卷煙機(jī)風(fēng)力送絲系統(tǒng)優(yōu)化研究

許永明，邱潤泉，楊天樂，許建勇

（紅云紅河集團(tuán) 紅河卷煙廠，云南 紅河 652399）

0 引言

煙絲氣力輸送以投資小、簡單、可靠、運(yùn)行維護(hù)方便等，成為卷煙生產(chǎn)煙絲輸送的主流方式。但是，由于風(fēng)力送絲系統(tǒng)中多組卷煙機(jī)供絲需求的短暫及隨機(jī)性，導(dǎo)致送絲風(fēng)速波動(dòng)劇烈，造成煙絲破碎，水分及香氣散失。如何有效抑制風(fēng)速的波動(dòng)，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定均勻送絲，是卷煙行業(yè)的一個(gè)老大難問題。在更先進(jìn)的煙絲輸送方式和裝備研發(fā)還沒有重大突破的現(xiàn)狀下，惟有對傳統(tǒng)的風(fēng)力送絲方式進(jìn)行更深入細(xì)致的研究及探索。

1 風(fēng)力送絲特性

風(fēng)力送絲系統(tǒng)主要由送絲機(jī)、吸絲管、卷煙機(jī)煙絲料倉（含上料倉、下料倉）、回風(fēng)管系、除塵器、風(fēng)機(jī)、消聲器等構(gòu)成。

圖1 樹枝管式風(fēng)力送絲系統(tǒng)

風(fēng)機(jī)運(yùn)行，吸絲管中產(chǎn)生負(fù)壓，將送絲機(jī)中的煙絲抽吸到卷煙機(jī)的上料倉，經(jīng)篩網(wǎng)阻擋，煙絲落入上料倉，含塵氣體通過除塵器過濾后經(jīng)過風(fēng)機(jī)、消聲器排入大氣。料倉落滿，吸絲風(fēng)閥關(guān)閉，同時(shí)上料倉底部翻板打開，煙絲落入下料倉，供給卷煙機(jī)巻制煙支。

n臺卷煙機(jī)（一般n＜12）組成的風(fēng)力送絲系統(tǒng)中，單臺卷煙機(jī)正常生產(chǎn)供絲周期短暫（約25秒），任意一臺卷煙機(jī)供絲的啟停，都將影響到整個(gè)系統(tǒng)風(fēng)速的變化。多臺卷煙機(jī)組成的送絲系統(tǒng)，存在著數(shù)量不確定的X臺卷煙機(jī)的啟停，更造成了系統(tǒng)氣流運(yùn)動(dòng)嚴(yán)重失穩(wěn)，各吸絲卷煙機(jī)風(fēng)速波動(dòng)劇烈。如12臺卷煙機(jī)組成的風(fēng)力送絲系統(tǒng)，同一時(shí)刻，理論上存在著N=212=4096種供絲方式的組合。任何一種控制方式，要在這樣短暫的供絲時(shí)間，這樣多的供絲組合方式下，達(dá)到系統(tǒng)中各吸絲卷煙機(jī)穩(wěn)定均勻送絲，其難度是非常大的。

2 風(fēng)力送絲方式及特性比較

風(fēng)力送絲系統(tǒng)，按回風(fēng)管系的構(gòu)成形式不同可分為：樹枝管系統(tǒng)和集束管系統(tǒng)。

2.1 樹枝管式風(fēng)力送絲系統(tǒng)的特性

各卷煙機(jī)回風(fēng)管分別在不同位置并流，最后匯入總管（見圖1）。系統(tǒng)占用空間小，制造成本較低；系統(tǒng)中，任意一臺卷煙機(jī)供絲的啟停，都將影響到整個(gè)系統(tǒng)風(fēng)速的變化，各卷煙機(jī)實(shí)際供絲風(fēng)速隨之波動(dòng)；各并流點(diǎn)均存在節(jié)點(diǎn)壓力平衡問題，即各臺卷煙機(jī)之間關(guān)聯(lián)度較高，實(shí)現(xiàn)各臺卷煙機(jī)送絲穩(wěn)定均衡的難度比集束管式風(fēng)力送絲系統(tǒng)更大。

