhóm sản phẩm tiêu thụ lớn nhất. Hiện
nay, sản xuất nội địa mới chỉ đáp ứng
được dưới 60% nhu cầu các sản phẩm
tiêu thụ chính là giấy bao bì, giấy in,
giấy viết ở phân khúc chất lượng thấp
đến trung bình. Các loại giấy chất lượng
cao vẫn phải nhập khẩu.

Thách thức
•

Doanh nghiệp phải đối mặt với sự
cạnh tranh ngày càng khốc liệt của
hàng nhập khẩu, đặc biệt là ở các
phân khúc giấy cao cấp.

•

Ngay cả trong nước, hiện nay rất
nhiều nhà máy giấy mọc lên với
những dây chuyền công nghệ hiện đại
vì vậy để cạnh tranh yêu cầu tất yếu
đặt ra là doanh nghiệp phải cải tiến
công nghệ hơn nữa …

CHƯƠNG 2. CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT GIẤY NHÀ MÁY GIẤY BÃI BẰNG

2.1.

Tổng quan về quy trình công nghệ

ĐK &TĐH5_K54

3


BÀI TẬP LỚN: HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG HÓA NHÀ MÁY GIẤY

Hình 2.1. Tổng quan công nghệ sản xuất giấy
Bột giấy có thể được sản xuất từ gỗ, tre nứa, sợi, giấy tái sinh…có thể sản xuất
bằng phương pháp cơ học ,phương pháp hóa học và phương pháp bán hóa học.
Bột giấy từ gỗ: gỗ được bóc vỏ, rửa, chặt thành từng mảnh trong máy băm, lọc
qua máy sàng rồi phân loại mảnh dăm theo kích cỡ đồng đều. Dăm gỗ sau đó có thể
được xử lý bằng cách mài, nghiền, nấu (phương pháp cơ học) hoặc bằng hóa
chất (phương pháp hóa học) tạo thành bột giấy thô (chưa tẩy). Sau đó bột này mới được
đưa đi tẩy trắng với mức độ tùy theo yêu cầu, rồi pha loãng để đưa qua máy xeo cán
thành giấy cuộn.

2.2.
Quy trình công nghệ sản xuất bột giấy
2.2.1. Sử lý nguyên liệu

Nguyên liệu đầu vào chủ yếu là tre, nứa và gỗ. Tre nứa được đưa từ bãi chứa vào
băng chuyền và được rửa sạch trước khi đưa vào máy chặt. Tại đây tre nứa được băm
thành các mảnh nhỏ có kích thước theo tiêu chuẩn:
ĐK &TĐH5_K54

4

BÀI TẬP LỚN: HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG HÓA NHÀ MÁY GIẤY

-

Chiều dài: 35 mm.
Chiều rông: 10 mm.
Chiều dày: 2,5 mm.

Hình 2.2. Bãi nguyên liệu của tổng công ty Bãi Bằng
Các mảnh được đưa vào hệ thống rửa mảnh và qua băng tải đến sân chứa mảnh.
Năng suất của máy chặt tre nứa là 20 tấn/h.
Gỗ được đưa đến bộ phận bóc vỏ bằng băng tải xích. Gỗ sau khi đã bóc vỏ được
rửa sạch rồi đi vào máy chặt mảnh. Mảnh gỗ sau khi chặt có kích thước theo tiêu chuẩn
như của tre nứa
Mảnh gỗ được đưa qua sàng chọn và đưa ra sân chứa bằng băng tải. Mảnh tre nứa
và gỗ được đưa vào nồi nấu bởi hệ thống thổi mảnh. Tùy theo yêu cầu đơn đặt hàng của
khách mà có tỷ lệ tre nứa và gỗ khác nhau.
2.2.2. Nấu bột
Bột được sản xuất theo phương pháp sunphat có thu hồi hóa chất. Nguyên liệu
được nấu trong nồi có hình trụ đứng. Thời gian để hoàn thành một chu kỳ nấu là 240
phút kể cả thời gian nạp mảnh.
Bột sau khi nấu xong được chuyển sang bể phóng. Từ đây bột được chuyển qua
máy đánh tơi và được đưa đến bộ phận rửa.
2.2.3. Công đoạn sàng lọc
Sau khi được đánh tơi, bột được đưa tới 4 máy rửa lọc chân không. Hệ thống rửa
lọc chân không có cấu tạo lô hình trụ, được tạo chân không bởi sự chênh lệch áp suất.
Bên trong lô có hệ thống các đường ống dẫn nước. Quy trình hoạt động của hệ thống
rửa như sau: Lô rửa được quay tròn đều. Trong quá trình quay, nước dùng để rửa bột sẽ
theo các ống dẫn được đưa vào trong lô. Do trên bề mặt của lô có các lỗ nên sẽ tạo ra sự
ĐK &TĐH5_K54

