Nghiên cứu phương pháp điều khiển phối hợp nhiều lô sấy nhằm nâng cao mức độ ổn định độ ẩm của giấy

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

BÙI VĂN BÌNH

NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN PHỐI HỢP
NHIỀU LÔ SẤY NHẰM NÂNG CAO MỨC ĐỘ ỔN ĐỊNH ĐỘ
ẨM CỦA GIẤY

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT
Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa

THÁI NGUYÊN – 2014


ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

BÙI VĂN BÌNH

NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN PHỐI HỢP
NHIỀU LÔ SẤY NHẰM NÂNG CAO MỨC ĐỘ ỔN ĐỊNH ĐỘ
ẨM CỦA GIẤY
Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa
Mã số: 60 52 02 16

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

KHOA CHUYÊN MÔN
TRƯỞNG KHOA

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

TS. NGUYỄN VĂN CHÍ
PHÒNG QUẢN LÝ ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC

THÁI NGUYÊN – 2015
Trang 2


L I CAM ĐOAN
Tên tôi là: Bùi Văn Bình
Sinh ngày

tháng

năm

Học viên lớp cao học khoá 14 CH.TĐH 01 - Trường đại học kỹ thuật Công nghiệp
Thái Nguyên.
Hiện đang công tác tại :
Tôi xin cam đoan luận văn “Nghiên cứu phương pháp điều khiển phối
hợp nhiều lô sấy nhằm nâng cao mức độ ổn định độ ẩm của giấy” do thầy
giáo TS Nguyễn Văn Chí hướng dẫn là nghiên cứu của tôi với tất cả các tài liệu
tham khảo đều có nguồn gốc, xuất xứ rõ ràng.
Thái Nguyên, ngày

tháng

năm 2015

Học viên

Bùi Văn Bình

Trang 3


L I C M ƠN
Sau thời gian nghiên cứu, làm việc khẩn trương và được sự hướng dẫn tận
tình giúp đỡ của thầy giáo TS Nguyễn Văn Chí, luận văn với đề tài “ Nghiên cứu
phương pháp điều khiển phối hợp nhiều lô sấy nhằm nâng cao mức độ ổn định
độ ẩm của giấy ” đã được hoàn thành.
Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới:
Thầy giáo hướng dẫn TS. Nguyễn Văn Chí đã tận tình chỉ dẫn, giúp đỡ tác giả
hoàn thành luận văn. Các thầy cô giáo Trường Đại học kỹ thuật công nghiệp Thái
Nguyên, và một số đồng nghiệp, đã quan tâm động viên, giúp đỡ tác giả trong suốt
quá trình học tập để hoàn thành luận văn này.
Mặc dù đã cố gắng hết sức, tuy nhiên do điều kiện thời gian và kinh nghiệm
thực tế của bản thân còn ít, cho nên đề tài không thể tránh khỏi thiếu sót. Vì vậy, tác
giả mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các thầy giáo, cô giáo và các bạn bè
đồng nghiệp cho luận văn của tôi được hoàn thiện hơn.
Tôi xin chân thành cảm ơn!
Thái Nguyên, ngày….tháng….năm 2015
Tác giả

Bùi Văn Bình

Trang 4

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN

3

LỜI CẢM ƠN

4

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

7

LỜI NÓI ĐẦU

8

Chương 1

GIỚI THIỆU VỀ QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT GIẤY VÀ
VẤN ĐỀ TIÊU THỤ NĂNG LƯỢNG

1.1

Tổng quan về quá trình sản xuất giấy

12

1.2

Vấn đề tiêu thụ năng lượng trong quá trình sản xuất giấy

14

1.3

Vấn đề tiết kiệm năng lượng trong quá trình sản xuất giấy

16

1.3.1 Vai trò của việc nâng cao độ ổn định của phần ướt

16

1.3.2 Nâng cao chất lượng điều khiển phần tháo nước

17

1.3.3 Nâng cao hiệu quả phần sấy khô

17

1.3.4 Tối ưu hóa tốc độ của máy

18

1.4

Cách giải quyết của đề tài

18

1.5

Kết luận chương 1

18

Chương 2

ĐIỀU KHIỂN ÁP SUẤT HƠI TRONG QUÁ TRÌNH
SẤY
19

2.1

Cấu hình của các lô sấy trong công đoạn sấy khô

19

2.2

Hệ thống hơi và nước ngưng

20

2.3

Mạch vòng điều khiển độ ẩm

21

2.4

Mô hình hệ thống hơi và nước ngưng

26

2.4.1 Mô hình vật lý của một lô sấy

26

2.4.2 Nhận dạng mô hình áp suất hơi

27

2.4.3 Hiệu chỉnh mô hình của áp suất hơi

28

2.4.4 Nhận dạng mô hình áp suất hơi sử dụng phương pháp nhận dạng hộp xám

30

2.5

37

Điều khiển áp suất hơi trong hệ thống sấy

2.5.1 Hiện tượng quá điều chỉnh áp suất hơi khi dùng bộ điều khiển PID cho mạch
vòng điều chỉnh áp suất hơi
Trang 5

37


2.5.2 Khắc phục hiện tượng quá điều chỉnh áp suất trong điều khiển ổn định độ ẩm
của giấy sử dụng điều khiển feedback và feedforward

