一种干法制革热泵供汽加热系统及其控制方法
【专利摘要】本发明属于皮革制造技术领域，具体涉及一种干法制革热泵供汽加热系统及其控制方法，本发明系统包括新鲜蒸汽管路、冷空气管路、若干段加热装置和设置在各段内的控制回路；本系统能够将烘箱内的热风温度控制在工艺要求的范围内，适应不同合成革工艺的生产要求；并且系统的控制回路运行稳定，能够有效减少新鲜蒸汽的用量，实现节能降耗；同时，本发明采用蒸汽代替导热油加热冷空气，产生热风对合成革进行干燥，解决了导热油加热的安全性问题；本发明的控制方法能够克服主要的扰动，从而使热风温度稳定在设定值，将热风温度控制在工艺要求的范围内。
【专利说明】
-种干法制革热累供汽加热系统及其控制方法
技术领域
[0001] 本发明属于皮革制造技术领域，具体设及一种干法制革热累供汽加热系统及其控 制方法。
【背景技术】
[0002] 目前PU合成革的应用领域设及到人们生活的方方面面，有着广阔的市场需求。而 合成革按产品加工方法的不同主要分成湿法(凝固涂层)和干法(转移涂层)两种不同的生 产工艺。湿法工艺主要用在基布的制造 W及少数特定种类合成革的生产上。而干法工艺适 用于大多数种类的合成革制造，应用更为广泛。干法生产工艺的基本流程是:离型纸经过放 卷、涂面层、烘干、涂面层、烘干、涂底胶、预烘、与基布黏合、烘干、熟成、剥离等工序而得到 成品。干燥的目的是将聚氨醋树脂浆料的溶剂挥发而成膜，在经过几段涂头后，经过干燥溶 剂挥发后聚氨醋与基布黏合在一起。在干燥过程中，溫区的划分很重要。烘箱中的溫度应是 由低溫到高溫分布，在浆料涂布后，进入烘箱时，先低溫使溶剂缓慢升溫，在逐渐升溫使残 余的溶剂也得W挥发。各涂头溫度梯度变化大约为90°C到140°C。运个溫度变化范围也随着 合成革种类的变化而变化(更高或更低）。在传统干法工艺中，干燥所用的热源为导热油加 热冷空气形成的热风，热风通过热风循环系统对涂层进行吹风干燥。使用导热油加热的热 风溫度能够满足干燥要求，但由于导热油属于易燃易爆物，安全性差;加热冷空气时所需的 换热器面积大，设备成本高;换热后的导热油热量回用率小，能耗大。因此，在节能降耗和安 全性问题上，用导热油加热冷空气进行干燥效果不是特别好。
【发明内容】
[0003] 针对现有技术存在的缺陷和不足，本发明的目的在于提供一种干法制革热累供汽 加热系统及其控制方法。
[0004] 为实现上述目的，本发明采用W下技术方案：
[0005] -种干法制革热累供汽加热系统，包括新鲜蒸汽管路、冷空气管路、若干段加热装 置和设置在各段内的控制回路;所述加热装置包括换热器和闪蒸罐，换热器与新鲜蒸汽管 路和冷空气管路相连接，所述换热器通过止回阀与新鲜蒸汽管路连接;换热器的冷凝水出 口与闪蒸罐的冷凝水入口相连接，闪蒸罐的二次蒸汽出口通过热累与换热器的二次蒸汽入 口连接，所述热累与新鲜蒸汽管路连接；
[0006] 所述控制回路包括烘箱进口溫度控制回路和换热器压力控制回路，烘箱进口溫度 控制回路包括溫度控制器TC和用于测量烘箱进口热风溫度的溫度变送器TT;换热器压力控 制回路包括用于测量换热器内压力的压力变送器PiT和换热器压力控制器PiC,所述溫度控 制器TC与溫度变送器TT和压力控制器PiC连接，压力控制器PiC与压力变送器PiT相连接，所 述压力控制器PiC与止回阀连接。
[0007] 进一步的，还包括冷凝水罐，各段内闪蒸罐冷凝水出口通过设置有自动调节阀的 管路与冷凝水罐相连接。
