羅旻暉，吳國(guó)忠，郭 峰，蘭志勇

廈門煙草工業(yè)有限責(zé)任公司制絲車間，福建省廈門市海滄新陽工業(yè)區(qū)新陽路1 號(hào) 361022

CTD-1 氣流烘絲機(jī)（Comas Tower Dryer）是卷煙制絲生產(chǎn)中常用的煙絲干燥設(shè)備，主要利用燃燒爐產(chǎn)生的高溫工藝氣體（160～180 ℃）將膨脹后煙絲迅速干燥，使出口煙絲的填充值、溫度、含水率等物理指標(biāo)達(dá)到生產(chǎn)工藝要求。在煙絲干燥過程中，保持燃燒爐溫度（以下簡(jiǎn)稱爐溫）恒定進(jìn)而保持工藝氣體溫度恒定是確保煙絲脫水量和出口煙絲含水率穩(wěn)定的必要條件［1］。但在當(dāng)前采用的批次化生產(chǎn)模式下，因爐溫控制系統(tǒng)在料頭階段（批次間生產(chǎn)間隙，即由待料狀態(tài)轉(zhuǎn)換至生產(chǎn)狀態(tài)的過渡階段）的控制靈敏度較低，容易導(dǎo)致工藝氣體溫度波動(dòng)大、干頭煙絲量多等問題［2-3］。近年來，針對(duì)烘絲工藝及設(shè)備已有較多研究和改進(jìn)。林豫璋［4］基于相關(guān)性分析確定了影響葉絲出口含水率的因素，并通過改進(jìn)料頭控制程序縮短熱風(fēng)溫度調(diào)節(jié)時(shí)間，減少了出口煙絲含水率的波動(dòng)；高玉梅［5］在低氧環(huán)境中對(duì)葉絲或梗絲進(jìn)行快速膨脹和干燥定型，并通過增加氣料比和干燥管道長(zhǎng)度降低烘絲溫度；林平［6］基于葉絲膨脹機(jī)和順流式滾筒烘絲機(jī)，研究了切絲寬度、筒壁溫度等工藝參數(shù)對(duì)葉絲填充能力的影響；席年生［7］分析了HXD 氣流干燥烘絲機(jī)進(jìn)料含水率和溫度對(duì)葉絲綜合質(zhì)量的影響；王宗英［8］對(duì)比分析了滾筒干燥和氣流干燥兩種工藝條件下，葉絲物理指標(biāo)、感官質(zhì)量、化學(xué)成分等加工質(zhì)量的差異。但在料頭階段對(duì)爐溫進(jìn)行精準(zhǔn)控制的研究則鮮見報(bào)道。爐溫控制系統(tǒng)主要利用伺服電機(jī)和PID控制裝置通過調(diào)節(jié)燃燒爐中油氣配比閥（包括燃油閥和進(jìn)氣閥）的開度實(shí)現(xiàn)對(duì)爐溫的控制。雷俞芝［9］基于模糊技術(shù)的鍋爐控制系統(tǒng)研究表明，串級(jí)PID 是改善爐溫控制質(zhì)量的有效方法之一。為此，通過增加新一級(jí)PID 控制裝置建立CTD-1氣流烘絲機(jī)爐溫控制系統(tǒng)的雙閉環(huán)串級(jí)控制回路，以期實(shí)現(xiàn)對(duì)料頭階段爐溫的精準(zhǔn)控制，提高卷煙產(chǎn)品品質(zhì)的穩(wěn)定性。

1 問題分析

1.1 工作原理

CTD-1 氣流烘絲機(jī)工作原理如圖1 所示，煙絲經(jīng)高頻振槽1 進(jìn)入高溫蒸汽膨脹單元2 后形成膨脹煙絲，然后被噴射的蒸汽送入干燥塔3內(nèi)；高溫工藝氣體在干燥塔內(nèi)與膨脹煙絲充分接觸，形成的干燥煙絲與低溫氣體在切向落料器4中實(shí)現(xiàn)分離；分離后的干燥煙絲進(jìn)入下游生產(chǎn)設(shè)備，部分低溫氣體經(jīng)排潮管路5排出并帶走多余水分，剩余低溫氣體進(jìn)入燃燒爐6中被重新加熱至設(shè)定溫度，為膨脹單元和干燥塔提供高溫氣體。燃燒爐爐溫由油氣配比閥7的開度決定。其中，燃油閥8 的開度由伺服電機(jī)9 控制，助燃風(fēng)機(jī)10的頻率由人工根據(jù)燃油燃燒效率η和尾氣中CO 含量［利用testo 350 煙氣分析儀（德國(guó)德圖集團(tuán)）在線檢測(cè)］進(jìn)行調(diào)節(jié)。在批次化生產(chǎn)過程中，烘絲機(jī)工作狀態(tài)分為待料和進(jìn)料兩個(gè)階段：①待料時(shí)，烘絲機(jī)處于預(yù)熱節(jié)能狀態(tài)，此時(shí)工藝氣體溫度設(shè)定值為T1（160 ℃），當(dāng)工藝氣體實(shí)際溫度＞T1時(shí)燃燒爐停止燃燒，當(dāng)實(shí)際溫度＜T1時(shí)則燃燒爐重新點(diǎn)火。②進(jìn)料后，當(dāng)煙絲瞬時(shí)流量＞100 kg/h 并持續(xù)10 s 時(shí)表明進(jìn)入料頭階段，此時(shí)工藝氣體溫度設(shè)定值由T1切換至T2（165 ℃），同時(shí)伺服電機(jī)通過PID控制油氣配比閥開度增大（圖2），使工藝氣體實(shí)際溫度由T1逐漸升高至T2［1］。

