中浓纸浆输送系统储浆罐及其控制系统的设计与开发

摘要

本文在国家科技支撑计划项目“典型工业流程泵输送系统关键技术及运行节能策略”(编号:2011BAF14B02)和江苏省工业科技支撑计划项目“离心式中浓纸浆输送系统关键技术研究及产品开发”(编号:BE2010171)的资助下开展工作。
　　 中浓纸浆输送系统是造纸工业中的重要组成部分,由浆泵及辅助排气单元和储浆罐及其控制系统构成。储浆罐及控制系统作为中浓纸浆输送系统中的关键设备,为纸浆泵提供一定的运行液位,实现自动安全运转。储浆罐内纸浆以悬浮液的形式存在,是一种由固态纤维、液态水和空气三相共存的混合流体,在储浆罐内呈现塞流流动,运动过程极为复杂。本文对储浆罐的结构进行设计,采用数值计算方法分析储浆罐内纸浆悬浮液的塞流流动,验证储浆罐结构设计的准确性,通过自振特性分析,为储浆罐结构的设计提供依据。同时设计储浆罐的自动控制系统,对其中的液位控制进行实验验证。
　　 本文的主要工作和研究成果有:
　　 1.储浆罐结构的设计
　　 (1)从中浓纸浆的多相流变学特性入手,对储浆罐进行初步结构设计,设计的结构尺寸主要包括内径、罐体高度和壁厚。通过纸浆悬浮液平均流速的初算,结合沿程阻力损失的校核,确定内径的计算方法;采用气—液两相流动量方程和能量方程的联立求解计算最大储液高度;依据石油化工立式圆筒形钢制储罐设计规范计算储浆罐壁厚。该设计方法为中浓纸浆输送系统储浆罐结构的设计提供了理论依据;
　　 (2)根据中浓纸浆的多孔介质模型,对储浆罐内中浓纸浆达到稳定塞流状态时的流动进行分析。采用FLUENT软件,基于多孔介质的Blake-Kozeny数学模型对纸浆塞流流动进行了数值模拟,研究了液态水和空气在储浆罐内部的流速分布以及它们与塞流流动的滑移速度之间的关系,为中浓纸浆输送系统储浆罐结构的设计提供了理论依据;
　　 (3)利用ANSYS软件建立有限元简化模型,采用缩减法对储罐的自振特性进行分析。结果表明,储罐模态振型呈环向多波形式,罐内中浓纸浆悬浮液的晃动幅度呈中心弱,四周强的趋势。通过不同储液高度的对比,说明液体对系统自振特性的影响较大。分别采用有限元计算方法和现行标准中理论公式的计算方法对系统固有频率进行求解,发现两种方法计算的结果基本一致,为该储罐动力分析的进一步研究提供了可靠数据。
　　 2.储浆罐自动控制系统的设计
　　 储浆罐自动控制系统主要包括:液位自动控制系统、浓度自动控制系统、温度监测系统和压力监测系统。本文采用可编程控制器PLC对储浆罐内纸浆悬浮液的液位和浓度进行调节控制,同时监测其运行温度和压力的变化。并且对其中的液位自动控制系统做模拟实验,验证储浆罐自动控制系统设计的准确性。