蒸汽热能场自动控制系统的制作方法

2021-02-26 15:02:53|

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本发明属于自动化控制技术领域，具体涉及碳纤维原丝生产工艺中牵伸箱蒸汽热能场自动控制系统，应用于纤维原丝的二次拉伸。

背景技术：

碳纤维生产工艺复杂，技术门槛高，涉及多科学门类，其中涉及聚合工艺，纺丝工艺，热工艺，空分深冷技术，超纯水技术，机械制造及自动化等。

二次拉伸是指原丝纤维在特定长度的牵伸箱内，在一定的压力和温度的蒸汽作用下，出入口牵引速度固定差值的共同作用下的牵伸运动；在这里原丝纤维利用水分子的塑化作用和蒸汽的热能作用，蒸汽的热能可以把纤维的环境温度提高到纤维的玻璃化温度，这样的条件下进行牵伸纤维才不会被拉断，才能保证纤维性能稳定，质量可靠。如果此时蒸汽过分干热，蒸汽中含有的“活化”水分子较少，对纤维的塑化作用降低，造成牵伸纤维毛丝增多，严重的还可能引起断丝。

因此，针对上述技术问题，有必要提供一种精准控制蒸汽的饱和度、湿度和压力的蒸汽热能场自动控制系统。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供碳纤维原丝生产工艺中牵伸箱蒸汽热能场自动控制系统，应用于纤维原丝的二次拉伸，以解决现有技术中纤维拉伸过程中出现毛丝或断丝的问题。

为了实现上述目的，本发明一实施例提供的技术方案如下：

一实施例中，提供了一种蒸汽热能场自动控制系统，用于控制蒸汽的饱和度、湿度以及压力，包括：

蒸汽稳压供给模块，用于提供稳定且具备一定压力的干燥蒸汽；

水雾化模块，包括并列设置的多组雾化装置，用于对超纯水进行雾化，与蒸汽稳压供给模块提供的蒸汽按比例进行混合，对所述蒸汽进行湿度调控；

控制模块，连接所述蒸汽稳压供给模块以及水雾化模块，至少用于控制蒸汽稳压供给模块进行稳压蒸汽的输出，控制水雾化模块进行雾化水的输出以及按照蒸汽和雾化水量的混合比需求控制并调整蒸汽稳压供给模块的蒸汽输出量和水雾化模块的雾化水输出量。

作为本发明的进一步改进，还包括混合模块，所述混合模块包括水汽混合管路以及设于所述水汽混合管路上的若干温度传感器和压力变送器，所述温度传感器和压力变送器分别连接所述控制模块。

作为本发明的进一步改进，所述蒸汽稳压供给模块包括蒸汽输送管路，所述蒸汽输送管路连通于所述水汽混合管路，所述蒸汽输送管路上依次安设有减压阀和稳压阀，所述减压阀的上游设置有若干疏水阀组。

作为本发明的进一步改进，所述水雾化模块包括：

储水单元，用于存储超纯水；

管路增压单元，用于对储水单元的超纯水进行增压并传输；

雾化单元，用于对管路增压单元传输的增压水进行不同精度的雾化；

所述储水单元、管路增压单元以及雾化单元分别连接所述控制模块，并通过所述控制模块控制储水单元的水量、管路增压单元的增压强度以及雾化单元的雾化水量。

作为本发明的进一步改进，所述储水单元包括：

储水罐，所述储水罐外设有保温夹层，所述保温夹层上开设有入水口和出水口，所述储水罐上设有水源入口，所述水源入口处设置有控制阀门；

温度传感器，设于所述储水罐内部，用于实时监测所述储水罐内的水温；

液位计，设于所述储水罐内部，用于实时监测所述储水罐内的水量；

所述控制阀门、温度传感器与液位计分别与所述控制模块相连接。

作为本发明的进一步改进，所述控制模块控制储水单元的水量，具体为：

液位计实时将检测到的液位信号反馈至控制模块；

控制模块将接收到的液位信号与第一预设值和第二预设值相比较；

当所述液位信号低于或等于第一预设值时，控制模块输出控制指令打开控制阀门，进行水源补给，直至所述液位信号等于第二预设值，控制模块输出控制指令关闭控制阀门，停止水源补给。

