Efektywność energetyczna tekturnicy

MASZYNY I URZĄDZENIA
Efektywność energetyczna tekturnicy
– możliwości optymalizacji Cz. 2.
Energy Effectiveness of Corrugator – Optimization Possibilities
Part. 2.
Herman Mensing, Stanisław K. Musielak, Aleksander Klepaczka
The article shows possible improvement of corrugator operation
and energy saving. Particular attention was paid to a steam and
condensate systems in corrugators and compressed air systems.
The article presents applicable technical solutions enhancing energy
effectiveness of corrugator. A need for application of control systems
for corrugated production process and control of basic parameters
based on their continuous visualization were underlined. In the latest
BHS corrugators, a visualization system is an integrated part of the
Process Control System (PCS).
Paper is one of the major factors impacting production cost of
corrugated board. The latest high-speed corrugators can convert
lightweight paper grades both as liners ad fluting. Market analysis
show growing demand for light paper grades. Corrugator suppliers
have to develop new solutions considering both higher efficiency and
deteriorating corrugator operation and corrugated board quality.
Systemy parowo-kondensatowe w tekturnicy
Do podstawowych zadań systemu parowo-kondensatowego
tekturnicy należą:
- doprowadzanie energii cieplnej – pary do odbiorników ciepła
(podgrzewacze, sklejarki pojedyncze,kondycjonery, sklejarki
podwójne, stół suszący),
- odpowiednie dozowanie pary do odbiorników – wg założonych
warunków (ciśnienie, temperatura, strumień pary) realizacji
procesów technologicznych dla określonego rodzaju tektury,
z uwzględnieniem wydajności i prędkości tekturnicy, w sposób
ekonomiczny bez strat energii cieplnej i w układzie bezpiecznym
dla obsługi,
- zwrot gorącego kondensatu do kotłowni.
Ze względu na energochłonność i koszty procesu produkcji
tektury falistej niezbędne jest zapewnienie optymalnych warunków funkcjonowania systemów parowo-kondensatowych.
W nowoczesnych, zamkniętych systemach parowo- kondensatowych założeniem podstawowym jest maksymalny, dochodzący
do 90%, zwrot kondensatu z odbiorników ciepła znajdujących
się w tekturnicy. Oszczędzana jest nie tylko energia, ale również
woda świeża i środki chemiczne niezbędne w uzdatnianiu tej wody
zanim zostanie przekazana do instalacji kotła parowego.
H. Mensing, S.K. Musielak – BHS-Corrugated .Maschinen und Anlagenbau
GmBH, Weiherhammer; A. Klepaczka – Instytut Papiernictwa i Poligrafii,
Politechnika Łódzka
PRZEGLĄD PAPIERNICZY · 68 · CZERWIEC 2012
Rys. 1. Klasyczne rozwiązanie układu parowo-kondensatowego tekturnicy
– istnieją straty energii w systemie termodynamicznym
Wysoki wskaźnik zwrotu kondensatu powinien być możliwy
do uzyskania nawet w przypadku niskich ciśnień stosowanych
w sieci parowo-kondensatowej.
W systemach parowo-kondensatowych wg rozwiązań BHS
spotyka się klasyczny układ (rys. 1) odprowadzania kondensatu
do wspólnego zbiornika (o ciśnieniu 5 bar poprzez odwadniacze,
zainstalowane na odpływie z każdego odbiornika ciepła (1).
W takim układzie wydzielone są jednak strefy zasilania parowego
z podziałem na nisko- i wysokociśnieniową, z odbiornikami, do
których jest doprowadzana para odpowiednio o niskim (np. stół
suszący) bądź wysokim ciśnieniu (np. walce sklejarki pojedynczej SF).
Takie rozwiązanie powoduje straty energii, wynikające z wymuszonych zmian parametrów termodynamicznych czynników
przepływających w układzie.
Korzystną modyfikację układu przedstawiono na rysunku 2.
Zastosowano dwa zbiorniki kondensatu o różnych ciśnieniach.
Kondensat o wysokim ciśnieniu (7 bar) jest kierowany do kotłowni, a niskociśnieniowy (0,5 bar) – do wymiennika ciepła .Takie
rozwiązanie charakteryzuje się wyższą sprawnością cieplną.