5


BÀI TẬP LỚN: HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG HÓA NHÀ MÁY GIẤY

chênh lệch áp suất ở bên trong lô và bên ngoài lô. Do đó tạo ra chân không ở bên trong
lô. Do sự chênh lệch về áp suất nên bột sẽ bám dần trên bề mặt của lô. Sau đó, bột sẽ
được dùng nước để rửa. Sau khi rửa, bột sẽ rơi xuống hệ thống xoắn vít tải. Từ đây, bột
sẽ tới các bể chứa và từ các bể chứa này, bột được đưa lên hệ thống rửa tiếp theo.
Bột đen sau khi đã rửa sạch được đưa qua hệ thống sàng gồm 2 sàng áp lực, 1 sàng
thu và 3 giai đoạn lọc cát. Trong quá trình này, các mấu mắt tre nứa hoặc bột sống sẽ
được loại khỏi bột chín, dẫn xuống sàng cô đặc và xuống vít tải thải ra ngoài. Bột chín
được đưa tới các bể chứa và chuẩn bị cho công đoạn tẩy trắng.
Chất độn CaCO3 được sử dụng với mục đích:
Nhằm cải thiện một số chỉ tiêu chất lượng của sản phẩm và giảm chi phí sản
xuất. Giấy được độn sẽ tăng tính quang học và vật lý của tờ giấy. Nhờ có
đường kính nhỏ, các hạt độn sẽ lấp đầy các lồ đan xen giữa các xơ sợi làm
cho tờ giấy chặt, mềm, mịn, trắng và có độ đục cao hơn. Độn sử dụng trong
sản xuất giấy sẽ thay thế một phần xơ sợi dẫn đến hạ giá thành của sản phẩm
do giá thành của nó rẻ hơn giá thành của xơ sợi.
Đặc biệt CaCO3 được dùng trong sản xuất các loại giấy sử dụng lâu dài vì có
khả năng trung hòa được các axit sản sinh trong qúa trình lão hoá huỷ hoại tờ
giấy.
2.2.4. Công đoạn tẩy trắng bột
Bột từ công đoạn sàng được đưa vào bể chứa. Từ bể chứa, bột đen được đưa vào
tẩy trắng. Công đoạn tẩy trắng gồm 4 giai đoạn.
Bột được clo hóa bởi Cl2. Sau đó, bột được kiềm hóa để loại bỏ hợp chất màu
Clorarlignin ra khỏi bột. Sau khi kiềm hóa, bột được tẩy tiếp bởi NaClO để đạt độ trắng
theo yêu cầu khoảng 74 - 78 %.

Để bột có độ trắng đồng đều theo yêu cầu phải thực hiện quy trình tẩy trắng
nghiêm túc, duy trì thích hợp các yếu tố nồng độ bột, mức tỷ lệ hóa chất tẩy, nhiêt độ,
thời gian và độ pH. Bột sau khi tẩy trắng được đưa vào bể chứa để chuẩn bị cho quá
trình nghiền.
2.2.5. Công đoạn nghiền bột
Bột giấy được đưa qua hệ thống nghiền côn để tăng diện tích tiếp xúc, tăng khả
năng liên kết giữa các thớ sợi với nhau, tạo điều kiện thuận lợi cho khả năng hình thành
tờ giấy.
Sau khi nghiền, bột được pha trộn với các phụ gia: Cao lanh, nhựa thông, phèn và
một số hóa chất khác tùy theo yêu cầu của sản phẩm. Bột đã pha trộn phụ gia trong bể
chứa sau đó được đưa qua hệ thống phụ trợ rồi được đưa tới hòm phun bột, bắt đầu quá
trình sản xuất giấy.
ĐK &TĐH5_K54

6


BÀI TẬP LỚN: HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG HÓA NHÀ MÁY GIẤY

2.3.

Quy trình sản xuất giấy

Hình 2.3. Quá trình sản xuất giấy trong phân xưởng xeo
2.3.1. Hòm phun bột

Hình 2.4. Hòm phun bột
Nhiệm vụ của hòm phun bột là phân phối một lưu lượng bột đồng đều trên lưới
với tốc độ không đổi trên toàn bộ bề ngang của lưới và giữ cho dòng bột không bị xáo
trộn để chống chảy xoáy làm phá vỡ sự vón cục của dòng bột đã hình thành. Ở đây, bột

đã hình thành tờ giấy ướt có độ khô 18 - 20%.
2.3.2. Bộ phận lưới

Đối với máy xeo 1 thì việc hình thành tờ giấy được thực hiện giữa hai bề mặt của
lưới đôi. Lưới trong rộng 4350 mm, dài 22000 mm. Lưới ngoài rộng 4350 mm, dài
18000 mm. Ưu điểm của lưới đôi là hạn chế được bề mặt tự do của dòng chảy trên lưới
và có khả năng điều khiển tốt hơn. Trên bộ phận hình thành, nước thoát ra cả hai phía
ĐK &TĐH5_K54

7


BÀI TẬP LỚN: HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG HÓA NHÀ MÁY GIẤY

chiều dài tạo hình và giấy có bề mặt đồng nhất. Lưới đôi sử dụng nguyên tắc tạo tờ giấy
giữa một trục hút mở ( gọi là trục tạo hình). Một phần tờ giấy ướt được lưới trong và
lưới ngoài bao lại nên có độ căng lớn, thuận lợi về thời gian tách nước và độ thấm.
Ở máy xeo 2 là máy xeo dài, bộ phận hình thành là lưới băng chạy trên các lô đỡ,
tấm gạt nước, foil và tấm hình thành. Trên lưới, bột được phân phối từ hòm phun bột.