41

2.5.3 Điều khiển áp suất hơi trong lô sấy sử dụng sách lược phản hồi trạng thái

44

2.6

Kết luận chương 2

Chương 3
3.1

ĐIỀU KHIỂN ĐỘ ẨM CỦA GIẤY TRONG PHẦN
SẤY KHÔ

Mô hình của phần sấy khô

49

3.1.1 Mô hình động học của áp suất hơi bão hòa đi vào trong lô sấy

49

3.1.2 Mô hình hệ thống thổi khí

50

3.2

Phương pháp Mid-Ranging

51

3.3

Điều khiển ổn định độ ẩm của giấy sử dụng Mid-ranging của hệ thống khí

52

3.3.1 Thiết kế mô hình và điều khiển

52

3.3.2 Kết quả mô phỏng

56

3.4

56

Kết luận chương 3

Chương 4

KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM TẠI CÔNG TY GIẤY
HVT

4.1

Giới thiệu về hệ thống seo của công ty HVT

58

4.2

Nhận dạng mô hình hệ thống hơi đưa vào lô sấy

60

4.3

Kết quả điều khiển độ ẩm

62

4.4

Kết luận chương 4

63

Kết luận chung của luận văn

64

TÀI LIỆU THAM KHẢO

66

Trang 6


DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Từ viết tắt

Tên tiếng Anh

Tên tiếng Việt

IPZ

Intergator Pole Zero

Quá trình có một khâu tích
phân, một điểm cực và một
điểm không

PPZ

Pole- Pole Zero

Quá trình có hai điểm cực và
một điểm không

IMC

Internal Model Control

Điều khiển dựa trên mô hình
nội

HVT

Công ty cổ phần giấy Hoàng
Văn Thụ

CD

Crossing Direction

Hướng ngang của máy

MD

Machine Direction

Hướng dọc theo máy

PID

Proportional Integral Derivative
Controller

Bộ điều khiển PID

PI

Proportional Integral Controller

Bộ điều khiển PI

Trang 7


LỜI NÓI ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Giấy đóng một vai trò rất quan trọng trong cuộc sống vì giấy được sử dụng
trong hầu hết các sản phẩm của con người. Công nghệ sản xuất giấy là một
công nghệ ít có sự thay đổi, mục đích của hệ thống máy tạo ra giấy là tạo giấy
và hút nước ra khỏi giấy để tạo ra giấy khô với độ ẩm được xác định trước
tương ứng với từng loại giấy khác nhau. Do đó độ ẩm là một thông số rất quan
trọng, có thể nói là quan trọng nhất trong quá trình sản xuất giấy. Công đoạn
sấy giấy để đạt độ ẩm cần thiết cũng là công đoạn tiêu tốn nhiều năng lượng
nhất trong quá trình sản xuất giấy. Đối với các nhà máy sản xuất giấy thậm chí
cả một công ty lớn, việc xây dựng một hệ thống máy sản xuất giấy mới là một
khoản đầu tư rất lớn, do vậy việc tìm kiếm những giải pháp để nâng cao vấn đề
ổn định độ ẩm luôn được đặt ra trong thực tiễn. Việc nâng cao độ ổn định
thông qua các giải pháp điều khiển được cài đặt trong các hệ thống sản xuất

giấy đã có sẽ cung cấp những hiệu quả về mặt kinh tế cũng như chất lượng
giấy, có thể kể đến như sau:
• Khi độ ẩm của giấy thay đổi nhiều (không ổn định) có thể ảnh hưởng
bất lợi đến đến các công đoạn xử lý tiếp theo như máy cán, máy tráng
bóng, các dây chuyền đóng gói, thậm chí ảnh hưởng đến cả chất lượng
in. Trong suốt quá trình sản xuất, độ ẩm của giấy luôn luôn được đo và
theo dõi liên tục. Giấy sẽ bị loại bỏ nếu độ ẩm của giấy không nằm
trong phạm vi cho phép. Điều chỉnh độ ẩm sao cho ổn định và ít thay
đổi theo yêu cầu sẽ cho phép lượng giấy bị loại bỏ ít hơn, năng lượng
sử dụng sẽ ít hơn và qua đó chất lượng giấy cũng sẽ được tăng lên rất
nhiều.
• Việc giảm thiểu sự thay đổi độ ẩm sẽ dẫn tới việc giảm thiểu tác động
điều chỉnh, qua đó các cơ cấu chấp hành sẽ vận hành trơn tru và có độ
bền cao hơn.
Trang 8


• Giấy có độ ẩm ổn định, dẫn tới khối lượng sẽ ổn định và do đó giá bán
của một lô giấy cũng sẽ ổn định hơn (vì giấy được bán theo khối
lượng).
• Độ ẩm của giấy ổn định sẽ tiết kiệm được nguyên nhiên liệu, ví dụ như
một nhà máy có công suất 1000 tấn giấy/ ngày, nếu giảm được 0.1%
dao động độ ẩm thì sẽ tiết kiệm được 365 tấn nguyên liệu thô mỗi năm
[1].
• Muốn tăng số lượng sản xuất giấy thì giải pháp thường dùng là tăng
tốc độ của máy seo, tuy nhiên phần sấy khô bao giờ cũng là điểm
nghẽn vì yêu cầu ổn định nhanh độ ẩm, do đó nếu phần sấy khô được
điều chỉnh ổn định độ ẩm tại tốc độ cao thì sẽ đẩy năng xuất của cả hệ
thống lên rất nhiều.
Một số phương pháp nhằm điều khiển ổn định độ ẩm của giấy trong những

năm vừa qua với việc áp dụng lý thuyết điều khiển như phương pháp sử dụng
bộ lọc Kalman và điều khiển tối ưu [10]. Ngày nay với đặc điểm là sử dụng
máy tính để điều khiển, nên việc sử dụng các lý thuyết điều khiển hiện đại đã
được áp dụng cho bài toán điều khiển ổn định độ ẩm ví dụ như bộ điều khiển
thay đổi cực tiểu [11], bộ điều khiển tự chỉnh[12], [13]. Tuy nhiên những
phương pháp kể trên đây đều sử dụng chung một mô hình cho tất cả các lô sấy
trong toàn bộ quá trình(mà thực chất các lô sấy kế tiếp nhau sẽ có mô hình
khác nhau phụ thuộc vào độ ẩm của giấy có được từ lô sấy trước nó), và chưa
kể đến ảnh hưởng của đồng thời cả áp suất hơi vào các lô sấy và áp suất của
hơi khí nén tới các cơ cấu chấp hành. Chính vì vậy việc tìm ra mô hình của
từng lô sấy kế tiếp nhau sẽ cho phép có được giải pháp điều khiển ổn định độ
ẩm một cách tốt hơn [1]..
2. Mục tiêu nghiên cứu
-