Optymalne sterowanie i regulowanie systemu parowo-kondensatowego tekturnicy powinno być realizowane z centralnego
pulpitu operatora tekturnicy. W przypadku wymaganych zmian
parametrów procesu produkcyjnego i konieczności obniżenia
ciśnienia pary, np. na dopływie do sklejarki pojedynczej (Modul
Facer), automatycznie powinna nastąpić redukcja ciśnienia
w kotle głównym. W przypadkach stosowania niskich temperatur
331
MASZYNY I URZĄDZENIA
Rys. 2. Układ parowo-kondensatowy tekturnicy. Rozdział linii kondensatów
o różnych ciśnieniach poprawia sprawność cieplną całego układu
Rys. 3. Porównanie kosztów eksploatacj pomp kleju zasilanych pneumatycznie i elektrycznie
Funkcjonowanie i utrzymanie eksploatacyjne stacji sprężarek
jest energochłonne i kosztowne. Szczególnie nieekonomiczne
są takie odbiorniki energii w systemie tekturnicy, jak zasilane
powietrzem klasyczne membranowe pompy w obiegach kleju
dostarczanego do sklejarek. Wymiana ich na pompy ślimakowe
z elektronicznym sterowaniem zapewnia uzyskanie wymiernych
efektów ekonomicznych. Wynikają one z rozwiązania technicznego, zastosowanego w nowoczesnych pompach ślimakowych,
obniżającego tzw. „siły nożycowe”. Obniżenie tych sił nie powoduje pogorszenia parametrów reologicznych stosowanego kleju.
Jego lepkość nie ulega zmianie.
Na rysunku 3 przedstawiono porównanie kosztów eksploatacji
pomp klejowych z zasilaniem pneumatycznym i elektrycznym.
Wymierne efekty ekonomiczne może spowodować zredukowanie liczby cyklów załączania i wyłączania sprężarek. Istotny
jest właściwy dobór pojemności zbiorników akumulujących
sprężone powietrze. Zbiorniki o większej pojemności sprężonego powietrza są zdecydowanie lepsze, płynnie reagują np.
na gwałtowne obciążenie sieci. Ciśnienie w zbiornikach i sieci
sprężonego powietrza powino być redukowane do wartości 6,5-7
bar. Obniżenie ciśnienia o 1 bar powoduje oszczędności energii
w układzie o ok. 6%.
Aby uzyskać energooszczędną eksploatację sieci sprężonego
powietrza zaleca się m.in.:
• stosowanie wysokiego wskaźnika obciążenia sieci,
• właściwe projektowanie sieci rozdziału powietrza – przy optymalnym rozpływie, bez nadmiernych strat ciśnień w transporcie
(opory liniowe i lokalne),
• ograniczanie ubytków masowych, likwidowanie nieszczelności
sieci,
• regularną kontrolę sieci pneumatycznych i urządzeń,
• unikanie „przewymiarowania” silników napędowych – konieczna wymiana na nowe technologie,
• stosowanie systemów pomiarowych określających funkcjonowanie sprężarek, możliwe jest natychmiastowe wychwycenie
niesprawności,
• wykorzystanie do celów grzewczych, w okresie zimowym,
ciepłego powietrza ze sprężarek,
• regularny przegląd stanu technicznego sprężarek.
Jakość i wizja oszczędzania energii
Tekturnica jest znaczącym odbiorcą sprężonego powietrza,
którego przygotowanie i transport wymagają znacznego nakładu
energii elektrycznej pobieranej przez układy napędowe sprężarek.
Sterowanie procesem wytwarzania tektury oraz regulacja
podstawowych parametrów, a także ich wizualizacja, przy
szczególnym uwzględnieniu systemu parowo-kondensatowego,
w nowoczesnych tekturnicach BHS jest częścią zintegrowanego
systemu PCS (Process Control System). System ten umożliwia
szybkie reagowanie i korygowanie ewentualnych błędów procesowych. Przykład takiego zintegrowanego systemu zastosowanego
w kotłowni przedstawiono na rysunku 4.
Głównym elementem systemu jest zespół wizualizacji WCS
(Wrap Control System), w którym ujęte są najważniejsze dane
procesu, tj. temperatury urządzeń oraz wilgotności tektury, podlegające regulacji (2). Poprzez interwencje obsługi wartości tych
parametrów można bardzo szybko zmieniać (zadawać) i regulować poprzez pośrednie zmiany parametrów w tekturnicy.
W przypadku, gdy celem jest uzyskanie oszczędności energii
w procesie, funkcjonowanie układu staje się bardziej złożone
i wymagania dotyczące zmian parametrów produkcyjnych są
niezmiernie istotne w podejmowaniu decyzji przez obsługę maszyny. Dalsza analiza danych produkcyjnych, przy zachowaniu
stałej i dobrej jakościowo produkcji nie może obejść się bez
332
PRZEGLĄD PAPIERNICZY · 68 · CZERWIEC 2012
Rys. 4. Zintegrowany system regulacji parametrów procesowych z wydzielonymi układami WCS oraz PDA
procesowych, takie szybkie i skojarzone reagowanie zapewni
zauważalne efekty ekonomiczne, wynikające z poprawy bilansu
energetycznego całej maszyny.
