卷煙企業(yè)除塵系統(tǒng)節(jié)能優(yōu)化

沈丁洋，黃曉華，郭輝，張弛，任冠峰

1 紅云紅河煙草（集團）有限責(zé)任公司昆明卷煙廠，云南省昆明市五華區(qū)紅錦路366號 650231；2 山西樂普節(jié)能科技有限公司，太原市杏花嶺區(qū)坡子街28號 030009

卷煙企業(yè)除塵系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于制絲生產(chǎn)線和卷煙機組，主要用于生產(chǎn)設(shè)備除塵和抽取生產(chǎn)線剔除的雜物。系統(tǒng)由除塵風(fēng)機、除塵設(shè)備、風(fēng)管、風(fēng)閥、除塵除雜風(fēng)口等組成，除塵吸風(fēng)口與除雜吸風(fēng)口統(tǒng)稱為吸風(fēng)口。除塵風(fēng)機是煙草生產(chǎn)企業(yè)的主要耗能設(shè)備之一[1]，除塵系統(tǒng)普遍存在吸風(fēng)口多、分布散等情況。

除塵系統(tǒng)一般是按照最大生產(chǎn)負(fù)荷或最惡劣工況環(huán)境設(shè)計的。在大部分運行時間中，除塵風(fēng)機系統(tǒng)都處于“大馬拉小車”的狀態(tài)，其電能損耗相當(dāng)嚴(yán)重[2]，且吸風(fēng)口沒有和生產(chǎn)設(shè)備相關(guān)聯(lián)，普遍存在著風(fēng)力浪費。因此，卷煙企業(yè)除塵系統(tǒng)具有較大的節(jié)能空間，對系統(tǒng)進行優(yōu)化改進確有必要。

1 存在的問題

1.1 除塵點工作不同步

通常一套除塵風(fēng)機系統(tǒng)帶動多個除塵除雜點，分布在生產(chǎn)線不同環(huán)節(jié)（圖1）。實際生產(chǎn)中，不同制絲生產(chǎn)線或同一生產(chǎn)線前后段并不是一直同時運行的，生產(chǎn)設(shè)備存在著交替運行的情況，甚至還存在一些設(shè)備長時間不運行的情況。這樣就會出現(xiàn)部分生產(chǎn)線不生產(chǎn)時，其除塵點吸風(fēng)口仍然提供吸風(fēng)，導(dǎo)致除塵系統(tǒng)風(fēng)量浪費；當(dāng)生產(chǎn)負(fù)荷不飽和時，該情況就更加明顯。

圖1 制絲線除塵系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Diagram of dust collection system for tobacco primary product line

1.2 吸風(fēng)口和電機無法實時控制

傳統(tǒng)的除塵控制僅通過風(fēng)管手動風(fēng)閥開關(guān)來實現(xiàn)，風(fēng)機的控制系統(tǒng)一般采用軟啟動器或變頻器，但不具備自動跟蹤負(fù)載，自動在線調(diào)整電機參數(shù)降低功耗的功能，風(fēng)機運行頻率無調(diào)整，以恒定風(fēng)量應(yīng)對不同的生產(chǎn)負(fù)荷。正常生產(chǎn)中，現(xiàn)場風(fēng)力控制沒有與其對應(yīng)設(shè)備運行狀態(tài)緊密結(jié)合，導(dǎo)致風(fēng)機輸出被一些不運行的除塵點所浪費。此外，若采取人工對現(xiàn)場風(fēng)閥進行調(diào)整，由于閥門量大且分布散，且需要對電機頻率進行調(diào)整，通常風(fēng)機電控間離現(xiàn)場較遠(yuǎn)，調(diào)整耗時較長，可操作性不強。