Mục tiêu chung

Trang 9


Hiện nay trong công nghệ sản xuất giấy thì vấn đề điều khiển ổn định độ ẩm
của giấy ở công đoạn sấy đang là bài toán điều khiển mang tính thời sự và cấp
bách. Điều khiển ổn định độ ẩm qua nhiều lô sấy để đạt được độ ẩm của giấy
sau khi ra khỏi phần sấy nhằm mục đích đảm bảo chất lượng của giấy cũng như
tiết kiệm được năng lượng khi sấy đặc biệt là khi lô sấy chạy ở tốc độ cao
(>200 mét/phút). Như phần tổng quan đã nói, đối với một nhà máy giấy có
công suất 1000 tấn giấy mỗi ngày nếu độ ẩm thay đổi không ổn định trong
khoảng 0.1% theo khảo sát thì sẽ tiêu tốn thêm một lượng nhiên liệu là 365
tấn/năm. Trong nhiều năm qua, đa số nhiệt độ của các lô sấy được điều chỉnh
bằng tay cho từng lô sấy theo một đường cong kinh nghiệm nào đó và sự

chuyển tiếp nhiệt độ giữa các lô sấy thường không ổn định do phụ thuộc vào
tốc độ, chất lượng nguyên liệu đầu vào, độ dày của giấy, nhiệt độ môi trường
và quan trọng hơn nữa đó là mô hình truyền nhiệt của từng lô sấy ở từng chất
độ làm việc khác nhau dẫn tới độ ẩm của giấy không ổn định. Do vậy việc
nghiên cứu một phương pháp điều khiển phối hợp nhiều lô sấy nhằm đảm bảo
ổn định nhiệt độ của giấy qua đó nâng cao chất lượng độ ẩm của giấy và tiết
kiệm nhiên liệu gia nhiệt là một yêu cầu mang tính thời sự và cấp bách hiện
nay. Với các vấn đề như đã nêu, mục tiêu nghiên cứu của đề tài nhằm: Tìm một
phương pháp điều khiển kết hợp nhiều lô sấy nhằm ổn định độ ẩm của giấy qua
đó nâng cao chất lượng của giấy và tiết kiệm nhiên liệu cho công đoạn gia
nhiệt phần sấy.
-

Mục tiêu cụ thể
• Xác định cấu hình của các thành phần trong công đoạn sấy khô, các
nhiễu loạn tác động lên phần sấy khô
•

Xây dựng mô hình hệ thống hơi và nước ngưng, mô hình của một lô
sấy, sử dụng phương pháp nhận dạng hộp xám để nhận dạng mô hình độ
ẩm của giấy dựa trên dữ liệu thực nghiệm.

• Áp dụng chiến lược điều khiển Mid- Ranging để điều khiển ổn định độ
ẩm của giấy thông qua điều khiển phối hợp cả áp suất đặt và điều khiển

Trang 10


lượng khí thổi vào buồng máy nhằm kiểm soát tốt hơn sự thay đổi của
độ ẩm.

-

Các kết quả trong luận văn

• Nghiên cứu phương pháp điều khiển ổn định độ ẩm của giấy cho mô hình hệ
thống sấy.
• Cài đặt thử nghiệm tại Công ty Cổ phần giấy Hoàng Văn Thụ - TP Thái
Nguyên
3. Nội dung của luận văn
Luận văn thực hiện các nội dung sau:
• Xác định cấu hình của các lô sấy trong công đoạn sấy khô, tìm hiểu hệ
thống hơi và nước ngưng, mạch vòng điều khiển độ ẩm và các nhiễu
loạn tác động lên phần sấy khô
•

Xây dựng mô hình hệ thống hơi và nước ngưng, nhận dạng mô hình độ
ẩm IPZ sử dụng phương pháp nhận dạng hộp xám. Cấu hình điều khiển
PID và bộ điều khiển hai bậc tự do nhằm ngăn chặn độ quá điều chỉnh.

• Xây dựng mô hình của phần xấy khô, mô hình động học của áp suất hơi
đi vào trong lô sấy, mô hình hệ thống thổi khí. Áp dụng chiến lược điều
khiển Mid- Ranging để điều khiển ổn định độ ẩm của giấy thông qua
điều khiển phối hợp cả áp suất đặt và điều khiển lượng khí thổi vào
buồng máy nhằm kiểm soát tốt hơn sự thay đổi của độ ẩm.
Từ nội dung luận văn nêu trên, luận văn gồm 04 chương với bố cục như sau:
Chương 1: Giới thiệu về quá trình sấy trong công nghệ sản xuất giấy
Chương 2: Điều khiển áp suất hơi trong quá trình sấy
Chương 3: Điều khiển độ ẩm của giấy trong phần sấy khô
Chương 4: Kết quả thực nghiệm tại công ty giấy HVT
Phần cuối là kết luận chung của đề tài.