作为本发明的进一步改进，所述管路增压单元包括连通于所述储水罐的输送管路、串联设置于所述输送管路上的若干水泵以及设于所述水泵下游的压力变送器，所述若干水泵和压力变送器分别连接所述控制模块。

作为本发明的进一步改进，所述雾化单元至少包括并列设置的两组雾化装置，每组所述雾化装置分别包括与输送管路连通设置的雾化管路，设于所述雾化管路上的质量流量计，调节阀门以及雾化喷头，所述质量流量计，调节阀门均与所述控制模块相连接且两组所述雾化装置中的质量流量计和调节阀门以及雾化喷头的精度不相同。

作为本发明的进一步改进，所述雾化喷头设于所述水汽混合管路内，且每组所述雾化装置的雾化喷头边缘分别对应设置有所述温度传感器和压力变送器。

作为本发明的进一步改进，所述管路增压单元与所述雾化单元之间还设置有过滤单元，所述过滤单元包括设于所述输送管路上的精密过滤器。

作为本发明的进一步改进，所述控制模块包括dcs集散控制系统。

作为本发明的进一步改进，本发明所采用的蒸汽或者水源均为超纯水。

与原有技术相比，本发明的优点在于：通过本发明的蒸汽热能场自动控制系统，精确控制水汽混合管路中“干燥”的过饱和蒸汽与雾化水按照一定的比例充分混合，制造出独特的热能场，明确改善原丝二次拉伸时出现的断丝毛丝现象，大大提高产品的合格率。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本申请一实施方式中蒸汽热能场自动控制系统的功能示意图；

图2是本申请一实施方式中蒸汽热能场自动控制系统中蒸汽稳压供给模块结构示意图；

图3是本申请一实施方式中蒸汽热能场自动控制系统中混合模块和水雾化模块结构示意图；

图4是水汽混合管路上的温度传感器或压力变送器信号进行pid运算，模拟输出值控制电子调节阀门示意图。

具体实施方式

以下将结合附图所示的各实施方式对本发明进行详细描述。但该等实施方式并不限制本发明，本领域的普通技术人员根据该等实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本发明的保护范围内。

参考图1所示，本实施例提供了碳纤维原丝生产工艺中牵伸箱蒸汽热能场自动控制系统，包括蒸汽稳压供给模块，水雾化模块，混合模块以及控制模块。蒸汽稳压供给模块用于提供稳定且具备一定压力的“干燥”蒸汽；水雾化模块用于对超纯水进行雾化，与蒸汽稳压供给模块提供的蒸汽按比例混合，对所述蒸汽进行湿度调控；混合模块提供了上述“干燥”蒸汽和雾化水混合的场所；控制模块连接蒸汽稳压供给模块、混合模块以及水雾化模块，至少用于控制蒸汽稳压供给模块进行稳压蒸汽的输出，控制水雾化模块进行雾化水的输出以及按照蒸汽和雾化水量的混合比需求控制并调整蒸汽稳压供给模块的蒸汽输出量和水雾化模块的雾化水输出量，具体的，控制模块包括dcs集散控制系统。

鉴于本系统应用于原丝纤维的二次拉伸，本实施例中所涉及的水蒸气或者水源均采用超纯水，因此本系统还可以包括超纯水制造模块，超纯水制造模块同样可连接控制模块。

从城市自来水管网过来的水，姑且称为“原水”，如果不加处理直接使用，“原水”中的金属离子和其他杂质影响碳纤维的力学性能和使用性能，所以在整个生产流程中对水质的要求很严格。纤维二次拉伸用的调温调湿度的水需要超纯水，超纯水的制造通常需要经过这样的流程：“原水”经过超滤，反渗透，cedi最后到超纯水，鉴于超纯水的制备工艺和技术已经成熟，在此不做更详细的说明。

参考图2所示，蒸汽稳压供给模块包括蒸汽输送管路，蒸汽输送管路包括输送主管路111和支管路112，输送主管路111上按照蒸汽流通方向依次设置有第一截止阀12，过滤器13，减压阀14、稳压阀15以及第二截止阀16，其中输送主管路111上还间隔设置有若干压力表17，支管路112连通于输送主管路111，进一步的，连通于第一截止阀12上游的输送主管路111，支管路112上设置有疏水阀组，支管路112的出口处设置有集水井。