[0008] 进一步的，所述控制回路还包括液位控制器LC和用于检测闪蒸罐液位的液位传感 器LT，所述液位传感器LT与液位控制器LC连接，液位控制器LC与自动调节阀连接。
[0009] 进一步的，所述冷凝水罐连接有表面冷凝器。
[0010] 进一步的，所述控制回路还包括闪蒸罐压力控制器PiC、用于检测闪蒸罐出口压力 的压力传感器P2T，压力传感器P2T与闪蒸罐压力控制器P2C连接，闪蒸罐压力控制器P2C与热 累控制连接。
[0011] 进一步的，所述换热器与闪蒸罐之间的管路上还设置有疏水阀。
[0012] -种干法制革热累供汽加热系统的控制方法，采用串级控制，烘箱进口溫度控制 回路和换热器压力控制回路分别为外环和内环，即串级控制系统的主回路和副回路;其中 外环溫度控制器的输出作为内环控制器的给定值，后者的输出控制阀口来改变操纵变量， 输出对于输入的传递函数为：
[0013]
[0014] 其中:Wcl(S)、Wc2(S)为外环和内环控制器，W〇l(S)、W〇2(S)分别为主回路和副回路控 制通道传递函数，Wml(S)、Wm2(S)为反馈通道传递函数。
[0015] 讲一巧的，所沐外巧伸巧带死区分阶PTD，邮Wri (S)洗巧带死区分阶PID控制：
[0016]
[0017]
[001 引
[0019]
[0020]
[0021] 式中，e化)为位置跟踪偏差，e化）=；Kk)-y化），；Kk)为计算机给定量，y化)反馈； eo为可调参数。
[0022] 进一步的，所述内环使用PI控制器，即Wc2(s)的传递函数为：
[0023]
[0024] 与现有技术相比，本发明的加热系统具有W下有益的技术效果:通过设置各段内 闪蒸罐将换热器产生的冷凝水进行闪蒸，然后利用热累将二次蒸汽引射回用，重新用于本 段换热器中对冷空气加热，实现能量的循环利用，从而提高热能回用率，有效实现节能降 耗。并且通过在各段内设置控制回路，利用溫度控制器和换热器压力控制器共同作用，调节 止回阀开度来调节新鲜蒸汽进入换热器的量，从而消除引起溫度变化的各种干扰，将烘箱 内的热风溫度控制在工艺要求的范围内，从而根据工况自动调节热风溫度，W适应不同合 成革工艺的生产要求;并且系统的控制回路运行稳定，能够有效减少新鲜蒸汽的用量，实现 节能降耗。同时，本采用蒸汽代替导热油加热冷空气，产生热风对合成革进行干燥，解决了 导热油加热的安全性问题。
[0025] 进一步的，通过设置冷凝水罐，将各段内闪蒸罐排水的冷凝水有效回收后送入后 续工段再次利用。
[0026] 进一步的，通过设置液位传感器LT与液位控制器LC，能够实时监测闪蒸罐液位，利 用液位控制器控制自动调节阀开度来实现闪蒸罐液位的控制。
[0027] 进一步的，通过设置压力传感器P2T与闪蒸罐压力控制器PiC,通过闪蒸罐压力控制 器PiC改变热累开度来控制闪蒸罐的压力。
[0028] 进一步的，通过设置疏水阀，能够及时排出凝结水，防止蒸汽泄露。
[0029] 本发明提供的控制方法，将烘箱进口溫度控制回路和换热器内压力控制回路分别 作为外环和内环即串级控制系统的主回路和副回路，其中外环溫度控制器的输出作为内环 控制器的给定值，后者的输出控制阀口来改变操纵变量即蒸汽的量，能够克服主要的扰动， 从而使热风溫度稳定在设定值，将热风溫度控制在工艺要求的范围内。
【附图说明】
[0030] 图1为本发明系统控制部分示意图。
[0031 ]图2为本发明串级控制系统框图。
[0032] 图3为本发明工艺流程图。
[0033] 图4为本发明系统装置部分结构示意图。