2 改進措施

2.1 吸風(fēng)口自動控制

按照同時運行的吸風(fēng)口劃分為一個工作組，將除塵系統(tǒng)下所有吸風(fēng)口歸為n組。對于長期運行的吸風(fēng)口作為常開點處理，對每組吸風(fēng)口設(shè)置電動閥，由PLC控制。閥門控制系統(tǒng)依據(jù)生產(chǎn)設(shè)備運行信號（現(xiàn)場設(shè)備運行控制箱運行指示燈）控制閥門的開關(guān)，同時將電動閥的開關(guān)信號反饋到主控制器，由此建立現(xiàn)場負(fù)荷和主控制器之間的信號鏈。

2.2 電機驅(qū)動控制

常規(guī)變頻器無法克服頻繁調(diào)頻以及長時間電機低頻運行導(dǎo)致電機發(fā)熱的問題，節(jié)能控制系統(tǒng)采用智能電機控制器SPS（Smart Power System）。根據(jù)電流電壓特征曲線，SPS控制器實時追蹤負(fù)載變化，迅速跟蹤電機最佳運行點，實時調(diào)整電動機的輸入電壓，使電機始終運行在最佳運行節(jié)能點[1]。經(jīng)驗證，SPS控制器整定速度可達200V/10ms，負(fù)載變化跟隨迅速，滿足節(jié)能控制系統(tǒng)電機頻率調(diào)節(jié)需求。

2.3 風(fēng)力調(diào)整模型建立

2.3.1 負(fù)壓閉環(huán)控制

根據(jù)輸氣管道的流量公式（1），在管網(wǎng)結(jié)構(gòu)不變的情況下，氣體流量qm主要由起點壓力PQ和終點壓力PZ所決定[3]。除塵主管負(fù)壓維持不變，即可控制各吸風(fēng)口風(fēng)力不變。對于部分風(fēng)力不足的工況，適當(dāng)減小主管負(fù)壓值PZ。

以負(fù)壓為主控制參數(shù)，構(gòu)建典型的閉環(huán)控制（圖2）[4]。系統(tǒng)根據(jù)生產(chǎn)工況，判斷合理負(fù)壓輸出值，用以修正電機運行頻率。負(fù)壓控制時可以隨時調(diào)整閥門開度、開啟或關(guān)閉某一風(fēng)閥，而不影響其它吸風(fēng)口風(fēng)力，減少除雜量對風(fēng)力的影響，還可減少除塵點漏風(fēng)對系統(tǒng)的影響，風(fēng)力控制精度較高。

圖2 負(fù)壓閉環(huán)控制圖Fig.2 Diagram of negative pressure closed loop control

2.3.2 分級風(fēng)力控制

通常主風(fēng)管安裝壓力變送器的位置較高，巡檢不方便，故壓力變送器一般采取定期維護方式。由于除塵管道輸送灰塵以及制絲生產(chǎn)線剔除的雜物，壓力變送器運行環(huán)境較差，容易出現(xiàn)數(shù)據(jù)失真（數(shù)值不變、飄移等）情況。為此，分級控制作為閉環(huán)系統(tǒng)控制補充，提高設(shè)備運行可靠性。實現(xiàn)方法如下：

（1）將可控的吸風(fēng)口全部關(guān)閉，在保障常開風(fēng)口正常運行時，確定電機基礎(chǔ)運行頻率f0，該頻率不低于電機本身要求的最低運行頻率，若低于則以電機最低運行頻率為f0。

（2）全開或關(guān)閉不同分組中的風(fēng)閥，參照主風(fēng)管負(fù)壓值，節(jié)能模式下風(fēng)速不低于原風(fēng)速，確定對應(yīng)的電機基本運行頻率fi=(i=1，2，…n)。

（3）在滿足生產(chǎn)工藝需求的情況下，在（1）和（2）的基礎(chǔ)上，確定每組吸風(fēng)口開關(guān)對應(yīng)電機變化頻率 Δfi。