Hình 2.5. Lưới
2.3.3. Bộ phận ép

Ép có nghĩa là tờ giấy được nén bằng cơ học để đạt trên bão hòa.Ở phần này nước
cũng được tách được càng nhiều ra khỏi tờ giấy càng tốt.
Sau công đoạn hình thành tờ giấy, tờ giấy còn khoảng 80% nước (độ khô 20%). Ở
công đoạn ép, độ khô sẽ tăng lên đến 40%. Nhiệm vụ chính của bộ phận ép là tách nước
ra khỏi giấy, tăng độ bền cơ lý của tờ giấy như tăng liên kết của các xơ sợi,tăng độ nhẵn
giảm độ xốp,giảm tiêu hao hơi trong quá trình sấy.
Bộ phận ép có số lượng cặp ép và cấu trúc khác nhau.Một cặp ép bao gồm giá đỡ

và 2 hoặc 3 lô.
Tờ giấy ướt được chuyển trực tiếp từ lưới tới trục ép hút chân không được bọc
chăn của tổ ép 1. Chức năng quan trọng của lưới ép là chống tạo vết trên tờ giấy. Từ tổ
ép 1, tờ giấy được chuyển tới bộ phận ép lưới ở tổ ép 2. Tổ ép 2 gồm một lưới nhựa
giữa chăn ép và trục ép phía dưới nhằm giảm áp suất thủy tĩnh trong tuyến ép. Từ chăn
ép 2, tờ giấy được chuyển tới tổ ép nhẵn 3 qua một khoảng kéo hở. Tổ ép này không có
chăn nên không có nhiệm vụ tách nước mà chỉ làm cho tờ giấy nhẵn và phẳng hơn.

ĐK &TĐH5_K54

8


BÀI TẬP LỚN: HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG HÓA NHÀ MÁY GIẤY

Hình 2.6. Bộ phận ép ướt
2.3.4. Bộ phận sấy

Hình 2.7. Cấu hình lô sấy
Khi tờ giấy rời bộ phận ép có độ khô khoảng 40 % và nhiệt độ từ 25 - 30 0C. trong
bộ phận sấy lượng nước còn lại sẽ được tách ra bằng cách bốc hơi.
Sấy là quá trình sử dụng nhiệt năng của hơi nước bão hòa trong lòng lô sấy để làm
bay hơi một phần nước có trong tờ giấy. Các biện pháp sấy được sử dụng là:
- Sấy trực tiếp: Tờ giấy tiếp xúc với lô sấy.
- Sấy đối lưu: nhiệt năng được của không khí xung quanh lô sấy.
- Sấy tự do: Sấy trong khoảng không có sức căng hoặcgiữa các lô sấy.
Ở giai đoạn này tờ giấy được sấy khô tới 94%. Sau đó, tờ giấy được đưa qua bộ
phận ép keo. Chức năng của khâu ép keo là phủ lớp keo lên bề mặt giấy, tăng đô bóng,
độ dai, bịt các lỗ trên bề mặt tờ giấy.

ĐK &TĐH5_K54

9


BÀI TẬP LỚN: HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG HÓA NHÀ MÁY GIẤY

Giấy đã được sấy khô được làm nguội trên 2 lô làm lạnh. Sau các lô ép tờ giấy
được căng ra trong suốt quá trình nó được gia nhiệt ở cả hai quá trình sấy trước và sấy
sau (ép keo). Điều đó thường gây ra sự cố của tờ giấy. Để khắc phục những sự cố và
những biến đổi của tờ giấy, các lô được bố trí thành các nhóm dẫn động khác nhau. Tất
cả các lô trong cùng một nhóm có cùng một tốc độ. Sự chênh lệch về tốc độ giữa các
nhóm dẫn động sẽ được hiệu chỉnh theo độ căng và sự cố của tờ giấy.
2.3.5.

Bộ phận ép quang

Bộ phận ép quang gồm hai lô quay tiếp xúc với nhau. Máy ép quang sẽ đảm bảo
độ đồng đều, độ nhẵn bóng bề mặt làm tăng độ bền kéo, độ chịu bục và thấm khí của tờ
giấy.

Hình 2.8. Bộ phận ép quang

2.3.6. Bộ phận cắt cuộn lại

Tờ giấy hình thành sau ép quang thì được cuộn lại vào lô cuốn kim loại có đường
kính 1800 mm. Các cuộn giấy được chuyển sang bộ phận máy cuộn lại và cắt thành
những cuộn giấy thành phẩm có khổ to, nhỏ tùy theo đơn đặt hàng và được cuộn vào
theo các lõi bằng giấy.

ĐK &TĐH5_K54

10


BÀI TẬP LỚN: HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG HÓA NHÀ MÁY GIẤY

Hình 2.10. Bộ phận cắt cuộn lại
Từ các cuộn giấy lớn, giấy được chuyển sang phân xưởng hoàn thành để gia công
thành các sản phẩm theo đặt hàng: Giấy khổ A3, giấy RAM A4, vở học sinh… Hiện tại,
phân xưởng hoàn thành có 1 máy đóng giấy cuộn các cỡ, 2 máy A3, 2 máy xén và đóng
giấy A4 cao cấp, được tự động hóa hoàn toàn và sản phẩm làm ra có chất lượng cao.
Máy đóng vở học sinh hiện tại không còn được sử dụng do vấn đề vệ sinh môi trường
và hiệu quả không cao.