[0034] 其中：1为1#翅片管换热器；2为2#翅片管换热器;3为3#翅片管换热器;4为1#闪蒸 罐；5为2#闪蒸罐;6为3#闪蒸罐;7为疏水阀；8为自动调节阀；9为冷凝水罐；10为表面冷凝 器;11为止回阀；12为热累；13为离型纸；14为基布；15为涂头；16为贴合漉；17为溫度控制器 TC; 18为溫度变送器TT; 19为压力变送器PiT; 20为换热器压力控制器PiC;21为液位控制器 LC; 22为液位传感器LT; 23为压力传感器PsT; 24为闪蒸罐压力控制器P2C。
【具体实施方式】
[0035] 下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细描述。
[0036] 参见图1，本发明提供的干法制革热累供汽加热系统，包括新鲜蒸汽管路、冷空气 管路、若干段加热装置和设置在各段内的控制回路;所述加热装置包括换热器和闪蒸罐，换 热器与新鲜蒸汽管路和冷空气管路相连接，所述换热器通过止回阀11与新鲜蒸汽管路连 接;换热器的冷凝水出口与闪蒸罐的冷凝水入口相连接，闪蒸罐的二次蒸汽出口通过热累 12与换热器的二次蒸汽入口连接，所述热累12与新鲜蒸汽管路连接。各段内闪蒸罐冷凝水 出口通过设置有自动调节阀8的管路与冷凝水罐9相连接。所述冷凝水罐9连接有表面冷凝 器10。所述换热器与闪蒸罐之间的管路上还设置有疏水阀7。
[0037] 所述控制回路包括烘箱进口溫度控制回路和换热器压力控制回路，烘箱进口溫度 控制回路包括溫度控制器17和用于测量烘箱进口热风溫度的溫度变送器18;换热器压力控 制回路包括用于测量换热器内压力的压力变送器19和换热器压力控制器20,所述溫度控制 器17与溫度变送器18和压力控制器20连接，压力控制器20与压力变送器19相连接，所述压 力控制器19与止回阀11控制连接。
[0038] 所述控制回路还包括液位控制器21和用于检测闪蒸罐液位的液位传感器22,所述 液位传感器22与液位控制器21连接，液位控制器21与自动调节阀8控制连接。控制回路还包 括闪蒸罐压力控制器24、用于检测闪蒸罐出口压力的压力传感器23,压力传感器23与闪蒸 罐压力控制器24连接，闪蒸罐压力控制器24与热累12控制连接。
[0039] 工作原理:翅片管换热器内蒸汽走管程，冷空气走壳程。该热累供汽加热系统的工 作原理是蒸汽通入各段翅片管换热器将冷空气加热成热风，热风通过风机、风道送入各段 烘箱给涂层或者合成革吹风干燥，蒸汽遇冷成凝结水，通过闪蒸罐降压闪蒸形成二次蒸汽， 经由热累引射增压后通入本段换热器进行回用。冷凝水通过管道送入冷凝水罐，管道上安 装自动调节阀，实现阀口开度的自动控制。冷凝水罐中的水送入表面冷凝器降溫后通过冷 凝水累送到后整饰阶段利用，通过降溫也可W对冷凝水罐起到降压的作用。冷却水通过表 面冷凝器加热后也将送给后整饰阶段利用。
[0040] 冷空气在翅片管换热器中由蒸汽加热成热风，热风送入到烘箱对涂层或者合成革 进行干燥，蒸汽遇冷成冷凝水流入闪蒸罐进行闪蒸回用。所述溫度变送器TT将测量的烘箱 进口热风溫度送入溫度控制器TC,压力变送器PiT将测量的换热器内压力送入压力控制器 PiC,两个控制器共同作用，通过调节阀开度来调节新鲜蒸汽进入换热器的量，将热风溫度 控制在工艺要求的范围内。所述液位传感器LT将测量闪蒸罐的液位送入液位控制器LC，通 过调节阀的开度来实现闪蒸罐液位的控制。压力传感器P2T将闪蒸罐出口的压力送入压力 控制器P2C，通过改变热累开度来控制闪蒸罐的压力。
