HDT氣流烘絲機(jī)工藝氣體載水量自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

陳 然，林利明，陳振業(yè)，洪凱強(qiáng)，洪貴鑫，成少鋒，劉 欣，陳榮峰，伍穎翔，劉灼成

廣東中煙工業(yè)有限責(zé)任公司廣州卷煙廠，廣州市荔灣區(qū)環(huán)翠南路88號(hào) 510000

HDT氣流烘絲機(jī)是德國(guó)HAUNI公司生產(chǎn)的煙絲干燥設(shè)備，工作時(shí)的工藝氣體溫度為150～250℃［1］，主要通過氣流對(duì)物料進(jìn)行輸送和干燥［2］，并由溫度控制器和含水率控制器調(diào)節(jié)燃燒爐功率，進(jìn)而調(diào)節(jié)工藝氣體溫度，最終影響出口煙絲的溫度、含水率（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）以及填充值等物理指標(biāo)［3-4］。HDT氣流烘絲機(jī)具有干燥效率高、加工強(qiáng)度大等特點(diǎn)［5］，可以有效減少煙絲雜氣、降低煙氣刺激性并提高煙絲填充值［6］。近年來針對(duì)煙絲干燥設(shè)備的出口含水率和工藝氣體溫度的穩(wěn)定性已開展了大量研究。林天勤［7］對(duì)燃油管道式烘絲機(jī)（HXD）的燃燒爐柴油管路系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)助燃空氣風(fēng)量的自動(dòng)調(diào)節(jié)，解決了燃燒爐溫度控制精度低、故障率高、耗油量大等問題；陳飛云［8］通過定期校對(duì)和調(diào)整定量喂料裝置，提高了SH9611型氣流烘絲機(jī)入口煙絲流量的穩(wěn)定性，進(jìn)而提高了出口煙絲含水率的控制精度；孫成順等［9］基于恒脫水量烘絲模式對(duì)HDT烘絲機(jī)進(jìn)行改進(jìn)，提高了烘后煙絲含水率以及工藝熱風(fēng)溫度的穩(wěn)定性。研究發(fā)現(xiàn)，載水量（質(zhì)量流量，下同）對(duì)工藝氣體熱焓值和除水能力影響顯著，維持載水量恒定可以有效提高煙絲填充值的穩(wěn)定性［10-11］。然而實(shí)際生產(chǎn)中一般根據(jù)經(jīng)驗(yàn)將控制排潮氣體流量的排潮負(fù)壓設(shè)置為固定值，無法起到實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)工藝氣體載水量的作用。為此，基于HDT氣流烘絲機(jī)設(shè)計(jì)了一種工藝氣體載水量自動(dòng)控制系統(tǒng)，以期實(shí)現(xiàn)載水量的精確控制，提升出口煙絲物理指標(biāo)的穩(wěn)定性。

1 問題分析

1.1 工作原理

圖1 HDT氣流烘絲機(jī)工作原理示意圖Fig.1 Working principle of HDT pneumatic tobacco dryer

HDT氣流烘絲機(jī)主要由工藝氣體循環(huán)系統(tǒng)、排潮系統(tǒng)、煙絲流量控制系統(tǒng)三大部分組成。由圖1可見，煙絲經(jīng)過電子皮帶秤形成流量可控的物料流后進(jìn)入增溫增濕裝置，在蒸汽的作用下膨脹并獲得較高的溫度和含水率；膨脹后煙絲在高溫工藝氣體的作用下進(jìn)入膨脹干燥管路并與高溫工藝氣體充分混合，使得煙絲細(xì)胞內(nèi)的水分因高強(qiáng)度的對(duì)流傳熱而迅速汽化和蒸發(fā)，煙絲在1～2 s內(nèi)快速脫水膨脹定型［12］，由此獲得較高的填充值；脫水后煙絲經(jīng)旋風(fēng)落料器冷卻定型后從出料氣鎖下落至出料振槽并被輸送至下一工序。①工藝氣體循環(huán)系統(tǒng)：工藝氣體經(jīng)旋風(fēng)落料器與煙絲分離，通過回風(fēng)管道被輸送至燃燒爐，經(jīng)熱交換器加熱后形成新的高溫工藝氣體完成氣體循環(huán)，避免了熱量浪費(fèi)；燃燒爐使用的天然氣流量恒定［9］，即HDT氣流烘絲機(jī)的脫水能力恒定。②排潮系統(tǒng)：生產(chǎn)時(shí)需要在增溫增濕裝置中定量施加補(bǔ)償蒸汽，補(bǔ)償蒸汽既可對(duì)煙絲進(jìn)行膨脹和增溫增濕，也可降低工藝氣體的氧含量，防止高溫干燥過程中煙絲發(fā)生燃燒；施加補(bǔ)償蒸汽和煙絲脫水均會(huì)增加工藝氣體載水量，因此需要通過排潮風(fēng)機(jī)將部分工藝氣體排出以保持載水量恒定。③煙絲流量控制系統(tǒng)：由于HDT氣流烘絲機(jī)脫水能力恒定，為保持出口含水率在設(shè)定范圍內(nèi)，需要根據(jù)入口含水率的變化實(shí)時(shí)調(diào)整電子皮帶秤的煙絲流量；入口含水率增加，則降低輸送帶速度以減小煙絲流量，反之則增大煙絲流量，確保煙絲脫水量與烘絲機(jī)脫水能力相匹配。此外，烘絲機(jī)中設(shè)置有壓差傳感器（PDT）、溫度傳感器（TT）、壓力傳感器（PT）和氧含量傳感器（OT），用于檢測(cè)工藝氣體溫度并計(jì)算工藝氣體的質(zhì)量流量、載水量等參數(shù)；設(shè)置的在線水分儀（MT）用于檢測(cè)煙絲含水率。