2.2 集束管式風(fēng)力送絲系統(tǒng)的特性

集束管式風(fēng)力送絲系統(tǒng)的特性（見圖2）。各臺卷煙機(jī)配置相應(yīng)的回風(fēng)管，通過集流器將多個(gè)支管匯入總管中。系統(tǒng)占用空間大，制造成本較高；系統(tǒng)中，任意一臺卷煙機(jī)供絲的啟停，都將影響到整個(gè)系統(tǒng)風(fēng)速的變化，各卷煙機(jī)實(shí)際供絲風(fēng)速隨之波動(dòng)；各支路在集流器上并流，關(guān)聯(lián)度相對較低，可通過設(shè)計(jì)優(yōu)化集流器，減小各臺卷煙機(jī)送絲風(fēng)速的大幅波動(dòng)。

圖2 集束管式風(fēng)力送絲平衡系統(tǒng)

3 風(fēng)力送絲系統(tǒng)平衡方法分析及優(yōu)化

近幾十年來，對風(fēng)力送絲氣流平衡的方法從未間斷過，歸類及分析評價(jià)如下：

3.1 第一類：主管風(fēng)量調(diào)節(jié)平衡系統(tǒng)

風(fēng)機(jī)前配置調(diào)節(jié)閥（見圖3）。為了確保系統(tǒng)中所有卷煙機(jī)的供絲需求，一般風(fēng)機(jī)配置按所有卷煙機(jī)同時(shí)供絲設(shè)計(jì)。當(dāng)系統(tǒng)中M臺卷煙機(jī)長時(shí)間停機(jī)時(shí)，通過風(fēng)閥的調(diào)節(jié)，獲得所需風(fēng)量，以抑制系統(tǒng)過高平均風(fēng)速，并有一定的節(jié)能效果。

圖3 風(fēng)機(jī)前設(shè)置風(fēng)量調(diào)節(jié)閥

在風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速不變的情況下，調(diào)節(jié)風(fēng)閥，將引起管系特性曲線和風(fēng)機(jī)特性曲線的改變（見圖4）。

I—調(diào)節(jié)前管網(wǎng)特性曲線

Ⅱ—調(diào)節(jié)后管網(wǎng)特性曲線

Ⅲ—功率N、風(fēng)量（Q）曲線

1—調(diào)節(jié)前風(fēng)機(jī)特性曲線

2—調(diào)節(jié)后風(fēng)機(jī)特性曲線

QA—調(diào)節(jié)前流量

QB—調(diào)節(jié)后流量

PA—調(diào)節(jié)前風(fēng)壓

PB—調(diào)節(jié)前風(fēng)壓

圖4 風(fēng)機(jī)特性曲線

圖5 重錘式風(fēng)閥平衡系統(tǒng)

可見，當(dāng)閥門開度即通流面積變小后，流量減少Q(mào)A＞QB，工作由A點(diǎn)移至B點(diǎn)，對應(yīng)的風(fēng)壓略有增大 PB ＞ PA，風(fēng)機(jī)功率由N1變到N2，能耗有適量降低。由于風(fēng)力送絲系統(tǒng)中，總有m個(gè)支管隨機(jī)、短暫截流，導(dǎo)致匯流主管內(nèi)氣流波動(dòng)，各支管的風(fēng)速不穩(wěn)定。這種方法對降低能耗有一定作用，對抑制支管的過高風(fēng)速有少許作用。

3.2 第二類：重錘式補(bǔ)風(fēng)閥平衡系統(tǒng)