Układy sprężonego powietrza
– stacja sprężarek
MASZYNY I URZĄDZENIA
wykorzystania układu wspomagającego PDA (Process Data
Analysis). Umożliwia on zapamiętywanie w banku danych i prezentowanie w formie graficznej ważnych danych procesowych. Są
one źródłem wszelkich analiz i podstawą wniosków oraz decyzji
dotyczących ewentualnych zmian. Układ umożliwia wykrywanie
najsłabszych miejsc w procesie wytwarzania tektury, stwarzając
podstawę krytycznej analizy i możliwości szybkiego usuwania
zaistniałych błędów.
Na rysunku 5 przedstawiono przykład zastosowania zintegrowanego systemu regulacji z wizualizacją WCS w części mokrej
tekturnicy.
Na podstawie zarejestrowanych wartości parametrów procesowych oraz wskaźników produkcyjnych można sprawdzać i analizować np. zmienność tych wskaźnikow w skali doby, miesiąca,
bądź roku. Na rysunku 6 przedstawiono roczną zmianę wskaźnika
zaklejania tektury, którego wyraźny spadek można zaobserwować
w okresie miesięcy listopad- marzec. Jest to efekt zastosowania
w tym okresie systemu WCS.
Z przedstawionych dotychczas treści wynika, że w procesie
produkcji tektury falistej możliwe jest osiągnięcie oszczędności
energetycznych. Rozwiązania zmierzające do tego celu są często
nieskomplikowane i nie wymagają wysokich nakładów inwestycyjnych. Nakłady spłacają się szybko w zależności od wielkości
produkcji i budowy tekturnicy. Stosując odpowiednie systemy
regulacyjne w procesie i analizę danych procesowych można
uzyskać wymierną oszczędność energii elektrycznej i cieplnej
oraz polepszyć jakość produkowanej tektury.
Rys. 5. Wizualizacja w systemie regulacji części mokrej tekturnicy
Własciwości papierów stosowanych do wyrobu
tektury falistej
Jednym z niezmiernie ważnych czynników decydujących
o kosztach produkcji tektury falistej jest jej podstawowy surowiec, czyli papier. Obecne, nowoczesne i szybkobieżne tekturnice
mogą przerabiać niskogramaturowe (lekkie) papiery, stosowane
zarówno na warstwę pokrycia, jak i warstwę pofalowaną. Ta
tendencja wynika z analizy rynków, jednak – co należy podkreślić
– realizacja techniczna procesu wytwarzania tektury z zastosowaniem lekkich papierów jest skomplikowana. Bez zastosowania
odpowiedniego (wysokozaawansowanego) systemu regulacyjnego w tekturnicy uzyskanie tektury o dobrych właściwościach
z niskogramaturowych papierów jest niemożliwe.
Zauważalne w produkcji tektury falistej tendencje dotyczą
m.in.:
- stosowania niskich gramatur papierów łączonych na sklejarce
pojedynczej – 75-100 g/m²,
- obniżania zużycia energii cieplnej i elektrycznej,
- dokładnej regulacji temperatur w zespołach tekturnicy,
- wytwarzania tektur o niskich gramaturach na tekturnicach
o szerokości 3300 mm.
Problem techniczny wiąże się z dwoma ważnymi czynnikami
mającymi znaczenie w procesach podgrzewania i sklejania.
Przykładem postępujących zmian w produkcji papierów opakowaniowych i tektur falistych mogą być charakterystyki produkcji
dwóch wybranych maszyn papierniczych, przedstawione na
rysunku 7. Na maszynie uruchomionej w 2002 r. przez kilka lat
zmniejszano stopniowo gramaturę papieru od 150 g/m2 do wartości 90-100 g/m2 uzyskiwanych w zakresie prędkości roboczej
1200-1300 m/min. Maszyna uruchomiona w 2010 r. rozpoczęła
produkcję papierów o gramaturze 100 g/m2 z prędkością 1450
m/min. Następnie osiągnęła planowaną prędkość 1600 m/min,
PRZEGLĄD PAPIERNICZY · 68 · CZERWIEC 2012
Rys. 6. Przebieg dozowania i zużycia kleju w tekturnicy, przed i po zastosowaniu systemu WCS
produkując papier o gramaturze 80 g/m2 – a nawet 75 g/m2 – przy
prędkości ok. 1550 m/min. Takie zmiany dotyczą wielu znanych
na rynku producentów papierów opakowaniowych, w tym Mondi
Świecie i Stora Enso w Ostrołęce (2, 3).
