面向节能降耗和纤维形态分布的制浆过程运行优化控制

The pulp and paper industry of China has been in the world leading position for the past few years. Paper making mainly consists of two parts, namely pulping and paper machines. To solve the energy minimization for paper making, it is imperative to firstly solve the fiber state distribution control and energy minimization for pulping processes, of which the energy saving and the fiber state distribution (for example the probability density function of fiber length) control has been identified as the key part towards the improved product quality and minimized energy consumption for the whole paper making production. In this proposed research, we will investigate the operational control of chemical and thermo-mechanical pulping (CTMP) plant for both single and multiple refiners pulping processes, where the hybrid and dynamic stochastic distribution models will be established for the first time between key control inputs (disc gaps, wood chip feeding rate, speed and dilution water, etc) and the refiner's output (fiber state distribution, Canada Standard Freeness and specific energy). This is then followed by the investigation on performance indexes decomposition, the realization of the feedback control for the fiber state distribution, the global multi-objective operational optimization control and multi-layer closed loop performance analysis for multiple refiners constituted pulping plant. Both simulation and real-plant implementation will be carried out. It is expected that a series of theoretical control methodologies will be established for CTMP plant for their optimized energy operation and improved pulping quality.

我国造纸产量世界第一。造纸由制浆过程和造纸机两大环节组成。制浆过程的节能降耗与反映制浆质量的纤维形态分布对整个造纸过程的产品质量与节能降耗至关重要。因此，面向节能降耗的造纸过程运行优化控制首先要解决制浆过程纤维形态分布控制与节能降耗问题。本项目针对化学机械制浆中存在的高能耗与运行控制问题，特别是纤维形态分布难以建模和实现运行优化的科学问题，首次建立单级盘磨机主要控制变量（磨盘间隙、转速、稀释水量和给料量等）与纤维形态分布、纤维网滤水性（游离度）和能耗之间的基于数据与机理相结合的混合动态随机分布模型；研究单级盘磨机面向节能降耗、纤维形态分布和纤维网滤水性优化的运行控制方法，实现纤维形态分布的闭环反馈控制。通过对化学机械制浆总体运行指标针对各级盘磨机的指标优化分解，建立多级磨浆过程面向节能降耗和纤维形态分布控制的运行优化控制方法，并结合典型化学机械制浆过程，展开仿真和工业应用验证研究。

制浆过程作为制浆造纸工业中最为重要的环节之一，其任务就是为造纸工序提供满足相应物理特性和纤维长度分布的合格纤维。制浆过程输出纤维形态分布以及节能降耗对整个造纸过程的产品质量与节能降耗至关重要。因此，面向节能降耗的造纸过程运行优化控制首先要解决制浆过程纤维形态分布控制问题。.本项目针对制浆过程的非线性随机分布动态特性以及现有控制方法存在的诸多问题，以当前广泛应用的化学机械热磨制浆过程为研究对象，开展面向节能降耗和纤维形态分布的制浆过程运行优化控制研究。本项目完成的主要工作如下：建立了数据与机理相结合的制浆过程纤维形态分布二维时空优化模型，以及游离度与能耗的一维动态模型；研制了制浆过程的多层次协调优化技术、面向纤维形态分布的制浆过程运行优化控制技术、基于非线性优化的制浆过程多指标决策与回路设定控制技术；提出了多层次运行优化控制系统闭环性能分析的理论方法；研制了用于随机分布运行优化控制算法研究的纯实物实验系统；结合典型制浆过程，开展工业试验与应用研究。制浆过程运行优化控制技术与系统已于2017年成功应用于某公司25万吨化机浆生产线的制浆过程，实现了制浆过程游离度、比能耗以及纤维形态分布的在线估计和稳定控制，使得纸浆合格率提高~1.2%、能耗降低~1%，为该企业整条化机浆生产线的优质、高效和低耗生产提供重要技术支撑。.项目研究共出版学术专著3部，发表和录用SCI论文40余篇(包括IEEE T AC 等IEEE汇刊和Automatica等IFAC会刊论文18篇)，《自动化学报》等其他论文10余篇，授权发明和实用新型专利14项，申请专利10余项，包括申请美国专利1项。项目负责人以及项目骨干先后获得了沈阳市玫瑰奖、中国造纸蔡伦青年科技奖、广东省造纸学会科学技术奖一等奖、首届中国自动化学会优秀论文奖等多项奖励。项目骨干1人次获得了国家自然科学基金重大项目课题资助，1人通过2018年国家“万人计划”青年拔尖人才的会评答辩。项目培养博士后2人、博士研究生7人、硕士研究生20余名。