在主管上配置重力平衡閥（見圖5），當(dāng)系統(tǒng)中m臺卷煙機(jī)隨機(jī)啟停，使主風(fēng)管內(nèi)的風(fēng)量、風(fēng)壓變化，重力平衡閥自動(dòng)調(diào)節(jié)補(bǔ)風(fēng)量，以抑制系統(tǒng)中氣流運(yùn)動(dòng)失衡。由于重錘閥的開啟與關(guān)閉存在不必可避免的慣性，難以適應(yīng)支管短暫、隨機(jī)的風(fēng)速波動(dòng)。另一方面，因這種方式是在復(fù)雜湍流條件下實(shí)現(xiàn)的有較大局限性的自適應(yīng)調(diào)節(jié)，所以其只能是一種粗略調(diào)節(jié)，現(xiàn)已少見應(yīng)用。

3.3 第三類：變頻調(diào)速平衡系統(tǒng)

風(fēng)機(jī)配置變頻器。變頻器，根據(jù)主風(fēng)管上檢測到的風(fēng)量信號，自動(dòng)調(diào)整電源頻率，改變風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)風(fēng)量，達(dá)到平衡的目的。由于送絲風(fēng)機(jī)所需風(fēng)壓高，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速快，葉輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量很大，難以在短時(shí)間內(nèi)做出有效的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，而且，主風(fēng)管對于各臺卷煙機(jī)對應(yīng)的支風(fēng)管存在一個(gè)響應(yīng)過程，所以平衡顯效嚴(yán)重滯后。另外，由圖6及下列公式可知，NB ＜ NA，從節(jié)能角度看，變頻調(diào)速的節(jié)能效果非常明顯。但隨轉(zhuǎn)速n的下降，風(fēng)量Q同幅下降，風(fēng)壓P卻以二次方降低。氣、固兩相流運(yùn)動(dòng)將受直接影響，調(diào)節(jié)量稍過，煙絲流將不呈懸浮態(tài)運(yùn)動(dòng)，可能成為沙丘態(tài)或栓塞態(tài)運(yùn)動(dòng)，甚至煙絲堵塞風(fēng)管。所以，盡管有較好的節(jié)能效果，但在風(fēng)力送絲系統(tǒng)中使用變頻調(diào)速平衡方式并不理想。

1—轉(zhuǎn)速為n1時(shí)風(fēng)機(jī)特性曲線

2—轉(zhuǎn)速為n2時(shí)風(fēng)機(jī)特性曲線

3—管網(wǎng)特性曲線

QA—A點(diǎn)流量

QB—B點(diǎn)流量

PA—A點(diǎn)流量

圖6 變頻調(diào)速特性曲線

式中： N1、N2：調(diào)速前后軸功率；n1、n2：調(diào)速前后風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速；Q1、Q2：調(diào)速前后流量。

圖中：A點(diǎn)：NA=PA·QA 即：PA·A·QA·O面積

B點(diǎn)：NB=PB·QB 即：PB·B·QB·O面積

3.4 第四類：支管補(bǔ)風(fēng)平衡系統(tǒng)

在各支管上配補(bǔ)風(fēng)閥（見圖7）。當(dāng)某支管工作氣流突然中斷后立即補(bǔ)入風(fēng)量，以控制系統(tǒng)氣流波動(dòng)。

圖7 支管補(bǔ)風(fēng)平衡系統(tǒng)

這種方法簡易，投資少，對抑制氣流波動(dòng)有一定效果。從氣流運(yùn)動(dòng)三大定律：伯努利方程、連續(xù)性方程、動(dòng)量方程可知，流量Q的變化必伴隨風(fēng)壓P的變化，補(bǔ)風(fēng)閥所具有的阻抗S1與送絲管的阻抗S2不相等，則壓力的失衡必引起流量的失衡；在多支管構(gòu)成的風(fēng)力送絲系統(tǒng)中，各支管的物理長度不一致，其阻抗不等，則各補(bǔ)風(fēng)閥補(bǔ)入氣量均不相同，這對系統(tǒng)氣流波動(dòng)抑制作用很有限。這種方法已注意到了主管調(diào)節(jié)對系統(tǒng)平衡作用不大的事實(shí)，但通過支管所補(bǔ)入的風(fēng)量不能完全替代截流的風(fēng)量，所以平衡效果有限。