[0041] 参见图2,本发明提供的干法制革热累供汽加热系统的控制方法，采用串级控制， 烘箱进口溫度控制回路和换热器压力控制回路分别为外环和内环，即串级控制系统的主回 路和副回路;其中外环溫度控制器的输出作为内环控制器的给定值，后者的输出控制阀口 来改变摔纵巧音.输出对干输人的倍说巧擲九，
[0042]
[0043] 其中Wcl(S)、Wc2(S)刃外坤和内坤巧制器，Wol(S)、W〇2(S)分别刃主凹路和副凹路控 制通道传递函数，Fi(s)、F2(s)为过程扰动通道传递函数。其中扰动Fi(S)表示待加热的冷空 气的流量、初溫等的变化。扰动F2(S)表示蒸汽流量、压力、品质等变化。Wml(S)、Wm2(S)为反馈 通道传递函数。
[0044] 所述外环使用带死区分阶PID，即Wci(S)选用带死区分阶PID控制：
[004引 其中；
[0045；
[0046；
[0047；
[0049]
[0050] 式中，e化)为位置跟踪偏差，e化）=Hk)-y化），Hk)为计算机给定量，y化)反馈； eo为可调参数。
[0051] 所述内环使用PI控制器，即Wc2(s)的传递函数为：
[0化2]
[0053] 在该系统中，影响烘箱进口溫度的扰动分为一次扰动Fi(S)和二次扰动F2(s)。将二 次扰动置于副回路中，由于串级控制系统副回路的存在，能迅速克服进入副回路的二次扰 动，从而大大减少了二次扰动的影响。理论证实串级控制系统克服二次扰动的能力是单回 路控制系统的10~100倍，克服一次扰动的能力也比单回路控制系统强。在运里主控制器选 择带死区的分阶PID控制器，副控制器选择PI控制器。串级控制系统的使用，有利于快速应 对各种干扰，极大地提升了控制效果，从而保证了热风进入烘箱的溫度，能更好的满足生产 工艺需求，提高产品质量。
[0054] 控制原理:为了使控制系统能够根据工况需求自动调节热风的溫度，考虑到在此 系统中影响溫度的主要干扰有:冷空气的流量、溫度变化W及加热蒸汽的压力、溫度、品味 变化等。热风溫度采用串级控制系统。其中烘箱进口溫度控制回路和换热器内压力控制回 路分别作为外环和内环即串级控制系统的主回路和副回路。其中外环溫度控制器的输出作 为内环控制器的给定值，后者的输出控制阀口来改变操纵变量即蒸汽的量，运样主要的扰 动都将克服，从而使热风溫度稳定在设定值。外环使用带死区分阶PID，式中，e化)为位置跟 踪偏差，e化）=；Kk)-y化），；Kk)为计算机给定量，y化)反馈;e日是一个可调参数，具体数据 可根据实际控制对象的工艺要求或实际经验确定。在运里选择eo为：TC,即当外环检测到的 溫度和设定值在：TC范围内时，偏差为零输出不变。运样，在合成革干燥溫度工艺要求不是 特别严格的情况下，可W减少系统波动，减少阀口动作频率，使整个系统更加稳定，也保护 了设备。此外外环还设置PID控制的超调范围，当设定值(SV)和检测值(PV)的差值小于超调 范围并且大于eo时，按上述的PID算法计算输出值(OP)，当超过超调范围时，OP值直接等于 超调输出值。运样确保了在出现大偏差时系统能迅速反应。内环压力控制使用普通的PI控 审IJ。运种外环使用带死区的分阶PID控制的串级控制系统，可W更好地实现系统稳定运行， 满足合成革干燥要求。