（4）選取分組吸風(fēng)口對應(yīng)生產(chǎn)設(shè)備運行信號ki(運行為1，停止為0），電機節(jié)電運行頻率為：

（5）f最大值為50Hz。對于部分除塵系統(tǒng)存在風(fēng)力不足情況，考慮除塵器風(fēng)阻變化，會出現(xiàn)計算出的f超過50Hz情況，此情況電機按照50Hz運行。

此系統(tǒng)按照離散方式分級控制風(fēng)力，維持電機基本運行頻率，提供生產(chǎn)現(xiàn)場所需風(fēng)力，保障除塵系統(tǒng)正常運行，分級運行頻率略大于壓力變送器正常時的運行頻率。

2.4 節(jié)能控制系統(tǒng)的搭建

除塵節(jié)能控制系統(tǒng)以負(fù)壓閉環(huán)控制為主，以分級風(fēng)力控制為輔，除塵節(jié)能控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖3。系統(tǒng)正常運行時，依據(jù)主管負(fù)壓調(diào)整電機頻率，若電機頻率超出事先的基準(zhǔn)頻率的10%（可設(shè)），或者電機已經(jīng)滿負(fù)荷50 Hz運行，系統(tǒng)計算出仍然需要增加頻率運行，且連續(xù)累計時間達到規(guī)定時間（可設(shè)1 h），系統(tǒng)判斷為負(fù)壓傳感器失效，按照分級控制方式運行。

節(jié)能控制系統(tǒng)主要由主控制系統(tǒng)、電機節(jié)能控制器、閥門控制器及電動閥、壓力變送器等組成。節(jié)能控制系統(tǒng)檢測每組吸風(fēng)口對應(yīng)的生產(chǎn)制絲線的運行狀態(tài)信號，閥門控制器根據(jù)生產(chǎn)運行信號及時管控各組吸風(fēng)口，并將閥門控制狀態(tài)信號反饋給節(jié)能控制系統(tǒng)，系統(tǒng)依據(jù)生產(chǎn)信息、閥門開關(guān)信號、主管負(fù)壓、除塵器運行時間等信息，得出電機合理運行頻率，由節(jié)能控制器調(diào)整電機輸入電壓和電流，實現(xiàn)自動控制電機運行頻率。

圖3 節(jié)能控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Diagram of energy-saving control system

2.5 延時功能的實現(xiàn)

制絲設(shè)備運行狀態(tài)指示燈有常亮、常滅、閃爍三種狀態(tài)。設(shè)備運行時指示燈常亮，設(shè)備停止時指示燈常滅或閃爍，閥門控制系統(tǒng)通過通電延時時間繼電器（硬件或軟件）過濾掉閃爍信號，并通過斷電延時時間繼電器（硬件或軟件）實現(xiàn)閥門延時關(guān)閉。

一般制絲生產(chǎn)線設(shè)備開始運行后，物料生產(chǎn)有個延遲過程，所以設(shè)置電動閥，延時30 s開啟，避免設(shè)備啟動時的抖動。生產(chǎn)線停止時，電動閥延遲5 min關(guān)閉，一是過濾生產(chǎn)線頻繁啟停對電機頻率調(diào)節(jié)的影響，二是對現(xiàn)場環(huán)境進行空氣置換。對于現(xiàn)場人工手動操作電動閥，系統(tǒng)采取即刻執(zhí)行，不設(shè)延時。

3 實施效果

以昆明卷煙廠制絲車間的除塵系統(tǒng)9149、9150、9151、9152和梗線系統(tǒng)9102為實施對象，每個除塵系統(tǒng)由1臺離心式風(fēng)機作為風(fēng)力供給和除塵的動力源。梗線系統(tǒng)9102采用軟啟動器驅(qū)動，除塵系統(tǒng)9149、9150、9151、9152采用變頻器驅(qū)動。系統(tǒng)正常工況下為定頻運行，依靠調(diào)整各除塵點的手動閥門控制吸風(fēng)口的風(fēng)量。