Trang 11


Chương 1

GIỚI THIỆU VỀ QUÁ TRÌNH SẢN
XUẤT GIẤY VÀ VẤN ĐỀ TIÊU THỤ
NĂNG LƯỢNG

1.1 Tổng quan về quá trình sản xuất giấy
Giấy được tạo ra từ bột giấy, bột giấy được tạo ra từ việc nghiền các nguyên
liệu như gỗ, tre v.v. Trước khi đưa vào máy xeo, bột giấy được đưa qua hệ thống
nghiền côn để tăng diện tích tiếp xúc, tăng khả năng liên kết giữa các thớ và 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 cảu sản phẩm. Bột đã pha trộn phụ gia trong bể chứa sau đó được
đưa qua các hệ thống phụ trợ: sàng áp lực, lọc cát và các thành phần khác có ảnh
hưởng đến tờ giấy rồi đưa tới hòm phun bột bắt đầu quá trình sản xuát giấy
1. Hòm phun bột
Hòm phun bột có nhiệm vụ phân phối lưu lượng bột đồng đều trên lưới
với tốc độ không đổi trên toàn bộ mặt ngang của lưới và giữ cho bột
không bị xáo trộn để chống chảy xoáy làm phá vỡ dòng bột đã hình
thành. Bột đã hình thành tờ giấy ướt có độ khô 18-20%
2. Bộ phận lưới
Tờ giấy được hình thành giữa hai bề mặt của lưới đôi theo 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 tác nước và độ thấm. Lưới trong rộng 4350mm, dài 22000mm,
lưới ngoài rộng 4350mm, dài 18000mm. Ưu điểm của lưới đôi hạn chế
Trang 12

được bề mặt tự do của dòng chảy trên lưới, có khả năng điều khiển tốt
hơn. Trên bộ phận hình thành, nước thoát ra cả hai chiều dài tạo hình và
giấy có bề mặt đồng nhất.
3. Bộ phận ép
Sau công đoạn hình thành tờ giấy, tờ giấy còn khoảng 80% nước hay là
độ khô 20%, ở công đoạn ép độ khô sẽ tăng lên 40%. Nhiệm vụ chính
của bộ phận ép là tách nước ra khỏi giấy, tăng độ bền và độ nhẵn của tờ
giấy đồng thời bộ phận ép còn nhiệm vụ dẫn tờ giấy đến bộ phận sấy. Tờ
giấy ướt được chuyển tiếp từ lưới tới trục ép hút chận 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 quan 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.

Phần lưới

Phần ép

Phần sấy khô

Hình 1-1 Quá trình sản xuất giấy từ bột giấy gồm 03 công đoạn: phần tạo hình
(phần lưới hay phần phun bột), phần ép và phần sấy khô. Có thể gọi ngắn gọn là hai
phần: phần ướt (wet end) bao gồm phần lưới và phần ép và phần khô (drying
section) chính là phần sấy khô [1] .
4. Bộ phận sấy
Khi rời bộ phận ép, giấy có độ khô khoảng 40% và nhiệt độ từ 25-30%,

trong bộ phận sấy lượng nước còn lại sẽ được tách ra bằng cách bốc hơi

Trang 13


do sử dụng nhiệt năng cỉa hơi nước bão hòa trong 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 trực tiếp với lô sấy
• Sấy đối lưu: nhiệt năng nhận được từ không khí xung quanh lô sấy
• Sấy tự do: sấy trong khoảng không giữa các lô sấy
Sau quá trình sấy tờ giấy được đi qua bộ phận ép keo, chức năng của
khâu ép keo là phủ một lớp keo lên bề mặt giấy nhằm làm tăng độ bóng,
độ dai, bịt các lỗ trên bề mặt tờ giấy. Hệ thống seo gồm nhiều lô sấy, các
lô có đường kính từ 1500mm, các lô sấy được bố trí thành các nhóm dẫn
động khác nhau, các lô trong một nhóm có cùng một tốc độ, sự chênh
lệch về tốc độ giữa các nhóm dẫ động sẽ được hiệu chỉnh theo độ căng
của tờ giấy.
5. Bộ phận ép quang
Bộ phận ép quang gồm hai lô quay tiếp xúc nhau, máy ép quang sẽ đảm
bảo độ đồng đều, độ nhằn bóng bề mặt làm tăng độ bền kéo, độ chịu bục
và thấm khí của tờ giấy.
6. Bộ phận cuốn và máy cắt cuộn lại
Tờ giấy được hình thành sau ép quang thì được cuộn lại vào lô cuốn kim
loại có đường kính 1800mm. Các cuộn giấy được chuyển sang bộ phận
máy cuộn lại và cắt thành những cuộn giấy thành phẩm có khổ to nhỏ
khác nhau theo yêu cầu.

1.2 Vấn đề tiêu thụ năng lượng trong quá trình sản xuất giấy
Ngành công nghiệp sản xuất giấy là ngành công nghiệp tiêu thụ năng lượng
rất lớn theo thống kê của của hiệp hội công nghiệp Anh quốc qua bảng sau (đây là

đối với những nhà máy giấy của Anh và Châu Âu có hệ thống tự động hóa tốt, còn
đối với những nhà máy giấy cũ ở Việt Nam như Bãi Bằng và Hoàng Văn Thụ Thái
nguyên thì năng lượng tiêu thụ sẽ lớn hơn).
Bảng 1-1 Năng lượng tiêu thụ tương ứng với một tấn giấy khi sản xuất các loại
giấy khác nhau