CHƯƠNG 3. HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN SẤY GIẤY
3.1. Tìm hiểu về lô sấy

ĐK &TĐH5_K54

11


BÀI TẬP LỚN: HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG HÓA NHÀ MÁY GIẤY

Hình 3.1. a)Cấu tạo bên trong lô giấy

b) Các quá trình trong lô sấy

Lô sấy là một ngăn có áp lực được cấp nhiệt bởi hơi nóng qua một van hơi. Hơi

nóng sẽ ngưng thành nước trong lô sấy . Nước ngưng làm giảm hiệu quả truyền nhiệt
của lô sấy và nó còn làm tăng tải của hệ thống truyền động gây ảnh hướng tới chất
lượng điều khiển của hệ thống, do người ta bố trí các thanh gây sáo trộn bên trong để
phá vỡ nước ngưng, nước ngưng sẽ theo ống dẫn và thoát ra ngoài .

Hình 3.2. Các thanh gây sáo trộn trong lô sấy
Các thanh trong lô sấy có tác dụng phá vỡ nước ngưng do hiện tượng công hưởng.
Chúng cũng ảnh hướng tới qua trình sấy,sau đây là sự so sánh giữa ảnh hưởng của các
thanh trong lô sấy :

ĐK &TĐH5_K54

12


BÀI TẬP LỚN: HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG HÓA NHÀ MÁY GIẤY

Hình 3.3. Ảnh hưởng của các thanh trong lô sấy tới quá trình sấy
Đường có chấm tròn thể hiện tốc độ của lô sấy khi có các thanh bên trong lô sấy
và đường có chấm hình tam giác biểu thị quá trình sấy không có các thanh bên trong lô
sấy.
Từ đồ thị hình 3.3 chúng ta thấy tốc độ sấy khi các lô sấy có các thanh bên trong
nhanh hơn so với trường hợp không có các thanh ở bên trong. Các lô sấy có thanh bên
trong sẽ phá vỡ lớp nước ngưng do đó hiệu quả truyền nhiệt tốt hơn so với trường hợp
lô sấy không có thanh bên trong .

Hình 3.4. Sấy giấy trên lô sấy
Khi giấy được gia nhiệt bởi các lô sấy, nước ở giữa và bên trong sơ sợi sẽ chuyển
thành hơi. Trong khoảng trống kéo giấy giữa các lô sấy, hơi nước thoát ra khỏi tờ giấy.
Nhiệt độ cao hay thông gió nhiều sẽ thúc đẩy quá trình bốc hơi nước.

ĐK &TĐH5_K54

13


BÀI TẬP LỚN: HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG HÓA NHÀ MÁY GIẤY

Để nâng cao chất lượng, hiệu suất sấy thì hệ thống lô sấy được bố trí hệ thống
thông hơi. Hệ thống này làm tăng khả năng bốc hơi của hơi nước, tối ưu hóa được nhiệt
lượng cung cấp.,duy trig điều kiên tốt cho phòng máy xeo và giảm mù sương thoát ra
khỏi nhà máy
3.2.
Hệ điều khiển truyền động lô sấy
3.2.1. Cấu trúc của hệ thống sấy

Bạt dẫn giấy

Giấy

•

Hình 3.5. Mô hình hệ thống sấy hai bạt dẫn
Mục tiêu của khâu sấy: Làm bay hơi hơi nước trong giấy, làm cho giấy có độ
cứng và độ ẩm theo yêu cầu công nghệ:
- Cấp nhiệt vào lô sấy
- Truyền nhiệt từ lô sấy sang giấy
- Thông gió để thoát hơi nước
Có hai hệ thống sấy cơ bản là hệ thống một bạt dẫn và hai bạt dẫn. Hai hệ thống
này đều có những ưu, nhược điểm

Ưu điểm của phương pháp sấy hai bạt:
- Giấy luôn được nằm giữa lô sấy và bạt dẫn nên hiệu quả truyền nhiệt từ lô
sấy lên tờ giấy được nâng cao.
- Giấy được sấy đồng đều nhau do mọi vị trí trên tờ giấy đều được cung cấp
nhiệt theo cách giống nhau.
• Nhược điểm của hệ thống sấy hai bạt dẫn:
•

ĐK &TĐH5_K54

14


BÀI TẬP LỚN: HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG HÓA NHÀ MÁY GIẤY

Hệ truyền động phức tạp, cồng kềnh.
Điều khiển phức tạp.
Phối hợp tải trong hệ truyền động rất khó khăn.
3.2.2. Các quá trình cân bằng
-

Hình 3.6. Quá trình truyền nhiệt từ hơi nóng của lô sấy vào tờ giấy
a. Cân bằng khối lượng
d
( ρ sVs ) = qs − qc − qout (1)
dt
d
( ρ wVw ) = qc − qw (2)
dt

Trong đó :
- qS : Lưu lượng hơi nước vào trong lô sấy (Kg/s)
- qC : Lưu lượng hơi nước ngưng tụ trong lô sấy (Kg/s)
qout