除塵系統(tǒng)改造采取冗余設(shè)計思路，新建的節(jié)能控制系統(tǒng)并入原控制系統(tǒng)，將原來的驅(qū)動裝置作為風(fēng)機運行的旁路。提取原集控系統(tǒng)的風(fēng)機驅(qū)動裝置的啟停信號作為SPS控制器的啟停信號，并把SPS控制器的運行狀態(tài)信號及故障信號反饋到原集控系統(tǒng)，風(fēng)機操作方式維持不變，可以通過原集控系統(tǒng)監(jiān)控風(fēng)機的運行狀態(tài)。整個系統(tǒng)改造于2017年8月完成調(diào)試運行。

3.1 節(jié)能效果

選取生產(chǎn)任務(wù)相對飽和且連續(xù)生產(chǎn)作業(yè)的兩個時段，分別對原系統(tǒng)和節(jié)能控制系統(tǒng)模式進行耗能統(tǒng)計對比（表1）。表1表明，改進后的除塵節(jié)能控制系統(tǒng)平均綜合節(jié)電率達到46.69%。

表1 平均每小時耗電量Tab.1 Average power consumption per hour kWh/h

電機平均綜合有功節(jié)電率：

3.2 電機功率因數(shù)

對原系統(tǒng)工況和節(jié)能控制系統(tǒng)工況電機功率因數(shù)對比測試（表2），節(jié)能控制系統(tǒng)功率因數(shù)都達到0.98以上，平均提高了0.16。

同時，在兩種系統(tǒng)模式下，待電機連續(xù)運行8 h后，選取電機表面固定4個分布點測量電機表面溫度（表3）。表3表明，電機在節(jié)能模式下平均溫度比原系統(tǒng)時有明顯下降，功率越大的電機降溫越明顯，最高降溫達到6℃，最低降溫1.6℃，整體電機表面平均溫度可降低4.5℃。證明節(jié)能控制系統(tǒng)電機功率因數(shù)提高后，電機的銅損耗、鐵損耗大幅度降低，電機發(fā)熱量顯著減少，有利于延長電機的使用壽命。

表2 電機功率因數(shù)Tab.2 Motor power factor

表3 電機表面平均溫度Tab.3 Average surface temperature of motor ℃

3.3 除塵效果驗證

統(tǒng)計2016年1月至2018年5月制絲除塵房煙土壓棒重量以及對應(yīng)的煙絲產(chǎn)量，得出灰棒煙絲比指標(biāo)(灰棒煙絲比=煙土壓棒重量/煙絲產(chǎn)量),以之分析節(jié)能控制系統(tǒng)對除塵效果的影響（圖4）。圖4表明，2017年8月節(jié)能控制系統(tǒng)運行后，灰棒煙絲比略微增加，證明除塵量有所增加，除塵節(jié)能控制系統(tǒng)改善了制絲線的除塵效果。這主要與節(jié)能控制系統(tǒng)對各吸風(fēng)口進行風(fēng)力分配改善有關(guān)，例如除塵系統(tǒng)出現(xiàn)風(fēng)力節(jié)約的情況下，適當(dāng)增加了箱體吹掃和除塵風(fēng)速，提高了除灰效果。

綜上，卷煙企業(yè)除塵節(jié)能控制系統(tǒng)將現(xiàn)場風(fēng)力控制與電機控制緊密結(jié)合，及時管控現(xiàn)場風(fēng)力和合理調(diào)整現(xiàn)場各系統(tǒng)口風(fēng)力的大小，控制電機合理運行頻率，調(diào)整電機經(jīng)濟運行的電壓及電流，平均綜合節(jié)電率達到了46.69%。電機功率因數(shù)得到顯著提升，電機表面溫度明顯下降，并且除塵效果在維持原水平基礎(chǔ)上略有提高。

圖4 灰棒煙絲比圖Fig.4 Diagram of tobacco ash ratio