隆智輝,陳衛(wèi)民,袁國安

(1.貴州中煙工業(yè)有限責(zé)任公司 技術(shù)中心,貴州 貴陽,550009; 2.衡陽三力高科技開發(fā)公司,湖南 衡陽,421001)

卷煙廠風(fēng)力送絲系統(tǒng)是連接制絲線與卷包生產(chǎn)的重要紐帶,由于其設(shè)置靈活、不揚塵及管理方便等優(yōu)點[1],逐漸成為國內(nèi)外卷煙廠的主要送絲方式。卷接機(jī)組吸絲的間斷性和隨機(jī)性導(dǎo)致送絲管的風(fēng)速變化很大,并且風(fēng)速的變化幅度超過了設(shè)計范圍,因此引起卷煙廠風(fēng)送系統(tǒng)的不穩(wěn)定。送絲管的輸送風(fēng)速直接影響了煙絲的質(zhì)量[2],這時,需要給系統(tǒng)補進(jìn)一定的風(fēng)量以保證風(fēng)速維持在某一個值或某一范圍,同時防止風(fēng)機(jī)喘振。

1 補風(fēng)原理

最不利環(huán)路所有串聯(lián)管段阻力(包括設(shè)備阻力)之和,即為管網(wǎng)系統(tǒng)的總阻力 ΔP。根據(jù)流體力學(xué)理論,管網(wǎng)阻力特性曲線方程為[3]

式中:S為管網(wǎng)阻抗(kg/m7); Q為管網(wǎng)總風(fēng)流量(m3/s)。

管段i:

串聯(lián)管路:

并聯(lián)管路:

式(2)中:di為計算管段直徑; λ為計算管段摩擦阻力系數(shù); ξ為局部阻力系數(shù); ρ為流體的密度。式(2)～(4)表明,管網(wǎng)中任一管段有關(guān)參數(shù)變化,都將引起整個管網(wǎng)特性曲線的變化,從而改變管網(wǎng)總流量和管段的流量分配。管網(wǎng)設(shè)計時若不做好阻力平衡,完全依靠閥門調(diào)節(jié)流量的做法難以滿足要求[4]。

當(dāng)風(fēng)力送絲系統(tǒng)中某一臺或者多臺機(jī)組不吸絲時,原有的系統(tǒng)阻抗S隨之改變,因此,管網(wǎng)特性曲線也隨之改變(圖1)。圖1中,橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)分別為流量和壓頭; 曲線I和II為管網(wǎng)曲線; 曲線n1和n2分別為不同轉(zhuǎn)速下風(fēng)機(jī)特性曲線。 風(fēng)機(jī)特性曲線與管網(wǎng)特性曲線的交點A,B,C,D為風(fēng)機(jī)運行的工況點。

由圖1可知,離心風(fēng)機(jī)頻率不變,當(dāng)系統(tǒng)某些機(jī)組不工作時,系統(tǒng)自動將其所對應(yīng)的風(fēng)量分配到其他的機(jī)組上,從而引起其他機(jī)組的風(fēng)量增大。此時,通過變頻器調(diào)節(jié)改變風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速,由曲線n1變?yōu)閚2,調(diào)節(jié)系統(tǒng)總風(fēng)量從而維持系統(tǒng)穩(wěn)定。另一方面,在風(fēng)機(jī)不超過最高允許轉(zhuǎn)速和電機(jī)不過載2個條件下,到達(dá)變頻調(diào)節(jié)的極限時,如果仍不能滿足系統(tǒng)所需要的風(fēng)量,應(yīng)采用補風(fēng)措施。

根據(jù)相似律可知,當(dāng)改變風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n時,其效率基本不變,但其流量、壓頭及功率均按下式改變,

圖1 變工況分析

根據(jù)電工學(xué)知識,異步電機(jī)的理論轉(zhuǎn)速n(r/min)為

式中:f為交流電頻率(Hz); P為電機(jī)磁極對數(shù); s為電機(jī)轉(zhuǎn)差率,該值很小,一般異步電機(jī)在0～0.1之間。

2 補風(fēng)技術(shù)

為實現(xiàn)送絲系統(tǒng)穩(wěn)定,目前采用的補風(fēng)技術(shù)主要有主管補風(fēng)和旁路定風(fēng)量補風(fēng)2種模式[5]。