Trang 14


Kiểu giấy

Năng lượng tiêu thụ/ tần giấy

Giấy đóng gói

2-3 MWh/ tấn giấy

Giấy in báo

3-4 MWh/tấn giấy

Giấy vệ sinh

5-7 MWh/tấn giấy

Giấy viết

4-8 MWh/tấn giấy

Giấy đặc biệt

~20 MWh/tấn giấy

Trung bình

4MWh/tấn giấy

Có một đặc điểm là công nghệ sản xuất giấy là một công nghệ ít thay đổi
trong hàng trăm năm qua, các nhà máy giấy thường có tuổi đời lớn hơn 50 năm, nhà
máy Giấy Hoàng Văn Thu Thái nguyên có tuổi đời là 120 năm. Khi các nhà máy
được sản xuất lúc đó giá năng lượng như điện, than dầu còn phong phú và rẻ, tuy
nhiên hiện nay giá năng lượng đã tăng lên rất nhiều. Việc sử dụng các công nghệ
mới hay thay mới cả một dây chuyền sản xuất giấy là điều khó khả thi vì dây
chuyền sản xuất giấy rất đắt, mỗi máy hiện tại có giá 10 triệu bảng Anh.
Ta biết rằng để tạo thành giấy, bột giấy phải được hòa trong nước, sau đó hút
nước ra để tạo hình tờ giấy bằng các liên kết sợi. Giấy sản phẩm phải đảm bảo độ
ẩm cần thiết cho phép, hay là quá trình phải giảm từ 100% xuống 0.8% độ ẩm. Quá
trình này có thể mô tả thông qua mức tiêu thụ năng lượng cho từng công đoạn tạo
form, press section và quá trình sấy khô, tương ứng với lượng nước được hút ra
khỏi giấy như hình vẽ sau:

Tổng năng
lượng tiêu thụ
Phần tạo form
Phần trải
Phần sấy khô
Lượng nước
được loại bỏ ra
khỏi giấy

Hình 1-2 Mô hình của hệ thống lô sấy một lớp (bên phải) và hai lớp (bên trái)
Trang 15


Nhìn vào hình vẽ trên ta thấy rằng, trong quá trình tạo form năng lượng tiêu thụ
khoảng 8% nhưng loại bỏ được cỡ 95% lượng nước ra khỏi giấy, quá trình press
cũng tiêu thụ khoảng 8% năng lượng và loại bỏ được cỡ 3% lượng nước, tuy nhiên
quá trình sấy khôi tiêu thụ năng lượng lớn nhất cỡ 80% nhưng chỉ loại bỏ được nhỏ
hơn 1% lượng nước ra khỏi giấy.
Ví dụ như giấy sau khi tạo hình tại hòm phun bột có tổng trọng lượng là 100gm
thì trong đó chứa: 0.9gm là sợi giấy và 99.1gm là nước. Trước khi đưa vào phần sấy
khô thì giấy có 0.9gm là sợi và chỉ còn 0.9gm là nước (qua hai khâu form và press
đã loại bỏ được 98.2gm), như vậy còn lại 1gm nước cần loại bỏ ở quá trình sấy khô.
Qua phân tích như vậy ta thấy rằng vấn đề giảm thiểu năng lượng cho sản xuất
giấy cần được tập trung cho phần sấy khô, vì phần này chiếm dụng nhiều năng
lượng nhất.

1.3 Vấn đề tiết kiệm năng lượng trong quá trình sản xuất giấy
Để tiết kiệm năng lượng trong quá trình sản xuất giấy, có 03 hướng tập trung
quan trọng như sau:
1.3.1

Vai trò của việc nâng cao độ ổn định của phần ướt (wet end)

Phần ướt là phần tính từ hòm phun bột, phần tạo hình và phần ép tờ giấy. Bước
đầu tiên của việc tiết kiệm năng lượng là có chiến lược điều khiển để nâng cao độ
ổn định của phần ướt. Mục tiêu của chiến lược điều khiển này là duy trì tính ổn định
các tham số của nước như độ nhớt, độ sạch (lẫn bẩn) và các thành phần khác để từ
đó có thể tối ưu hóa phần tháo nước và giảm nhu cầu tiêu thụ năng lượng.
Các chiến lược điều khiển ổn định phần ướt bao gồm: các công cụ điều khiển

dựa trên điều khiển mô hình đa biến cũng như bài toán tối ưu. Hiện nay một số
nước Châu Âu áp dụng sách lượng điều khiển APC (Advanced Process Control,
điều khiển quá trình nâng cao). Mục tiêu của APC là trong phần nâng cao độ ổn
định của phần ướt là:
• Kiểm soát ổn định hơn các thành phần của nước và do đó hộp phun bột có
nồng độ ổn định hơn
• Kiểm soát độ đục trong một phạm vi nhất định
• Giảm thiểu sự hình thành các vón cục, keo tụ lại trong hòm phun bột.
Trang 16


1.3.2 Nâng cao chất lượng điều khiển phần tháo nước (Control of
Drainage)
Phần tháo nước là phần quan trọng trong việc hình thành tờ giấy, phần này gồm
có hút chân không ở các lô hút, tháo nước ngưng ra khỏi hệ thống. Chất lượng điều
khiển phần tháo nước nâng cao sẽ
• Cân bằng công suất phần hút chân không và tiết kiệm hơi sấy, qua đó cực đại
hóa phần liên kết sợi trong tờ giấy, do đó khi giấy đi vào phần sấy khô sẽ tiết kiệm
được năng lượng (nếu cứ giảm 1% độ ẩm của giấy đi vào phần sấy khô sẽ tiết kiệm
được 4% năng lượng cho phần sấy khô phía sau).
• Phần điều khiển sấy khô phía sau sẽ tốt hơn
1.3.3 Nâng cao hiệu quả phần sấy khô
Như trên đã phần tích, năng lượng tiêu thụ trong phần sấy khô là rất lớn, chiểm
trên 80%. Do đó sẽ rất hiệu quả cho việc tiết kiệm năng lượng khi có những cải tiến
về sách lược điều khiển cho phần này.
Cách tiếp cận truyền thống cho bài toán điều chỉnh phần sấy không là sử dụng
các mạch vòng điều khiển PID nhằm:
• Điều khiển theo sai lệch giữa độ ẩm mong muốn và độ ẩm của tờ giấy đo
được theo hướng máy
• Tác động điều khiển được thực hiện lồng nhau theo kiểu cascade để điều