在上述技术方案中，整个模块中的部件材质采用不锈钢，包括所有阀门、管道、过滤器、压力表等，减压阀14采用先进技术的、稳定可靠的三合一减压阀，既有稳压功能，又有汽水分离功能，还有疏水功能，汽水分离效果可高达98％，确保提供稳定干燥、高品质的蒸汽，减压阀内置二次压力平衡管，无需外装压力平衡管，具有自动对中、吸震的球形活塞及技术领先的先导阀结构，减压比可达10:1，精度高，控制蒸汽输出压力波动小于1％，即便在恶劣的工况下也能保证二次蒸汽压力的精确度，此外减压阀的先导阀和主阀内有大流通面积过滤网，保证无故障工作。另外蒸汽的输送由于管道散热而产生冷凝水，为了防止冷凝水在蒸汽的吹动下冲蚀阀门，需要在蒸汽减压阀前设有集水井和疏水阀组，每个疏水组由疏水阀及安装在疏水阀前的截止阀组成，截止阀采用高温球阀，上述中稳压阀、压力表等部件均与dcs集散控制系统连接，鉴于三合一减压阀已是现有技术，在此对其结构不做过多描述。

参考图3所示，水雾化模块连接控制模块，包括储水单元，管路增压单元以及雾化单元，储水单元用于存储超纯水；管路增压单元用于对储水单元的超纯水进行增压并传输；雾化单元用于对管路增压单元传输的增压水进行不同精度的雾化。

储水单元包括储水罐21，储水罐21外设有保温夹层，夹层里面通30℃循环水维持储水罐21内温度保持在30±2℃，保温夹层上开设有恒温水入水口和出水口，储水罐21上设置有超纯水入水口211，其上设置有控制阀门212；储水罐21的内部安装有温度传感器213和液位计214，温度传感器213用于实时监测内部纯水温度，液位计214用于实时监测储水罐内的水量。

储水罐21的液位由液位计214检测并控制，当储水罐液位降低到设定下限时，一般不低于总液位高度的50％，液位计214的液位对应的模拟信号反馈到dcs，并与50％进行差额比较，结果小于零，dcs控制系统输出一个控制指令打开控制阀门212，纯水进入储水罐进行补水；当液位升高到液位设定上限时，一般不高于总液位高度的80％，实时液位与80％差值大于零，则dcs再发送一个指令关闭控制阀门212，如此循环往复维持储水罐21的液位。

管路增压单元包括连通于储水罐21的输送管路、串联设置于输送管路上的2个水泵(下文将靠近储水罐的水泵称为一级水泵，远离储水罐的水泵称为二级水泵)以及设于二级水泵下游的压力变送器22。为了提高水的雾化效果及控制精度而提高超纯水的压力，在这里采取两个水泵串联从储水罐内抽水，一级水泵以50hz运行，其形成的压力和流量充分满足二级水泵的需要，二级水泵与压力变送器22在高性能变频驱动下进行闭环pid控制，压力控制在1.5mpa，波动值小于1％，超纯水经过增压，被输送至雾化单元。

在上述技术方案中，一级水泵与二级水泵串联运行，均由高性能变频器控制，压力变送器22反馈信号进入dcs，在dcs内部，通过功能块把变频器的di/do和ai/ao组成闭环控制系统，自动调节使压力稳定在1.5mpa，需要注意的是两个水泵的参数一定要一致，一级水泵的运行频率一定要略大于二级水泵的运行频率，以保证水泵的安全可靠运行。

雾化单元包括并列设置的两组雾化装置，按照水汽混合管路中蒸汽的传输方向，将先与蒸汽接触的一组称之为一级增压雾化，后与蒸汽接触的一组称之为二级增压雾化，每组雾化装置分别包括与输送管路连通设置的雾化管路，设于雾化管路上的质量流量计23，调节阀门24以及雾化喷头25，质量流量计，调节阀门均与控制模块相连接且两组雾化装置中的质量流量计和调节阀门以及雾化喷头的精度不相同，其中二级增压雾化各装置的精度大于一级增压雾化各装置的精度。

混合模块包括水汽混合管路31以及设于水汽混合管路31上的若干温度传感器和压力变送器，所述温度传感器和压力变送器分别连接所述控制模块，雾化喷头25设于水汽混合管路31内，且每组所述雾化装置的雾化喷头边缘分别对应设置有温度传感器和压力变送器。