主管尾部補風(fēng)模式采用集中補風(fēng)方式(圖2),其系統(tǒng)設(shè)計相對簡單,且投資小,但由于系統(tǒng)管路較長,使得電動調(diào)節(jié)閥具有一定的滯后,從而影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

圖2 主管尾部補風(fēng)模式

圖3 旁路定風(fēng)量補風(fēng)模式

當(dāng)系統(tǒng)某一臺機(jī)組或多臺機(jī)組不吸絲時,系統(tǒng)自動將其所對應(yīng)的風(fēng)量隨機(jī)分配到其他機(jī)組中,導(dǎo)致其他機(jī)組的送絲風(fēng)速增大,同時也增大了系統(tǒng)的不穩(wěn)定性和總風(fēng)量的波動。

旁路定風(fēng)量補風(fēng)是在每臺卷煙機(jī)上均設(shè)置獨立的補風(fēng)裝置,并且將送絲回路和補風(fēng)回路的距離設(shè)置得較近(圖3)。因此,系統(tǒng)內(nèi)任意一臺機(jī)組的工作狀態(tài)可以在補風(fēng)和吸絲之間隨意切換,而不影響系統(tǒng)的總風(fēng)量,有利于提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。但是,由于其補風(fēng)時間占系統(tǒng)開啟時間較長,而機(jī)臺卻不工作,造成較大的能源浪費。

3 補風(fēng)量的確定

某卷煙廠風(fēng)力送絲系統(tǒng)共有6臺PT70卷接機(jī)組,每臺卷接機(jī)組所需要的除塵風(fēng)量為1 000 m3/h,管網(wǎng)漏風(fēng)率為10%,風(fēng)力送絲物料輸送風(fēng)速按16 m/s設(shè)計。根據(jù)管網(wǎng)布置形式(圖4)可以求得除塵系統(tǒng)總阻力為ΔP=1 650+1 200+500=3 350 Pa。

圖4 某卷煙廠除塵系統(tǒng)示意圖

圖5 風(fēng)機(jī)運行與管網(wǎng)匹配分析

此外,風(fēng)力送絲系統(tǒng)阻力損失還應(yīng)包括輸送料管沿程阻力損失(比摩阻為50 Pa/m,管長100 m)、輸送料管局部阻力損失(按沿程阻力損失50%計)、喂絲機(jī)阻力損失(300 Pa)及落料器阻力損失(800 Pa)。因此該風(fēng)力送絲系統(tǒng)總阻力ΔP=11 950 Pa,S=ΔP/Q2=3 555.4 kg/m7。

管網(wǎng)特性曲線ΔP=SQ2=3 555.4Q2?？紤]風(fēng)機(jī)安全系數(shù)為1.15,可得所需風(fēng)機(jī)壓頭P和風(fēng)量Q′分別為:P=13 742.5 Pa,Q′=7 590 m3/h。因此,選擇風(fēng)機(jī)型號為SB 80 II,風(fēng)量7 600 m3/h,全壓14 231 Pa,靜壓14 000 Pa,轉(zhuǎn)速2 980 rpm,電機(jī)功率45 kW,其特性曲線見圖5(曲線f=50 Hz)。

由于卷煙機(jī)吸絲的隨機(jī)性,6臺卷煙機(jī)工作情況并非一致,有可能出現(xiàn)某些機(jī)臺停止吸絲的現(xiàn)象。當(dāng)系統(tǒng)某一時刻出現(xiàn)有1臺卷煙機(jī)不吸絲時,其壓力損失最大的情況就是關(guān)閉機(jī)臺JZ3或者JZ4。根據(jù)流體力學(xué)理論可得其管網(wǎng)特性曲線(圖5曲線II)為ΔP=SQ2=4 151.5Q2,此時,風(fēng)機(jī)工作點為A(6 700,14 300),風(fēng)機(jī)工作所需要的風(fēng)量(6 700 m3/h)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于系統(tǒng)的風(fēng)量(5 500 m3/h),此時,可以通過調(diào)頻改變電機(jī)轉(zhuǎn)速防止風(fēng)機(jī)喘振,并節(jié)約能源。在圖5中,流量為5 500 m3/h處做垂線與曲線II交于點 B,由式(5)可以得到 n′=nQB/QA=41 Hz。