chỉnh áp suất hơi bão hòa của 3-7 lô sấy khô nhằm đạt được độ ẩm mong
muốn.
Hiện nay với việc sử dụng APC, điều khiển cho phần sấy khô có thể dựa trên
các mô hình được xây dựng riêng biệt theo sự ảnh hưởng của độ ẩm:
+ Mô hình áp suất hơi trong lô sấy
+ Sai lệch áp suất giữa những lô sấy
+ Tốc độ ngưng hơi nước của mỗi lô sấy
Việc xây dựng mô hình áp suất hơi của từng lô sấy và các đặc tính đa biến của
quá trình trong bài toán điều khiển cho phần sấy khô cho phép APC mang đến hiệu
quả về sử dụng năng lượng.

Trang 17


1.3.4 Tối ưu hóa tốc độ của máy
Một hướng khác có thể nhắm đến mục đích tiết kiệm năng lượng đó là tối ưu
hóa tốc độ của máy, tối ưu hóa tốc độ của máy cho phép nhận được sản lượng của
giấy nhiều hơn cho cùng một lượng năng lượng cấp cho phần sấy. Do vậy xét trên
tổng thể có thể tiết kiệm được năng lượng.

1.4 Cách giải quyết của đề tài
Từ những phân tích trên đây cho thấy rằng việc nâng cao độ ổn định độ ẩm của
giấy trong phần sấy khô cho phép nâng cao chất lượng của giấy, giảm thiểu sự dao
động phần độ ẩm cho phép tiết kiệm được năng lượng trong phần sấy khô. Chính vì
vậy đề tài đi vào phân tích mô hình của lô sấy mô tả quan hệ giữa độ mở van và áp
suất hơi, sử dụng mô hình khác để biểu diễn quá trình áp suất hơi. Thực thi phương
pháp điều khiển nhằm giảm bớt độ quá điều chỉnh đối với áp suất hơi, do vậy dẫn
tới độ ẩm sẽ được điều chỉnh một cách ổn định hơn. Tiếp theo đề tài sẽ trình bày về
áp dụng chiến lược điều khiển Midranging nhằm điều chỉnh lượng gió trong buồng
thông gió để nâng cao độ ổn định của giấy qua một loạt các lô sấy thông qua việc

thúc đẩy quá trình bay hơi.

1.5 Kết luận chương 1
Chương 1 đã trình bày tổng quan về quá trình sản xuất giấy, đưa ra và phân tích
vấn đề tiệu thụ năng lượng trong quá trình sản xuất giấy, trong đó phần chiếm nhiều
nhất về năng lượng đó chính là công đoạn sấy khô. Căn cứ vào đó đề tài đưa ra cách
giải quyết của đề tài với hướng tiết kiệm năng lượng thông qua việc điều chỉnh ổn
định độ ẩm của giấy sử dụng điều chỉnh áp suất hơi đưa qua van với mục đích
không tạo ra quá điều chỉnh khi bơm hơi bão hòa vào lô sấy, qua đó giảm thiểu sự
dao động về áp suất hơi trong lô sấy và sử dụng phương pháp Mid-ranging nhằm
can thiệp vào việc điều chỉnh lượng gió đưa vào buồng sấy.

Trang 18


Chương 2

ĐIỀU KHIỂN ÁP SUẤT HƠI

TRONG

QUÁ TRÌNH SẤY

2.1 Cấu hình của các lô sấy trong công đoạn sấy khô
Cách đơn giản nhất để bốc hơi nước ra khỏi màng giấy là sử dụng nhiệt ẩn
có trong hơi quá nhiệt. Sử dụng hơi quá nhiệt đưa tới các lô sấy là một phương pháp
hiệu quả để sấy khô giấy, năng lượng sử dụng ở phương pháp này được chứng minh
là có giá rẻ hơn ¼ so với các phương pháp khác, ngoài ra phương pháp này còn có
một ưu điểm như mức độ độc hại thấp, dễ dàng vận chuyển và khả năng mang nhiệt
cao. Vì phần lớn lượng nhiệt tạo ra được tồn tại dưới dạng nhiệt ẩn cho nên lượng

nhiệt lớn có thể truyền một cách hiệu quả tại một nhiệt độ bằng hằng số nào đó, đây
là một phương thức dùng phổ biến không những trong ngành giấy mà còn trong rất
nhiều ngành công nghiệp khác. Mặt khác, khi hơi quá nhiệt sau khi đã đi qua quá
trình công nghệ, lượng nhiệt còn lại vẫn có thể tận dụng được để chạy máy phát
điện tự dùng, sau đó quay trở lại gia nhiệt thêm và bắt đầu một chu trình sinh công
mới, điều này làm giảm chi phí tổng thể của quá trình sản xuất.
Giấy có độ ẩm cao được dẫn qua một loạt các lô sấy như Hình 2-1, có 2 loại
gồm hệ thống lô sấy một lớp và hệ thống lô sấy hai lớp [2].