[0055] 为了使控制系统能够根据工况需求自动调节闪蒸罐的液位，设计了液位PID控制， 实现闪蒸罐液位的准确控制。而闪蒸罐压力控制也采取PID控制，在保证闪蒸罐安全的前提 下闪蒸罐的压力尽量小一点，运样被引射的二次蒸汽增加，二次蒸汽被充分利用。由于直接 进入换热器的新鲜蒸汽和经热累引射的二次蒸汽存在协同关系，二次蒸汽用的越多就可W 节省更多的新鲜蒸汽，此外，在设置相应设定值时，需将二者的协同关系考虑进去，协调控 制互相补充。从而使系统在满足工艺要求的同时进一步实现节能降耗的目标。
[0056] 参见图3,热空气经风机、风道分别送入烘箱，在每个涂头后面通常为2~3个烘箱。 热风吹向带有涂层的离型纸或基布上，使其上的聚氨醋树脂浆料的溶剂挥发而成膜。烘箱 中的溫度应是由低溫到高溫分布，由于每段本身也有很小的溫差，所W在热风通往烘箱的 时候都是由后往前通。一般情况下，每段烘箱的溫度随着涂头的增多而升高，而且随着合成 革品种的不同每段间的溫差也会不同。所W不同阶段应供给不同品味的蒸汽，来满足不同 工艺要求的溫度。
[0057] 实施例
[0058] 参见图4,加热装置包括新鲜蒸汽管路、冷空气管路，W及用于分别为第一、二、= 涂头后烘箱供热的第一段、第二段和第=段;所述第一段、第二段和第=段均包括换热器和 闪蒸罐，各段内的换热器均与新鲜蒸汽管路和冷空气管路相连接;各段内的换热器的冷凝 水出口与闪蒸罐的冷凝水入口相连接，闪蒸罐的二次蒸汽出口通过热累与本段内换热器的 二次蒸汽入口连接。各段内热累12均与新鲜蒸汽管路相连接。所述换热器与闪蒸罐之间的 管路上还设置有疏水阀7。所述各段内闪蒸罐均与冷凝水罐9相连接，所述各闪蒸罐与冷凝 水罐9之间的管路上设置有自动调节阀8。各段内换热器与新鲜蒸汽管路相连接的管路上均 设置有止回阀11。所述冷凝水罐9连接有表面冷凝器10。所述冷凝水罐9通过设置有冷凝水 累的管路与后整饰工段连接。换热器采用翅片管换热器。
[0059] 在第一段，从1#翅片管换热器1冷凝的冷凝水进入1#闪蒸罐4进行闪蒸，闪蒸后的 二次蒸汽经热累12由一部分新鲜蒸汽引射增压后回用给本段1#翅片管换热器1使用，另外， 在溫度达不到干燥要求时需要给1#翅片管换热器1中通入新鲜蒸汽进行补充加热；1#翅片 管换热器1将冷空气加热成热风，热风通入到第一涂头15的第一烘箱(溫度较低段)对涂层 进行干燥，1#闪蒸罐4中的冷凝水流入冷凝水管，最后进入冷凝水罐9;同样第二段的二次蒸 汽通入第二段2#翅片管换热器2将冷空气加热成热风，当二次蒸汽溫度达不到加热要求时， 由新鲜蒸汽进行补汽，热风通入到第二涂头的第二烘箱（中溫段)对涂层进行干燥，使溶剂 挥发。从2#翅片管换热器2冷凝的冷凝水进入2#闪蒸罐5进行闪蒸，闪蒸后的二次蒸汽经热 累由一部分新鲜蒸汽引射增压后回用给2#翅片管换热器2使用，2#闪蒸罐5中余下的冷凝水 流入冷凝水管，最后进入冷凝水罐9;第=段的二次蒸汽通入本段3#翅片管换热器3将冷空 气加热成热风，当二次蒸汽溫度达不到加热要求时，由新鲜蒸汽进行补汽，热风通入到第= 涂头的第=烘箱(溫度较高段)对涂层进行干燥，从3#翅片管换热器3冷凝的冷凝水进入3# 闪蒸罐6进行闪蒸，闪蒸后的二次蒸汽经热累12由一部分新鲜蒸汽引射增压后回用给3#换 热器3使用，3#闪蒸罐6中余下的冷凝水直接流入冷凝水罐9;而冷凝水罐9中的冷凝水最后 由冷凝水累累送到后整饰工段进行回用。同时冷凝水罐9的冷凝水累送到表面冷凝器10,冷 却水通过表面冷凝器10加热后也将热水送给后整饰阶段利用。也可W对冷凝水罐起到降压 的作用。