1.2 存在問題

分析可見，影響工藝氣體載水量的主要因素有煙絲干燥過程的脫水量、補(bǔ)償蒸汽含水量以及排潮氣體流量。其中，煙絲干燥過程脫水量和補(bǔ)償蒸汽含水量為不可控變量，需要通過調(diào)節(jié)排潮氣體流量使載水量保持恒定。生產(chǎn)中通常根據(jù)經(jīng)驗(yàn)將控制排潮氣體流量的排潮負(fù)壓設(shè)置為固定值（如廣州卷煙廠一般將排潮負(fù)壓設(shè)為-800 Pa，此時(shí)排潮風(fēng)門開度約為25%），無法實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)工藝氣體載水量，因此影響煙絲填充值的穩(wěn)定性。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 控制原理

為使工藝氣體載水量保持穩(wěn)定，在HDT氣流烘絲機(jī)中設(shè)計(jì)并增加了工藝氣體載水量自動(dòng)控制系統(tǒng)，其控制原理見圖2。設(shè)備啟動(dòng)并開始投料后，排潮風(fēng)門開度設(shè)置為25%，每隔5 min系統(tǒng)通過PLC采集一次工藝氣體溫度（TT1測(cè)量值）、工藝氣體壓力（PT1測(cè)量值）、文丘里管1的壓差（PDT1測(cè)量值）以及工藝氣體氧含量（OT測(cè)量值）等數(shù)據(jù)，并根據(jù)采集的數(shù)據(jù)計(jì)算工藝氣體實(shí)際載水量。若實(shí)際載水量超出設(shè)定值±2%，則PLC控制排潮風(fēng)門開度增大或減小1百分點(diǎn)，直至實(shí)際載水量處于設(shè)定范圍內(nèi)。當(dāng)排潮風(fēng)門開度超出設(shè)定值20%～30%時(shí)，人機(jī)界面（Human Machine Interface，HMI）顯示報(bào)警信號(hào)，由人工根據(jù)實(shí)際工況判斷設(shè)備運(yùn)行是否正常，如有異常則退出自動(dòng)控制系統(tǒng)，由人工對(duì)排潮風(fēng)門進(jìn)行控制。

圖2 工藝氣體載水量自動(dòng)控制系統(tǒng)工作流程圖Fig.2 Control flow of automatic control system for watercontent of processing gas

2.2 載水量設(shè)定值的確定

統(tǒng)計(jì)2020年1—10月廣州卷煙廠“雙喜（蓮香）”牌卷煙膨脹梗絲生產(chǎn)數(shù)據(jù)，繪制工藝氣體載水量-梗絲填充值散點(diǎn)圖，并按照1 000 kg/h的載水量對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分段后計(jì)算梗絲填充值的平均值，見圖3?？梢?，梗絲填充值隨工藝氣體載水量的增加先上升后下降，當(dāng)工藝氣體載水量為39 500～40 500 kg/h時(shí)，梗絲平均填充值達(dá)到最大值6.81 cm3/g。因此，選擇40 000 kg/h作為載水量設(shè)定值，即工藝氣體載水量應(yīng)控制在39 200～40 800 kg/h范圍內(nèi)。

圖3 工藝氣體載水量與梗絲填充值的關(guān)系Fig.3 Relationship between water content of processing gas and filling value of cut stem

2.3 工藝氣體載水量計(jì)算

工藝氣體的主要成分為氧氣（O2）、氮?dú)猓∟2）和水（H2O），假設(shè)氧氣的體積占比為Y，則氮?dú)夂退睦碚撜急纫姳?。

表1 工藝氣體中各成分占比理論值Tab.1 Theoretical value of proportion of each component in processing gas

由表1數(shù)據(jù)可得工藝氣體含水率為：

式中：Pw為工藝氣體含水率，%；M1為工藝氣體摩爾質(zhì)量，g/mol。

根據(jù)圖1中文丘里1-工藝氣體檢測(cè)系統(tǒng)的溫度傳感器、壓力傳感器測(cè)量值以及標(biāo)準(zhǔn)條件下的空氣密度，可以計(jì)算HDT烘絲機(jī)中特定溫度和壓力下的工藝氣體密度：