-

:Lưu lượng hơi ra (Kg/s)
qW : Lưu lượng nước ngưng tụ được hút ra ngoài (Kg/s)
VS, VW : lần lượt là thể tích hơi và nước ngưng tụ trong lô sấy (m 3)
ρS , ρw : lần lượt là khối lượng riêng của hơi nước và nước ngưng (Kg/m 3)

b. Cân bằng năng lượng

d
(3)
( ρ susVs ) = qs hs − qc hs
dt
d
( ρ w uwVw ) = qc hs − qw hw − Qm (4)
dt
d
(5)
( mC p,mTm ) = Qm − Qp
dt

ĐK &TĐH5_K54

15

BÀI TẬP LỚN: HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG HÓA NHÀ MÁY GIẤY

Trong đó :
Qm : công suất nhiệt cấp từ hơi nước cho lớp vỏ kim loại của lô sấy (W)
QC : công suất cấp nhiệt từ vỏ lô tới tờ giấy (W)
m : Khối lượng lô sấy (Kg)
Cp,m : nhiệt dung riêng của kim loại làm vỏ lô sấy (J/kg.K)
Tm : nhiệt độ vỏ lô (K)
US, UW : nội năng của hơi nước và nước ngưng (J/kg)
3.2.3. Quá trình truyền nhiệt
a. Công suất nhiệt đưa tới lớp vỏ kim loại của lô
Q m = α sc Acyl (Ts − Tm )

(7)

Trong đó :
- αsc : hệ số truyền nhiệt từ hơi nước tới tâm của lớp vỏ lô sấy (W/m2.K).
- Acyl : diện tích xung quang của lô sấy (m2).
- TS : nhiệt độ hơi nước (K).
- Tm : nhiệt độ vỏ kim loại lô sấy (K).
b. Công suất nhiệt từ vỏ lô tới tờ giấy
Q p = α cp Acyl .η .(Tm − Tp )

(8)

Trong đó :
- Αcp : hệ số truyền nhiệt từ tâm lớp vỏ lô sấy tới tờ giấy (W/m 2.K).
- Tp : nhiệt độ tờ giấy (K).
η

÷
: hệ số che phủ của giấy lên thành lô sấy ( 0,5 0,7 )

3.2.4. Mô hình hóa quá trình

Truớc hết ta giả thiết rằng hơi ở trong lô sấy là đồng nhất. nhiệt độ, sự thay dổi
nhiệt độ trong lớp nuớc ngưng tụ, vỏ lô, bề mặt tờ giấy biến dổi theo như hình 3.6
Các phương trình diễn tả các quá trình cân bằng là mô hình phi tuyến, để có được mô
hình đơn giản, ta có 1 số giả thiết sau
- Thứ nhất, hơi nuớc trong lô sấy là hơi bão hòa.Bởi vì quá trình cân bằng pha hơilỏng tại bề mặt trong của lô là liên tục có nghĩa rằng : trạng thái của hơi biểu thị
ĐK &TĐH5_K54

16


BÀI TẬP LỚN: HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG HÓA NHÀ MÁY GIẤY

-

-

-

bằng 1 biến trạng thái duy nhất nên chỉ cần dùng 1 trong 2 phương trình cân bằng
năng luợng hoặc khối lượng. Bỏ qua phương trình cân bằng năng luợng .
Thứ hai, khi mà lưu lượng hơi vào trong lô thay dổi, nhiêt độ của tờ giấy cũng
thay đổi chậm theo đặc tính động học của hơi nước và vỏ lò. Nhưng do đặc tính
khâu lọc thông thấp nên nhiệt độ tờ giấy thay đổi rất ít và xem như hằng số.
Thứ ba, thêm vào đó là nhiệt động học của hơi nuớc nhanh hơn nhiều so với quá
trình của vỏ lô. Vậy có thể thay thế quá trình động học lô sấy bằng quá trình tĩnh.

Thứ tư,tổng thể tích

Vs + Vw = V

bằng thể tích trong khoang của lô sấy nhưng giả
Vs ≈ V

thiết là lớp nước ngưng tụ rất ít nên có thể xấp xỉ
Tổng kết lại, hệ thống có thể viết lại duới dạng hệ phuong trình sau
d
 dt ( ρ sVs ) = qs − qc

0 = qc hs − qw hw − Qm
 d
 ( mC p ,mTm ) = Qm − Q p
 dt
Q m = α sc Acyl (Ts − Tm )

Q p = α cp Acyl .η .(Tm − Tp )

Qp

Loại bỏ ba biến qc, Qm và

từ hệ trên thu được:

 d
hs dt ( ρ sVs ) = qs hs − qw hw − α sc Acyl (Ts − Tm )

 d ( mC T ) = α A (T − T ) − α A .η .(T − T )

p,m m
sc cyl
s
m
cp cyl
m
p
 dt

Hai biến trạng thái là áp suất và nhiệt độ hơi nước.
hs , hw , ρ s , Ts

Giả thuyết, hơi nước trong lô là bão hòa và
là hàm của áp suất hơi, hệ
được viết lại như sau :
d ρ s dp

= qs hs (p) − qw (p)hw (p) − α sc Acyl (Ts (p) − Tm )
 hs (p) Vs
dp dt


 d ( mC T ) = α A (T (p) − T ) − α A .η .(T − T )
p ,m m
sc cyl
s
m
cp cyl
m
p

 dt

ĐK &TĐH5_K54

17


BÀI TẬP LỚN: HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG HÓA NHÀ MÁY GIẤY