Hình 2-1 Mô hình của hệ thống lô sấy một lớp (bên phải) và hai lớp (bên trái)
Khi hơi quá nhiệt đi vào các lô sấy, nó sẽ giải phóng năng lượng nhiệt qua các lỗ
trên bền mặt của lô sấy và ngưng tụ thành nước, nước ngưng được đưa quay trở lại
Trang 19


nồi hơi. Hơi quá nhiệt được dẫn tới các lô sấy ở phần sau của máy (được gọi là mặt
điều khiển), và nước ngưng được lấy ở phần mặt trước của máy (được gọi là mặt
vận hành). Đối với một số máy sản xuất giấy, đặc biệt là máy có công suất lớn,
nước ngưng được lấy ra từ hai mặt. Việc tháo nước ngưng có một vai trò quan trọng
quyết định đến việc truyền nhiệt của các lô sấy, qua đó cho thấy sự cần thiết phải
dẫn một số lượng hơi quá nhiệt nhất định đi qua các ống truyền cùng nhau với phần
nước ngưng.

2.2 Hệ thống hơi và nước ngưng
Mục đích của hệ thống hơi và nước ngưng là cung cấp một khối lượng hơi cụ
thể vào trong các lô sấy và lấy lại từ đó phần nước ngưng. Các lô sấy trong phần sấy
khô được chia thành các nhóm sấy khác nhau, thông thường có từ 5 đến 10 nhóm
sấy. Áp suất của hơi quá nhiệt được đưa vào các nhóm sấy khác nhau được điều
khiển theo một giản đồ dọc theo chiều dài của toàn bộ phần sấy, từ nhóm sấy đầu
tiên đến nhóm sấy cuối cùng.

Ống dẫn hơi quá nhiệt
Các ống dẫn hơi quá nhiệt
vào 6 lô sấy

Lô sấy 6

Lô sấy 5

Lô sấy 4

Lô sấy 3

Lô sấy 2

Lô sấy 1

Ống nước ngưng

Hình 2-2 Mô hình của hệ thống sấy và nước ngưng
Vì hơi bên trong các lô sấy có thể coi là bão hòa vì nó có sự ngưng tụ liên tục
tại vách của các lô sấy, đó là một mối liên quan trực tiếp giữa áp suất hơi và nhiệt
độ của hơi. Đối với hầu hết các lớp giấy, áp suất hơi sấy khô sẽ tăng dần dần theo
các lý do về khả năng và giới hạn vận hành.
Theo một cách đơn giản nhất, cách để đưa hơi quá nhiệt đến các nhóm sấy
khác nhau là có thể dẫn tất cả hơi quá nhiệt từ đầu phân phối hơi nước và tháo trực
tiếp xuống bộ ngưng tụ nước. Hình 2-3 mô tả một hệ thống điều khiển nước ngưng
Trang 20


đơn giản với 02 nhóm sấy. Việc xả hơi nước từ nhóm sấy A và hơi giãn nở (khi

nước ngưng tụ gặp áp suất thấp trong bình ngưng, bốc hơi và tạo ra hơi mới gọi là
hơi giãn nở) từ bể chứa A được dẫn tới nhóm sấy B, nhóm sấy B làm việc tại một
áp suất thấp hơn. Bộ điều khiển PC2 điều chỉnh độ mở van và qua đó thêm vào một
lượng hơi từ đầu phân phối hơi nước nhằm duy trì áp suất mong muốn của nhóm
sấy B.
Ống dẫn hơi quá nhiệt

Nhóm sấy B

Nhóm sấy A

Đưa tới hệ thống trữ
nước ngưng
Bể chứa B

Bể chứa A

Hình 2-3 Minh họa hệ thống điều khiển nước ngưng
Điều này có nghĩa là phải cực tiểu hóa sai lệch áp suất giữa nhóm sấy A và
nhóm sấy B. Sai lệch áp suất này phụ thuộc vào điểm vận hành và các đặc điểm của
máy. Sai lệch áp suất giữa hai nhóm sấy được điều chỉnh bởi bộ điều khiển PDC,
trong Hình 2-3, nhóm B có áp suất thấp nhất trong hệ thống và qua đó bể chứa B
phải xả hơi tới bộ ngưng tụ. Nhóm sấy có điểm vận hành cao hơn ấp suất khí quyển
và phải có bộ ngưng tụ để đảm bảo trong bể ngưng có áp suất thấp hơn..

2.3 Mạch vòng điều khiển độ ẩm
Để điều khiển chất lượng của giấy, người ta sử dụng hệ thống điều khiển chất
lượng (QCS – quality control system), QCS được chia thành 2 phần cho hai chiều
riêng biệt, phần dọc theo máy (MD – machine direction control) và phần ngang máy
(CD – Cross direction control). Kỹ thuật truyền thống là đo các tín hiệu của MD và

CD bằng cách quét trên giấy sử dụng một cảm biển. Cảm biến được gắn vào đế của
máy quét và di chuyển qua lại theo chiều ngang của tờ giấy, phụ thuộc vào tốc độ
Trang 21


của máy mà đường quét của cảm biến có hình zig – zag như Hình 2-4. Điều đó có
nghĩa là sự thay đổi của các đại lượng đo theo CD và MD được tổ hợp cùng nhau
trên đường này. Trong tài liệu [14] các tác giả sử dụng thuật toán bình phương cực
tiểu để ước lượng các địa lượng đo theo CD và sử dụng bộ lọc Kalman để xác định
các thành phần theo MD, tiếp theo các tác giả trong tài liệu [15] đã đề xuất quỹ đạo
cảm biến quét theo hình ellipe bằng cách thay đổi tốc độ quét của cảm biến hoặc sử
dụng 02 cảm biến chuyển động theo hai hướng ngược nhau để tăng chất lượng ước
lượng các đại lượng CD và MD.