Problem w procesie produkcji lekkich tektur falistych stanowią wibracje. Mogą osiągać niebezpieczne wartości krytyczne
w przypadku funkcjonowania i eksploatacji zespołów sklejarek.
W szczególności dotyczy to wałów: rowkowanego i dociskowego.
Wibracje te mogą spowodować osłabienie, a nawet zniszczenie,
papieru wprowadzanego do strefy współpracy wałów. Podstawową przyczyną takiego stanu jest zjawisko przylegania
wstęgi papieru do powierzchni wałów. Zdolność przylegania jest
tym większa, im mniejsze są gramatura i grubość papieru, co
przedstawiono na rysunku 8. Przy obniżeniu gramatury papieru
(flutingu) ze 110 do 80 g/m2 wskaźnik przylegania wzrasta o ok.
50%.
W celu złagodzenia skutków przylegania papierów niskogramaturowych i uniknięcia niebezpiecznych drgań w układzie wałów
sklejarek, stosuje się system prowadzenia wstęgi ze specjalną
siatką dociskową. System taki pokazano na rysunku 9.
W przypadkach produkcji tektur z papierów o gramaturach
mniejszych niż 100 g/m2, siatka dociskowa jest wręcz standardowym rozwiązaniem tekturnicy. Popyt rynku na tektury lekkie
– niskogramaturowe – wymusza postęp w budowie i funkcjo-
333
MASZYNY I URZĄDZENIA
Rys. 7. Tendencje zmian gramatur w produkcji papierów stosowanych do
wytwarzania tektury falistej w okresie 2002-2010 w jednym z nowoczesnych
zakładów papierniczych
Rys. 10. Krzywe zmiany obciążeń i drgań w tekturnicy klasycznej i z zastosowaniem taśmy – siatki dociskowej
Rys. 8. Zależność przylegania wstęgi do wałów sklejarki od gramatury
i grubości papieru
Rys. 11. Różne konstrukcje i grubości niskogramaturowych tektur trójwarstwowych
Rys. 9. Siatka dociskowa w układzie wałów sklejarki w tekturnicy
nowaniu tekturnicy, w której powstają różne nowe zjawiska
techniczne i kłopoty eksploatacyjne. Jednym z takich zjawisk jest
efekt marszczenia się (Ripple Effect), który jest wynikiem wibracji
elementów technicznych (wałów) tekturnicy (rys. 10).
W maszynie klasycznej następuje wzbudzanie oraz zanikanie
drgań (pole żółte), niebezpiecznych dla funkcjonowania tekturnicy i oniżających jakość tektury. W przypadku zastosowania
taśmy drgania są redukowane i praktycznie nie wystepują (kolor
zielony).
W celu uzupełnienia informacji o tendencjach na rynku tektury
falistej przedstawiono obrazową strukturę i grubości tektur trójwarstwowych o różnej wysokości warstwy pofalowanej (rys.
11) oraz możliwe konstrukcje geometryczne tektur pięciowarstwowych (rys. 12).
Konstrukcje typu FG są jeszcze rzadko spotykane, natomiast
typu EE wykazują na rynku tendencję rosnącą. Rozwiązanie BB
zapewnia uzyskiwanie bardzo dobrych jakości oraz możliwości
wyeliminowania efektu marszczenia.
Tendencja stosowania papierów o niskich gramaturach jest
wciąż rosnąca i można ją przewidywać w przyszłości. Zapotrze-
334
Rys. 12. Konstrukcje i grubości niskogramaturowych tektur pięciowarstwowych
bowanie na flutingi niskogramaturowe będzie wzrastało, co musi
być uwzględnione przez producentów nowoczesnych tekturnic.
Przykładem są tekturnice BHS o szerokości roboczej 3300 mm,
dla których pojęcie „lekkie tektury” staje się powszechne.
Literatura
1. Gestra Fluid Filter://www.flowserve.com/vgnfiles/Files/Literature/ProductLiterature/FlowControl/Gestra/804063.pdf.
2. WCS – System BHS. Wewnętrzne materiały firmy BHS 2009.
3. Motylewski M.: „Parametry papieru a dobre wykonawstwo”, Przegl.
Papiern. 65, 5, 1-4 (2009).
4. Klepaczka A.: „Kolejna inwestycja Stora Enso w Ostrołęce – nowoczesna
maszyna papiernicza” 67, 1, 25-27(2011).
PRZEGLĄD PAPIERNICZY · 68 · CZERWIEC 2012