Xét quá trình cân bằng tại điển làm việc :
0 = q 0 hs (p0 ) − qw (p0 ) hw (p 0 ) − α sc Acyl (Ts (p 0 ) − T 0 )
s


0
0
0
0
0 = α sc Acyl (Ts (p ) − Tm ) − α cp Acyl .η.(Tm − Tp )
q 0 hs (p0 ) − qw (p0 ) hw (p0 )
⇒ Tp0 = Tm0 − s
α cp Acyl .η

m

Tuyến tính hóa tại điểm làm việc :

d ρs
dh
dq

dT 
d ∆p  0 dhs
0
=  qs
− qw (p 0 ) w − hw (p 0 ) w − α sc Acyl s 
∆p + α sc Acyl ∆Tm + hs (p 0 )∆ q s
hs (p ) V
dp
dt
dp
dp
dp
dp
0
0

 p= p
p= p


mC d ∆Tm = α A dTs
− α sc Acyl ∆Tm − α cp Acylη∆Tm
sc cyl
 p ,m dt
dp
0
p
=
p


 0 dhs
dh
dq
dT
− qw (p0 ) w − hw (p 0 ) w = α sc Acyl s
 qs
dp
dp
dp
 dp
ηα = α
sc
 cp

Giả thuyết rằng
Mô hình trở thành :


d ρs
dT 
d ∆p 
0
=  −α sc Acyl s 
∆p + α sc Acyl ∆Tm + hs (p0 )∆ q s
hs (p ) V
dp
dt
dp
0

0


p
=
p
p
=
p


mC d ∆Tm = α A dTs
− α sc Acyl ∆Tm − α cp Acylη∆Tm
sc cyl
 p ,m dt
dp p = p 0


Quá trình nhiệt Qp xảy ra chậm so với quá trình truyền nhiệt Q m từ hơi sang vỏ lò.
Chuyển mô hình đã cho sang không gian trạng thái:
 x&= Ax + B∆qs

 y = Cx + D∆qs

Với x = [∆p ∆Tm]T

Trong đó các ma trận biểu diễn như sau:

ĐK &TĐH5_K54

18


BÀI TẬP LỚN: HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG HÓA NHÀ MÁY GIẤY

dTs

 Acyl dp
−
 h V d ρs
s
dp
A=

 A dTs
 cyl dp

 mCm, p







 ;B = V





Acyl 
−

mCm , p 
Acyl
d ρs
hsV
dp

1
d ρs
dp
0



 ; C = [1 0] ; D = 0



Từ mô hình trạng thái có thể rút ra hàm truyền của lưu lượng hơi tới áp suất trong
lô sấy có dạng:
G (s) = b1

s − a22
s+ z
z λ−z
= b1
= b1  +
÷

s (s− a11 − a12 )
s (s+ λ )
 s s+λ 

Với các hệ số :
dT

Acyl s

α
A
A
1
dp
b1 =
; z = − a22 = sc cyl ; λ = − a11 − a12 = α sc 
+ cyl
d ρs
mCm, p
 h V d ρ s mCm , p
V
 s dp
dp



÷
÷
÷
÷



Hàm truyền là sự kết hợp của khâu tích phân và khâu có đặc tính lead-lag tùy
−λ
thuộc vào vị trí điểm cực
và điểm không – z.
Có thể đưa về dạng chuẩn của mô hình- IPZ(mô hình chứa khâu tích phân , 1 điểm
cực, 1 điểm không.)
G (s) = kv

kv =

1 + sT1 − sL
e
s (1 + sT2 )

mCm, p hsV

mCm , p

d ρs
dp

mCm , p
hs
; T1 =
; T2 =
dTs
d ρs
A


dT
d ρs 
cyl
+ hsV
α sc Acyl  mCm, p s + hsV
dp
dp
dp
dp ÷



Hệ số truyền nhiệt phụ thuộc vào độ dày của lớp nước ngưng tụ và độ nhiễu loạn
của các phân tử nước trong đó nên thực tế là rất khó xác định. Nên nó thường được sử
dụng từ các dữ liệu thực tế hoặc dựa trên kinh nghiệm thiết kế, điều khiển.

ĐK &TĐH5_K54

19


BÀI TẬP LỚN: HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG HÓA NHÀ MÁY GIẤY

3.3. Vòng điều khiển áp suất và nước ngưng tụ
3.3.1. Sách lược điều chỉnh trong phân xưởng sấy

Mục đích của hệ điều khiển áp suất hơi và nước ngưng tụ hay điều khiển cân bằng
pha trong lô sấy mục đích là để cung cấp công suất nhiệt để làm bay hơi nước trên giấy
để đạt chỉ tiêu chất lượng mong muốn.