[0060] 传统干燥所用的干燥方式为烘箱吹热风干燥，所用的热源为导热油加热冷空气形 成的热风，热风通过热风循环系统对烘箱内涂层或合成革进行吹风干燥。本发明提供的系 统和控制方法，实现了能量的回用，使得合成革在得到干燥的同时减少新鲜蒸汽的用量，实 现了节能降耗的目的;且解决了导热油加热的安全性问题。并且利用本发明的控制方法，该 系统运行稳定并且可根据工况自动调节热风溫度，W适应不同合成革工艺的生产要求。
【主权项】
1. 一种干法制革热累供汽加热系统，其特征在于，包括新鲜蒸汽管路、冷空气管路、若 干段加热装置和设置在各段内的控制回路;所述加热装置包括换热器和闪蒸罐，换热器与 新鲜蒸汽管路和冷空气管路相连接，所述换热器通过止回阀与新鲜蒸汽管路连接;换热器 的冷凝水出口与闪蒸罐的冷凝水入口相连接，闪蒸罐的二次蒸汽出口通过热累与换热器的 二次蒸汽入口连接，所述热累与新鲜蒸汽管路连接； 所述控制回路包括烘箱进口溫度控制回路和换热器压力控制回路，烘箱进口溫度控制 回路包括溫度控制器TC和用于测量烘箱进口热风溫度的溫度变送器TT;换热器压力控制回 路包括用于测量换热器内压力的压力变送器PiT和换热器压力控制器PiC,所述溫度控制器 TC与溫度变送器TT和压力控制器PiC连接，压力控制器PiC与压力变送器PiT相连接，所述压 力控制器PiC与止回阀连接。2. 根据权利要求1所述的一种干法制革热累供汽加热系统，其特征在于，还包括冷凝水 罐，各段内闪蒸罐冷凝水出口通过设置有自动调节阀的管路与冷凝水罐相连接。3. 根据权利要求2所述的一种干法制革热累供汽加热系统，其特征在于，所述控制回路 还包括液位控制器LC和用于检测闪蒸罐液位的液位传感器LT，所述液位传感器LT与液位控 制器LC连接，液位控制器LC与自动调节阀连接。4. 根据权利要求2所述的一种干法制革热累供汽加热系统，其特征在于，所述冷凝水罐 连接有表面冷凝器。5. 根据权利要求1所述的一种干法制革热累供汽加热系统，其特征在于，所述控制回路 还包括闪蒸罐压力控制器PiC、用于检测闪蒸罐出口压力的压力传感器P2T，压力传感器P2T 与闪蒸罐压力控制器P2C连接，闪蒸罐压力控制器P2C与热累控制连接。6. 根据权利要求1所述的一种干法制革热累供汽加热系统，其特征在于，所述换热器与 闪蒸罐之间的管路上还设置有疏水阀。7. 根据权利要求1-6任一项所述干法制革热累供汽加热系统的控制方法，其特征在于， 采用串级控制，烘箱进口溫度控制回路和换热器压力控制回路分别为外环和内环，即串级 控制系统的主回路和副回路;其中外环溫度控制器的输出作为内环控制器的给定值，后者其中:Wcl(S)、Wc2(S)为外环和内环控制器，Wol(S)、W〇2(S)分别为主回路和副回路控制通 道传递函数，Wml(S)、Wm2(S)为反馈通道传递函数。8. 根据权利要求7所述的干法制革热累供汽加热系统的控制方法，其特征在于，所述外 环使用带死区分阶PID，即Wci(S)选用带死区分阶PID控制： 相应的其中：式中，e化)为位置跟踪偏差，e化）=Hk)-y化），Hk)为计算机给定量，y化)反馈;eo为可 调参数。9.根据权利要求7所述的干法制革热累供汽加热系统的控制方法，其特征在于，所述内 环使用PI控制器，即Wc2(S)的传递函数为：
【文档编号】D06N3/00GK105908517SQ201610326661
【公开日】2016年8月31日
【申请日】2016年5月17日
【发明人】汤伟, 高祥, 张怡真, 冯见艳, 马兴元
【申请人】陕西科技大学