在上述技术方案中，一级增压雾化和二级增压雾化分别由两套精度不同的调节阀门及质量流量计控制水量大小，最终由水汽混合管路31内精度不同的两套雾化喷头喷出，形成超细雾化，并在此与“干燥”的蒸汽混合，形成一定湿度的饱和蒸汽，进入牵伸箱，在蒸汽的作用下对原丝进行大倍率高速牵伸，这样的热能场对提高纤维强度起着决定性作用，其中的质量流量计的反馈信号，电子调节阀门的反馈信号，水汽混合管路31上的压力信号及温度信号，包括调节阀门的执行信号均由dcs来统筹进行复杂的pid运算，完成精确控制。

具体的，参考图4所示，水汽混合管路上的温度传感器或压力变送器检测的信号作为pid_temp控制器的输入，与设定值setpoint进行比较，经过pid运算，偏差信号作为控制器pid_flow的设定值，与质量流量计的反馈值比较，进行pid运算，模拟输出值控制调节阀门。这种从属控制回路，可迅速纠正控制系统中发生的扰动，显著降低扰动对控制变量的影响，可改善扰动行为。

工欲善其事，必先利其器。要想达到稳定的控制效果，必须要有高精度稳定的控制系统、智能变送器和精确的执行机构。

dcs集散控制系统，它由过程控制级和过程监控级组成的以通讯网络为纽带的多级计算机系统，综合了计算机、通讯、显示器和控制器等4c技术。基本思想是分散控制、集中操作、分级管理、配置灵活、组态方便，系统的设计均采用冗余配置，保证系统长期稳定、可靠运行。

压力变送器，本实施例中采用单晶硅谐振式传感器，振动分别将差压和压力信号转换为频率信号，送到脉冲计数器，再将两频率之差直接传送到cpu进行处理，经d/a转换为与输入信号对应的4-20ma的直流输出信号；组件中内置的特性修正存储器存储传感器的环境温度、静压及输入输出特性修正数据，经cpu运算，使变送器具有优良的温度特性和静压特性及输入输出特性，精度高,±0.055％，连续工作7年不需调校，响应时间快,＜90ms，优良的单向过压性能，具有完善的自诊断功能。

质量流量计，本实施例中采用的是科氏质量流量计(coriolismassflowmeter)，由两部分组成，一是传感器，二是变送器；它以科氏力(流体在旋转的管内流动对管壁产生的力，是科里奥利在1832年发现的，简称科氏力)为基础，在传感器内有两根平行的流量管，中部装有驱动线圈，两端装有检测线圈，变送器提供的励磁电压加载到驱动线圈上，振动管作往复周期振动，流体介质流经传感器的振动管，就会在振动管上产生科氏力效应，使两根振管扭转振动，振管两端的检测线圈产生相位不同的两组信号，信号的相位差与流体的质量流量成比例关系，不同介质流经传感器，振管的谐振频率不同，据此计算介质密度，另外传感器振管上安装铂电阻可测介质温度。总之科氏流量计不管对介质密度、温度和流量都有很高的测量精度，充分满足控制精度。

调节雾化水量的调节阀门，本实施例中采用电子调节阀，由伺服或步进马达驱动，分辨率高达2000:1，阀门可调比100:1，其中一级增压雾化中的调节阀门cv值选用0.035，二级增压雾化中的调节阀门cv值选用0.0035，水量综合控制精度前者0.01l/min，后者可达到0.001l/min。一级增压雾化中的调节阀门，起到快速调节的作用，二级增压雾化中的调节阀门，起到更精确调节的作用，二者同时作用起到快速精确调节的理想效果。

同时，为避免高精度的调节阀门，质量流量计，压力变送器和雾化喷头因可能的杂质摩擦堵塞而造成损坏，在二级水泵出口加装高精度滤器26，过滤精度达到10微米级。

图3所示的水雾化模块中，液位计、温度传感器、压力变送器、质量流量计、调节阀门的输出与反馈等信号均与dcs控制系统连接，将对现场储水罐液位、温度、水汽混合管路的压力、水泵出水压力、加水流量、阀门开合度、电机频率等信号进行采集，这一系列信号经过dcs控制系统进行复杂pid的运算，结果作为输出控制指令，控制各阀门和电机的精确运行。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施例加以描述，但并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

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