Hình 3.7. Mô hình một nhóm 6 lô sấy, van và bộ điều khiển van.
Các lô sấy trong quá trình được chia thành nhiều nhóm khác nhau, từ 5-10 nhóm.
Mỗi nhóm được điều khiển bởi 1 bộ điều khiển độc lập. Khi mà hơi nước trong lô sấy
là hơi bão hòa thì quá trình tạo ra nước ngưng tụ trên mặt trong của lô là liên tục, và có
sự tương quan giữa áp suất và nhiệt độ hơi nước.
Điều khiển áp suất đơn giản nhất ở trong các lô sấy là lấy dòng hơi nước ở áp suất
cao cho vào các nhóm lô sấy, đầu ra được đưa tới bộ phận ngưng. Việc điều khiẻn này
sẽ điều khiển riêng rẽ áp suất ở các nhóm và hoàn toàn không phụ thuộc lẫn nhau,
nhưng đổi lại hiệu suất sử dụng rất thấp.
Trong thực tế, các nhóm lô sấy làm việc với áp suất khác nhau có thể được bố trí
theo hệ thống phân tầng ( cascade ), đây là cách bố trí hiệu quả để có thế tận dụng được
năng lượng hơi sấy. Trong cấu hình này hơi sấy sau khi sử dụng ở trong nhóm có áp suất
hơi làm việc cao được đưa tới sử dụng lại ở nhóm sấy có áp suất hơi làm việc thấp hơn.
.
ĐK &TĐH5_K54

20


BÀI TẬP LỚN: HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG HÓA NHÀ MÁY GIẤY

Hình 3.8. Hệ thống sấy với cấu trúc đơn giản nhất gồm 2 nhóm sấy nối tầng.
Hình trên mô tả hệ sấy bao gồm hai nhóm sấy: nhóm A và nhóm B. Trong đó
nhóm sấy A hoạt động ở áp suất hơi cao hơn nhóm B, do đó hơi đi qua nhóm sấy A và
hơi thứ trong Tank A được dẫn tới các lô sấy của nhóm B. Bộ điều chỉnh áp suất hơi
PC2 sẽ điều chỉnh van hơi để hơi chính và hơi thứ kết hợp với nhau nhằm đạt được áp
suất hơi mong muốn đi vào nhóm sấy B. Như vậy để làm được điều này thì phải có sự
khác nhau về áp suất hơi giữa hai nhóm sấy để hơi thứ có thể đi qua van PDC, sự khác
nhau này phụ thuộc vào điểm làm việc và cấu tạo của máy sấy. Sự chênh áp giữa đầu

vào và đầu ra của nhóm sấy A được giám sát bằng bộ điều khiển PDC để đảm bảo quá
trình ngưng hơi xảy ra. Ở đây nhóm B là nhóm có áp suất hơi làm việc thấp nhất nên
Tank B chỉ có nhiệm vụ dẫn nước ngưng về bình ngưng, để thực hiện điều này thì áp
suất trong bình ngưng phải thấp hơn áp suất trong TankB.
Từ phân tích trên ta có thể thấy một nhược điểm của hệ này là phát sinh đầu nối
giữa hai vòng điều khiển khác nhau, nó tạo ra nhiễu cho toàn hệ thống. Trên thực tế,
việc sử dụng lại nguyên liệu đem lại một số ảnh hưởng tới đặc tính động học của hệ
thống và trong hầu hết các trường hợp nó tạo ra tín hiệu phản hồi dương. Nhưng vì lý
do tiết kiệm năng lượng nên thực tế cấu trúc Cascade vẫn làm giải pháp thường được sử
dụng.
Nhằm khắc phục nhược điểm của cấu hình Cascade trên, trong thực tế người ta
sử dụng thêm bộ nén hơi. Bộ nén hơi này có nhiệm vụ làm ổn định áp suất hơi đưa vào
các lô sấy cùng nhóm. Bằng cách này hơi thứ được chuyển tới một nhóm lô sấy là độc
lập và không bị ảnh hưởng từ nhóm lô khác. Cấu hình được mô tả như sau:

ĐK &TĐH5_K54

21


BÀI TẬP LỚN: HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG HÓA NHÀ MÁY GIẤY

Hình 3.9. Sơ đồ 1 nhóm sấy với máy nén hơi ổn định áp suất.
Bộ điều khiển áp suất PC sử dụng hơi cấp quay vòng từ bộ nén hơi nhưng nó cũng
có khả năng sử dụng hơi từ lò hơi để cấp trực tiếp cho các nhóm lô sấy khi cần
thiết.Theo cách tương tự như vậy, bộ điều khiển PDC dẫn hơi thứ thoát ra sau các lô
hoặc dẫn tới bộ nén hơi hoặc dẫn tới bộ phận ngưng hơi như khi đứt giấy hoặc nhu cầu
làm khô giảm.
Ngòai hai bộ điều khiển áp suất PC và PDC nêu trên, trong hệ điều khiển hơi cấp
và ngưng còn có hàng loạt các bộ điều khiển mức LC thực hiện duy trì mức nước

ngưng không đổi theo yêu cầu công nghệ trong các bình ngưng chứa nước và hơi sau
khi đi ra khỏi lô sấy. Các bộ điều khiển mức LC này đều hoạt động độc lập và không
ảnh hưởng trực tiếp tới quá trình điều khiển độ ẩm của giấy.
Một sơ đồ P&ID cơ bản của một phân xưởng sấy được xây dựng theo cấu trúc nối
tầng có sử dụng máy nén hơi

ĐK &TĐH5_K54

22


BÀI TẬP LỚN: HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG HÓA NHÀ MÁY GIẤY