Hình 2-4 Đường quét zig zag của cảm biến tạo thành trên tờ giấy
Như đã đề cập ở trên, mục tiêu của các phép đo các đại lượng MD và CD là
phục vụ cho bài toán điều khiển, bài toán điều khiển độ ẩm MD sẽ được thực hiện
bằng cách thay đổi áp suất của hơi trong phần sấy khô. Để đánh giá chất lượng của
giấy đối với các biến cần điều khiển người ta sử dụng các đại lượng thống kê như
chỉ tiêu 2σ hoặc độ lệch chuẩn. Tất cả các cuộn giấy khi sản xuất ra đều có bản báo
cáo về chỉ tiêu 2σ CD và 2σ MD đối với độ ẩm và khối lượng của giấy. Hình vẽ sau
minh họa độ thay đổi của độ ẩm và khối lượng của giấy trong thực tế, trong đó giá
trị đặt của độ ẩm là 4.3%, của khối lượng là 80g/m2, chỉ tiêu 2σ của độ ẩm là
0.056% và của khối lượng là 0.3g/m2 [2].

Trang 22


Độ ẩm (%)
Khối lượng (g/m2)

Thời gian (s)

Hình 2-5 Sự thay đổi độ ẩm và khối lượng của giấy
Những giá trị trên là những giá trị trung bình của toàn bộ cuộn giấy khi sản
xuất ra. Khi điều khiển, để đảm bảo chất lượng của giấy người ta dùng các chỉ tiêu
này. Giá trị đặt của độ ẩm và khối lượng thường không thay đổi và được duy trì
bằng hằng số trong một khoảng thời gian dài. Cấu trúc của mạch vòng điều khiển áp
suất như Hình 2-6, trong đó máy quét sẽ quét lần lượt độ ẩm của giấy của từng
nhóm sấy, tín hiệu này gửi tới bộ điều khiển áp suất của hơi nóng đưa vào nhóm sấy
tương ứng. Giá trị đặt tương ứng cua áp suất hơi được tính toán và thực hiện mạch
vòng điều khiển, các giá trị đặt này sẽ khác nhau đối với từng nhóm sấy [2].

Nhóm
sấy 1

Nhóm
sấy 2

Nhóm
sấy 3

Nhóm
sấy 4

Nhóm
sấy 5

Nhóm
sấy 6

Máy
quét

Hướng máy

Hình 2-6 Cấu trúc của vòng điều khiển độ ẩm sử dụng 01 máy quét và có 06 nhóm
sấy

Trang 23


Giá trị đặt của áp suất hơi
Nhóm
sấy 1

Nhóm
sấy 2

Nhóm
sấy 3

Nhóm
sấy 4

Nhóm
sấy 5

Nhóm
sấy 6

Hình 2-7 Giá trị đặt của áp suất hơi đưa vào từng nhóm sấy
Các giá trị đặt này được tính toán một cách tối ưu, ∆P là lượng khác nhau
giữa áp suất mong muốn giữa các nhóm sấy, lượng này phụ thuộc vào tốc độ máy
seo, kiểu ống truyền nước, kích thước ống ngưng tụ và ống dẫn hơi, thông thường
∆P = 50kPa.
Vì hệ thống sấy được chia thành các nhóm khác nhau, do vậy hệ thống là
MISO, nhiều đầu vào (áp suất hơi đưa vào từng nhóm sấy) và một đầu ra là độ ẩm
của giấy. Nói cách khác hệ thống sấy có nhiều bậc tự do. Theo cách truyền thống, tất
cả các bộ điều khiển áp suất hơi của từng nhóm sấy sẽ được điều khiển bám theo
một tín hiệu giống nhau. Bộ điều khiển áp suất sẽ tính toán áp suất đặt cho một
nhóm nào đó, được gọi là nhóm dẫn chính, các nhóm còn lại áp suất đặt sẽ được tính
toán theo một công thức tỷ lệ với áp suất đặt của nhóm dẫn chính. Như ở Hình 2-6
và Hình 2-7, nhóm sấy 5 là nhóm dẫn chính, nó có áp suất cao nhất, nhóm này nhận
giá trị áp suất đặt từ bộ điều khiển áp suất, giá trị đặt của các nhóm còn lại được tính
toán từ giá trị đặt của nhóm sấy 5 như Hình 2-8.

Trang 24


Hình 2-8 Nguyên lý xác định giá trị đặt của áp suất hơi đưa vào từng nhóm sấy
trong đó các hàm tính toán f() được xác định như sau:
fn = kr r + mn , 0 < kn ≤ 1, mn = 0 hoặc kn = 1, mn ≤ 0

(2.1)

với r là giá trị đặt của nhóm sấy 5, n là số thứ tự của nhóm sấy.
Hệ thống điều khiển độ ẩm gồm 02 mạch vòng cascade. Mạch vòng trong là
mạch vòng điều khiển áp suất hơi sấy cho các nhóm sấy, được thực hiện chủ yếu
bằng luật điều khiển PI hoặc PID, mạch vòng ngoài là mạch vòng xác định áp suất

hơi sấy đặt từ độ ẩm mong muốn, sơ đồ khối hệ thống điều khiển độ ẩm như Hình
2-9.
Độ ẩm đặt

(-)

Bộ điều
khiển độ ẩm

Áp suất
hơi thực

Áp suất
hơi đặt

(-)

Bộ điều
khiển PI

Hệ thống
hơi

Nhóm lô
sấy

Độ ẩm
thực

Hình 2-9 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển độ ẩm

Các yếu tố nhiễu loạn tác động lên quá trình điều khiển ổn định độ ẩm của quá
trình sấy có thể kể đến như sau:
•

Tốc độ của máy: khi máy seo chạy càng nhanh, tốc độ bay hơi càng nhanh, do
đó độ ẩm thay đổi nhanh

•

Độ dầy của giấy (trọng lượng giấy): giấy có độ dày lớn, quá trình bốc hơi nước
càng chậm

•

Độ ẩm của giấy sau phần tạo giấy trước khi đưa vào quá trình sấy

Trang 25