3.5 第五類：主管調(diào)節(jié)支管補(bǔ)風(fēng)平衡系統(tǒng)

在主風(fēng)管和各支風(fēng)管上都設(shè)置流量計(jì)及風(fēng)量補(bǔ)償調(diào)節(jié)閥（見圖8），根據(jù)檢測到的流量信號，實(shí)時(shí)驅(qū)動(dòng)閥板作不同開度的旋轉(zhuǎn)，以調(diào)節(jié)主風(fēng)管及各支管的風(fēng)速。

這種方法與前四類方法相比，有了很大進(jìn)步，對系統(tǒng)風(fēng)速的劇烈波動(dòng)有一定的抑制效果。但對風(fēng)力送絲這種瞬息復(fù)雜多變的工況，其穩(wěn)流、恒速控制的作用很有限。根據(jù)能量守恒定律（伯努利方程）和質(zhì)量守恒定律（連續(xù)性方程），當(dāng)任意m個(gè)支管突然截流后，必然使系統(tǒng)中仍在工作的n個(gè)支管的風(fēng)速提升，并使各節(jié)點(diǎn)壓力失衡，管網(wǎng)特性發(fā)生變化，導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的氣流失穩(wěn)、波動(dòng)。在瞬息復(fù)雜多變的工況下，建立閥門開度與風(fēng)量、風(fēng)壓的對應(yīng)關(guān)系幾乎是不可能的。這種“以變對變”的方法本質(zhì)是“動(dòng)態(tài)逼近”，所以仍不可能真正實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中各臺卷煙機(jī)送絲風(fēng)速穩(wěn)定均衡的目標(biāo)。

圖8 主管調(diào)節(jié)支管補(bǔ)風(fēng)平衡系統(tǒng)

3.6 第六類：二元等值替代平衡系統(tǒng)

在主風(fēng)管（風(fēng)機(jī)入口端）上配置“電控線性風(fēng)量調(diào)節(jié)閥”，實(shí)驗(yàn)確定卷煙機(jī)開機(jī)臺數(shù)對應(yīng)的閥板開度（見圖9）。當(dāng)系統(tǒng)中m臺卷煙機(jī)長時(shí)間停機(jī)時(shí)，發(fā)出信號調(diào)節(jié)閥板到達(dá)預(yù)定開度，獲得所需風(fēng)量，降低風(fēng)機(jī)能耗；在各支風(fēng)管上設(shè)置旁路配置“二元平衡器”，其風(fēng)阻根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行調(diào)節(jié)。在系統(tǒng)空載時(shí)反復(fù)試驗(yàn)，再在實(shí)際運(yùn)行中實(shí)驗(yàn)，調(diào)定每臺卷煙機(jī)供絲狀態(tài)時(shí)“二元平衡器”對應(yīng)的風(fēng)阻。當(dāng)卷煙機(jī)不要煙絲時(shí)，通過“二元平衡器”及時(shí)補(bǔ)入供絲狀態(tài)下的等量氣流，實(shí)現(xiàn)恒定的送絲風(fēng)速。

這種方法與前五類方法相比，有了本質(zhì)的變革，是以“不變應(yīng)萬變”，對系統(tǒng)風(fēng)速的劇烈波動(dòng)有很好抑制效果。在實(shí)現(xiàn)了各臺卷煙機(jī)送絲風(fēng)速穩(wěn)定均衡的基礎(chǔ)上，還構(gòu)建了獨(dú)立完整的風(fēng)力送絲平衡智能化控制系統(tǒng)。

圖9 二元等值替代平衡系統(tǒng)

4 風(fēng)力送絲系統(tǒng)等量替代平衡方法

4.1 二元等值替代平衡法的機(jī)理

表1 卷煙機(jī)數(shù)或支管數(shù)組合變化數(shù)表

由多臺卷煙機(jī)構(gòu)成的風(fēng)力送絲系統(tǒng)，受隨機(jī)供絲工況的影響，存在N=2n種供絲組合方式。表1是n臺卷煙機(jī)組成的風(fēng)力送絲系統(tǒng)，瞬間可能產(chǎn)生的N種組合狀態(tài)。