Hình 3.10. Sơ đồ P&ID của 1 hệ thống sấy có cấu trúc nối tầng các nhóm sấy
Trong sơ đồ P&ID này, hệ thống sấy được chia thành 6 nhóm sấy khác nhau.
Có nhiều vòng lặp điều khiển nhưng vòng lặp cơ bản và chủ yếu nhất là vòng điều
khiển áp suất. Cùng với đó là vòng điều khiển mức trong bình ngưng, điểu khiển áp
suất nguồn hơi từ máy cấp hơi, điều khiển chênh lệch áp suất giữa các nhóm lô sấy…
3.3.2. Thiết kế bộ điều khiển áp suất

Vòng điều chỉnh áp suất là vòng điều chỉnh cơ bản và quan trọng nhất quyết định
tới chất lượng sấy của hệ thống sấy.
Trong phần trước ta đã đi mô hình hóa được hàm truyền từ lưu lượng hơi đầu vào
tới áp suất hơi trong lô sấy có dạng hàm truyền IPZ.
G (s) = kv

1 + sT1 − sL
e
s (1 + sT2 )

Bộ điều khiển kinh điển được áp dụng trong công nghiệp, được thêm vào các hệ số
β và γ để người điều khiển dễ chỉnh định hơn trong quá trình bộ điều khiển hoạt động.
uc (t) = k c ( β r (t) − y(t) ) +

kc
Ti

∫ ( r (t) − y(t) ) dt + k T

c d

d
( γ r (t) − y(t) )
dt

Kc , kd , Ti , Td , β , γ: là các tham số cần xác định
-

Thông thường β = 1
γ = 0 : loại bỏ ảnh hưởng của vi phân lên tín hiệu chủ đạo

ĐK &TĐH5_K54

23


BÀI TẬP LỚN: HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG HÓA NHÀ MÁY GIẤY

Hình .3.11. Cấu trúc bộ điều khiển PID điều khiển áp suất.
Trong đó các hàm truyền





1
1
C ff (s) = k c  β +
+ sγ Td ÷ ; Cc (s) = k c 1 +
+ sTd ÷
sTi


 sTi

3.3.3. Vòng điều khiển độ ẩm

Độ ẩm của tấm giấy được điều khiển bởi áp suất hơi trong hệ thống lô sấy. Khi hệ
quá trình sấy được chia thành các nhóm được điều khiển độc lập, đây là hệ thống multiinput-single-output (MISO). Điều này có nghĩa là quá trình sấy có nhiều đơn vị tự do về
phương diện điều khiển.
Theo cách truyền thống, điều này được giải quyết bằng việc đặt tất cả bộ điều
khiển áp suất hơi theo cùng một tín hiệu. Bộ điều khiển độ ẩm sẽ điều chỉnh lượng đặt
áp suất hơi của một nhóm lô sấy và các nhóm còn lại phải theo nó, khi này hệ thống
điểu khiển độ ẩm trở thành singleinput-single-output (SISO). Hình 2.6 chỉ ra, điều này
được thực hiện với một máy quét. Nhóm sấy 5 (được gọi là lead group) hoạt động ở áp
suất hơi cao nhất và nhận tín hiệu điều khiển từ bộ điều khiển độ ẩm. Lượng đặt của các
nhóm khác được tính toán từ giá trị đó, có thể theo hàm tỉ ệ hoặc một hàm toán học
khác.

ĐK &TĐH5_K54

24


BÀI TẬP LỚN: HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG HÓA NHÀ MÁY GIẤY

Hình 3.12. Ví dụ về phân phối áp suất hơi của quá trình sấy.
Mục đích của việc này giải quyết được 2 việc. Thứ nhất, mối quan hệ hằng giữa áp
suất trong các nhóm lô sấy cung cấp những điều kiện thuận lợi cho hàm của hệ thống
tầng. Thứ hai, điều này điều này cũng quan trọng cho cả khả năng di chuyển được và
chất lượng của tờ giấy.

Hình 3.13. Vòng điều khiển quá trình truyền nhiệt
Vòng điều khiển độ ẩm giấy là vòng điều khiển tầng. Vòng bên trong điều khiển
áp suất hơi trong các lô sấy. Việc này thường được thực hiện bằng một bộ điều khiển PI
hoặc PID. Ở vòng ngoài là bộ điều khiển bù trễ được dựa trên mô hình tổng quan, tiêu
biểu như là điều khiển mô hình nội IMC [Morari and Zafirous, 1989]. Bộ IMC điều
khiển độ ẩm trong tấm giấy, bằng việc đưa ra giá trị đặt tới bộ điều khiển PID ở vòng
trong.
Một phân từ áp suất hơi trong lô sấy có một lượng lớn biến ảnh hưởng đến độ ẩm
của tấm giấy: tốc độ quay của lô sấy, độ dầy của giấy, độ ẩm giấy sau quá trình ép
không đồng đều, điều kiện bao giấy, sự căng tấm giấy,… . Một vài trong những nhiễu
đó là điều khiển được như tốc độ quay lô sấy, độ dày của tấm giấy được điều khiển
bằng feedforward. Một vài biến khác rất khó đo, chỉ có thể được giảm bởi bộ điều khiển
feedback.
ĐK &TĐH5_K54

25