根據(jù)相似定律可得頻率等于41 Hz時風(fēng)機(jī)特性曲線(圖5,曲線f=41 Hz),同時可以得到B點坐標(biāo)為(5 500,9 720),9 720 Pa即為風(fēng)機(jī)壓力滿足系統(tǒng)所需最小壓力值。同理,可以得到不同數(shù)量的卷煙機(jī)同時工作所需要的最低頻率及風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速如表1所示。由表1可知,以滿足卷煙廠風(fēng)力送絲系統(tǒng)正常工作為前提,采用變頻器對風(fēng)機(jī)進(jìn)行調(diào)速的最低頻率應(yīng)不小于41 Hz,即風(fēng)機(jī)運行頻率的范圍為41～50 Hz。

由圖5可知,曲線Ⅳ與風(fēng)機(jī)特性曲線的最高點位置,即風(fēng)機(jī)變頻調(diào)節(jié)最多能滿足2臺停機(jī)運行的情況。當(dāng)卷煙廠只有3臺或3臺以下卷煙機(jī)工作時,為保證系統(tǒng)正常運行,需要補風(fēng)。補風(fēng)應(yīng)使點D,E,F轉(zhuǎn)移到C點右側(cè),系統(tǒng)補風(fēng)量按1臺卷煙機(jī)工作時進(jìn)行計算,可得Q補=5 000-11 00=3 900 m3/h。

表1 開啟不同數(shù)量機(jī)臺時管網(wǎng)壓力損失

由圖5可以看出,曲線Ⅳ與風(fēng)機(jī)特性曲線的最高點位置,即風(fēng)機(jī)變頻調(diào)節(jié)最多能滿足2臺停機(jī)運行的情況。當(dāng)卷煙廠只有 3臺或 3臺以下卷煙機(jī)工作時,為保證系統(tǒng)正常運行,需要補風(fēng)。補風(fēng)應(yīng)使點D,E,F轉(zhuǎn)移到C點右側(cè),系統(tǒng)補風(fēng)量按1臺卷煙機(jī)工作時進(jìn)行計算,可以得到Q補=5 000-11 00=3 900 m3/h。

對表1中項目6增加補風(fēng)管的管網(wǎng)進(jìn)行計算可得管網(wǎng)壓力損失ΔP=11 190 Pa,同時繪制出其特性曲線(圖6中曲線Ⅶ)。此時,曲線Ⅶ與 f=41 Hz交于點 F′,但是 F′不滿足最小風(fēng)壓要求。通過調(diào)節(jié)頻率使得風(fēng)機(jī)提供的負(fù)壓滿足系統(tǒng)要求,通過計算可得風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速和頻率分別為2 685 rpm和45 Hz,工作點為圖6中F″。F″坐標(biāo)為(5 100,11 650),風(fēng)量風(fēng)壓均滿足系統(tǒng)要求。當(dāng)該卷煙廠風(fēng)送系統(tǒng)開啟2～3臺卷煙機(jī)時,可通過補風(fēng)閥調(diào)節(jié)補風(fēng)量來調(diào)整系統(tǒng)風(fēng)量,以滿足生產(chǎn)要求。

圖6 變頻調(diào)節(jié)與管網(wǎng)匹配分析

4 結(jié)論

通過對風(fēng)力送絲系統(tǒng)特點分析,從風(fēng)力送絲系統(tǒng)風(fēng)力平衡角度出發(fā)介紹了風(fēng)力送絲系統(tǒng)補風(fēng)及其計算方法。為滿足不同工況運行的風(fēng)力平衡,提出了調(diào)頻結(jié)合主管補風(fēng)的方法對風(fēng)送系統(tǒng)進(jìn)行風(fēng)量風(fēng)壓調(diào)節(jié)。采用理論計算的方法計算了不同工況運行的最低頻率及需要補風(fēng)的情況,在此基礎(chǔ)上計算了風(fēng)送系統(tǒng)所需要的補風(fēng)量。

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[2]謝海,袁國安,李國榮,等.卷接機(jī)組風(fēng)力送絲風(fēng)速控制技術(shù)與原理[J].湖南科技學(xué)院學(xué)報,2007(4):117–119.

[3]蔡增基,龍?zhí)煊?流體力學(xué)泵與風(fēng)機(jī)[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2007:137–138.

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[5]張振峰,袁國安,許諾,等.卷煙廠風(fēng)力送絲組合供絲控制系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用[J].煙草科技,2006(9):15–17,19.