任何一種調(diào)節(jié)或控制方式，要在這樣短暫的供絲時(shí)間（20—30秒）、這樣多的供絲組合方式下（N=212=4096種），通過控制或調(diào)節(jié)來建立起新的風(fēng)力平衡，幾乎是不可能的。因?yàn)橄到y(tǒng)中卷煙機(jī)“此啟彼?！?，變化間隔多則以秒計(jì)，少則以毫秒計(jì)，并且一般風(fēng)管少則幾十米，多則幾百米長，而調(diào)控至少需一個(gè)循環(huán)周期才能建立起新的平衡，而此時(shí)所需調(diào)控量早就發(fā)生了變化。所以唯一有效的辦法就是在卷煙機(jī)不要絲的同時(shí)，瞬時(shí)接入一個(gè)與該卷煙機(jī)供絲狀態(tài)下完全相同的替代負(fù)載，即作二元等值替代。這就是二元等值替代法的機(jī)理。其以“不變應(yīng)萬變”的策略，為解決風(fēng)力送絲組態(tài)變化多，氣流劇烈波動(dòng)這個(gè)復(fù)雜難題找到了一種簡潔可靠的方法。

4.2 “二元平衡器”簡介

風(fēng)力送絲系統(tǒng)中，由于受各絲管長度，不同型號卷煙機(jī)絲斗結(jié)構(gòu)，回風(fēng)管等影響，各支管所需最佳供絲狀態(tài)下的風(fēng)量Qi及風(fēng)壓Pi不相等，即：Q1≠Q(mào)2≠Q(mào)3≠……Qn及P1≠P2≠P3≠……Pn，二元平衡器是一個(gè)可同時(shí)控制風(fēng)量Q和風(fēng)壓P的裝置，由調(diào)整內(nèi)部的螺旋阻尼器設(shè)定，運(yùn)行中呈固定態(tài)，不需作調(diào)節(jié)，因此可靠性很高。當(dāng)某臺卷煙機(jī)不要煙絲時(shí)，“二元平衡器”及時(shí)補(bǔ)入供絲狀態(tài)下的等量氣流，實(shí)現(xiàn)送絲風(fēng)速的基本恒定。

4.3 基本技術(shù)方案

在各卷煙機(jī)組回風(fēng)管進(jìn)口附近設(shè)一旁通路，配置“二元平衡器”。供絲閥開啟時(shí)，“二元平衡器”關(guān)閉，從送絲機(jī)中將煙絲吸到卷煙機(jī)上料倉，受濾網(wǎng)的攔截，煙絲落入上位倉，含有少量煙塵的載體氣流經(jīng)回風(fēng)支管匯入回風(fēng)總管或集流器，經(jīng)除塵器除去煙塵，潔凈空氣經(jīng)消聲器排入大氣；當(dāng)上倉位光電料位計(jì)發(fā)出滿料信號時(shí)，送絲截流閥關(guān)閉，同時(shí)二元平衡器打開，瞬間替代工作負(fù)載。于是不論任意m臺機(jī)組在任意時(shí)刻啟或停，任一支管中總有對應(yīng)量值的氣流瞬間互換，始終維持系統(tǒng)氣流的平穩(wěn)流態(tài)。

4.4 控制特點(diǎn)及系統(tǒng)主要功能設(shè)置

綜上分析、比較，可見二元等值替換法是迄今最簡潔、最有效、最可靠的風(fēng)力送絲系統(tǒng)平衡方法。在這個(gè)基礎(chǔ)上，應(yīng)用現(xiàn)代智能化控制技術(shù)，進(jìn)一步提高其性能。

4.5 智能化控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)“供絲排隊(duì)”控制，有效降低能耗