式中：D為工藝氣體密度，kg/m3；D0為自然空氣在工藝氣體壓力、溫度條件下的密度，kg/m3；P為工藝氣體壓力（PT1測(cè)量值），Pa；T為工藝氣體溫度（TT1測(cè)量值），℃；M0為自然空氣的摩爾質(zhì)量，g/mol。

根據(jù)文丘里管氣體質(zhì)量流量計(jì)算公式［13］可以計(jì)算工藝氣體流量（質(zhì)量流量，下同）及載水量：

式中：F為工藝氣體流量，kg/h；β為文丘里管直徑比；d為文丘里管直徑，m；ΔP為文丘里管壓差（PDT1測(cè)量值），Pa；C為流量系數(shù)，工藝氣體取0.98；Fw為工藝氣體載水量，kg/h。

以廣州卷煙廠使用的HDT烘絲機(jī)為例，文丘里管固有參數(shù)為直徑比β=0.581 7，直徑d=0.641 0 m，某一時(shí)刻測(cè)得的工藝氣體參數(shù)（氧氣含量Y=0.026 9、壓力P=104 865.718 2 Pa、溫度T=160.561 5℃）及文丘里管壓差ΔP=1 331.125 8 Pa，代入公式（1）～（3）計(jì)算可得：工藝氣體含水率、質(zhì)量流量、載水量分別為81.76%、45 408.685 8 kg/h、37 124.325 6 kg/h。

2.4 人機(jī)界面優(yōu)化

如圖4所示，在HMI人機(jī)界面增加工藝氣體載水量顯示模塊，可以在生產(chǎn)中實(shí)時(shí)觀察工藝氣體載水量的波動(dòng)情況，并在出現(xiàn)異常報(bào)警時(shí)及時(shí)干預(yù)。

3 應(yīng)用效果

3.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

材料：“雙喜（蓮香）”牌卷煙膨脹梗絲，入口含水率為36.5%±1.0%（廣東中煙工業(yè)有限責(zé)任公司廣州卷煙廠）。

設(shè)備與儀器：HDT-FX型氣流烘絲機(jī)、BWE型電子皮帶秤（精度0.01 kg）（德國(guó)HAUNI公司）；TST40N型溫度傳感器（精度0.1℃，德國(guó)E+H公司）；TM710型水分儀（精度0.1%，美國(guó)NDC公司）；OXITEC型氧含量檢測(cè)裝置（精度0.01%，德國(guó)ENOTEC公司）；DD60SAB型膨脹梗絲填充值測(cè)定儀［精度0.01 cm3/g，博瓦特-凱希（中國(guó)）有限公司］。

圖4 HMI人機(jī)界面Fig.4 HMI human machine interface

方法：HDT-FX型氣流烘絲機(jī)每天連續(xù)運(yùn)行5 h，梗絲物料流量為（5 500±500）kg/h，出口含水率設(shè)為12.5%±0.5%。分別采集氣流烘絲機(jī)改進(jìn)前后工藝氣體溫度、載水量以及出口含水率等數(shù)據(jù)，采用DD60SAB型膨脹梗絲填充值測(cè)定儀測(cè)量梗絲填充值（設(shè)備啟動(dòng)30 min后開始取樣，每天取5組樣品，取樣間隔1 h，每組樣品設(shè)置3個(gè)平行樣）。統(tǒng)計(jì)時(shí)間為3 d，取平均值。

3.2 數(shù)據(jù)分析

由表2可知，增加載水量自動(dòng)控制系統(tǒng)后，工藝氣體載水量SD值由377.1 kg/h下降至183.4 kg/h（下降51.37%），溫度SD值由1.41℃下降至1.02℃（下降27.66%），出口梗絲含水率SD值由0.15%下降至0.13%（下降13.33%），梗絲填充值SD值由0.184 cm3/g下降至0.116 cm3/g（下降36.96%）；工藝氣體載水量由41 310.8 kg/h下降至40 082.6 kg/h，梗絲填充值由6.69 cm3/g提升至6.83 cm3/g。表明載水量自動(dòng)控制系統(tǒng)可以有效提升工藝氣體載水量、溫度以及出口梗絲含水率和填充值的穩(wěn)定性。

表2 載水量自動(dòng)控制系統(tǒng)應(yīng)用前后HDT氣流烘絲機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)①Tab.2 Operation data of HDT pneumatic tobacco dryer before and after application of automatic water content control system

4 結(jié)論

基于HDT氣流烘絲機(jī)工藝氣體載水量的設(shè)定值和理論計(jì)算值，設(shè)計(jì)了一種工藝氣體載水量自動(dòng)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了載水量的定量和穩(wěn)定控制。以廣州卷煙廠生產(chǎn)“雙喜（蓮香）”牌卷煙所使用的膨脹梗絲為對(duì)象進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果表明：采用工藝氣體載水量自動(dòng)控制系統(tǒng)后，工藝氣體載水量和溫度SD值分別下降51.37%和27.66%，出口梗絲含水率和填充值SD值分別下降13.33%和36.96%，梗絲填充值由6.69 cm3/g提升至6.83 cm3/g，有效改善了干燥后梗絲質(zhì)量。