卷煙機(jī)上料倉間隔接納（約25秒）風(fēng)送過來的煙絲，下倉連續(xù)不斷地向卷煙機(jī)提供所需的煙絲。實(shí)際觀測：在12臺卷煙機(jī)構(gòu)成的供絲系統(tǒng)中，處于供絲狀態(tài)的5—7臺，并且在這些供絲狀態(tài)的機(jī)臺中，其開始供絲的時(shí)間有先后之分。既然同時(shí)要絲屬小概率事件，且處于供絲狀態(tài)的機(jī)組又有先后之別，則進(jìn)行“供絲排隊(duì)”的可調(diào)節(jié)時(shí)間≥30秒。因此，通過智能化控制系統(tǒng)，對上倉間隔接納煙絲的時(shí)刻，下倉煙絲料位的高度等進(jìn)行分析、計(jì)算，將風(fēng)機(jī)輸出功率按同時(shí)要絲的機(jī)臺數(shù)設(shè)置（7臺），按要絲的緩急順序進(jìn)行“供絲排隊(duì)”控制，可用2/3的風(fēng)機(jī)負(fù)荷支持系統(tǒng)的正常工作，實(shí)現(xiàn)“小馬拉大車”，降低風(fēng)機(jī)能耗20%以上。

4.6 工程應(yīng)用情況

集束管型風(fēng)力送絲系統(tǒng)：某卷煙廠共有27臺卷煙機(jī)組，由3個(gè)“集束管”風(fēng)力送絲系統(tǒng)供給煙絲。改造前風(fēng)速波動(dòng)大：Vmax= 35.5 m/s、Vmin= 11.6 m/s，絲管經(jīng)常堵塞，有一臺主風(fēng)機(jī)還存在嚴(yán)重的喘振現(xiàn)象。應(yīng)用等量替代風(fēng)力送絲平衡系統(tǒng)改造后，送絲風(fēng)速穩(wěn)定在21 m/s±1 m/s（各片區(qū)有所差異），杜絕了煙絲堵塞現(xiàn)象，風(fēng)機(jī)喘振消失。

樹枝管型風(fēng)力送絲系統(tǒng)：某卷煙廠共有32臺卷煙機(jī)組，由3個(gè)“樹枝管”風(fēng)力送絲系統(tǒng)供給煙絲。改造前風(fēng)速波動(dòng)劇烈，Vmax=37.5m/s，Vmin=16.1 m/s，絲管時(shí)有堵塞，有一臺主風(fēng)機(jī)存在喘振現(xiàn)象。應(yīng)用等量替代風(fēng)力送絲平衡系統(tǒng)改造后，送絲風(fēng)速穩(wěn)定在23 m/s±1 m/s（各片區(qū)有所差異），杜絕了煙絲堵塞現(xiàn)象，風(fēng)機(jī)喘振消失。減少了煙絲造碎及煙絲水分和香氣的散失，提高了煙絲輸送質(zhì)量，產(chǎn)品品質(zhì)得到了有效提升。對改造前后送達(dá)卷煙機(jī)的煙絲進(jìn)行對比分析，煙絲長絲率平均提高0.03%、整絲率平均提高1.19%、含末率平均降低0.35%，水分平均減少0.08%。

4.7 應(yīng)用效果評價(jià)

二元等值替代法用于風(fēng)力送絲系統(tǒng)的確是一種簡潔、可靠、有效的實(shí)用方法。及的控制精度和響應(yīng)時(shí)間在工程應(yīng)用中已有較高滿意度；應(yīng)用智能化控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)“供絲排隊(duì)”有效降低能耗；系統(tǒng)以設(shè)定的最佳風(fēng)速平穩(wěn)運(yùn)行，邏輯上對減少煙絲造碎、水分及香氣損失，較好保持煙絲結(jié)構(gòu)都有正面貢獻(xiàn)。但其量化結(jié)果有待權(quán)威部門測定；部份卷煙機(jī)煙絲落料倉存在漏風(fēng)現(xiàn)象，是導(dǎo)致各絲管間風(fēng)速差異的主因之一，要盡可能消除；送絲機(jī)的送絲方式及料位與絲管吸口間的高度，對送絲風(fēng)速有較大影響，應(yīng)予充分重視。