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

圖2 改進(jìn)前CTD-1氣流烘絲機(jī)工藝氣體溫度控制原理Fig.2 Control principle of processing gas in CTD-1 pneumatic cut tobacco dryer before modification

1.2 存在問題

目前工藝氣體溫度設(shè)定值由T1切換至T2的方式有兩種：①系統(tǒng)將溫度設(shè)定值由T1自動(dòng)切換至T2，該方法缺乏對(duì)溫度變化的預(yù)判性，容易出現(xiàn)油氣配比閥開度調(diào)節(jié)滯后或超調(diào)現(xiàn)象，導(dǎo)致工藝氣體溫度波動(dòng)大、振蕩時(shí)間長(zhǎng)，進(jìn)而導(dǎo)致出口煙絲含水率不穩(wěn)定、干頭煙絲量增多，對(duì)煙絲品質(zhì)和工藝質(zhì)量產(chǎn)生較大影響。②人工根據(jù)工藝氣體實(shí)際溫度不斷修改溫度設(shè)定值直至達(dá)到T2，這種方法對(duì)人工操作要求較高，操作不當(dāng)則容易導(dǎo)致熄火或油氣配比閥油量與風(fēng)量不匹配。其中，助燃空氣風(fēng)量過小會(huì)造成燃油燃燒不充分，導(dǎo)致燃燒爐膛內(nèi)壁積垢；助燃空氣風(fēng)量過大則會(huì)導(dǎo)致大量熱氣直接排入室外，增大燃油消耗。

2 改進(jìn)方法

2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

如圖3所示，通過增加新一級(jí)PID控制裝置和閥位開度檢測(cè)器，將爐溫控制系統(tǒng)原有的單閉環(huán)控制回路改進(jìn)為雙閉環(huán)串級(jí)控制回路，通過實(shí)時(shí)獲取料頭階段油氣配比閥開度實(shí)現(xiàn)爐溫的精準(zhǔn)控制［6］，減小工藝氣體溫度波動(dòng)。新增的PID控制裝置采用西門子S7-1200PLC 搭載SM1281 模塊，閥位開度檢測(cè)器（德國(guó)SAMSON 公司）在5%～95%的油氣配比閥開度范圍內(nèi)可以確保檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

圖3 改進(jìn)后CTD-1氣流烘絲機(jī)工藝氣體溫度控制原理Fig.3 Control principle of processing gas in CTD-1 pneumatic cut tobacco dryer after modification

2.2 風(fēng)量控制方法改進(jìn)

在手動(dòng)模式下點(diǎn)火并固定燃油閥位，當(dāng)燃油閥位為15.0%時(shí)，不同助燃風(fēng)機(jī)頻率下尾氣中的CO含量、燃油燃燒效率η的變化趨勢(shì)見圖4a?？梢?，CO含量隨風(fēng)機(jī)頻率的增大而減小然后趨于穩(wěn)定，燃燒效率η隨風(fēng)機(jī)頻率的增大而增大然后趨于穩(wěn)定。當(dāng)燃油閥位為30.0%～60.0%時(shí)，CO含量和燃燒效率η的變化趨勢(shì)與圖4a 基本一致。其中，燃油閥位為30.0%、45.0%、60.0%時(shí)的變化趨勢(shì)見圖4b、4c 和4d?？紤]到風(fēng)機(jī)頻率過大時(shí)氧含量過高，會(huì)導(dǎo)致局部高溫和氮氧化物的形成。因此，取CO含量和燃燒效率η穩(wěn)定階段的最小風(fēng)機(jī)頻率作為最優(yōu)值，獲得15.0%～60.0%范圍內(nèi)燃油閥位與風(fēng)機(jī)頻率的最優(yōu)匹配數(shù)據(jù)，見圖5。對(duì)匹配數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合，結(jié)果表明：最優(yōu)匹配下風(fēng)機(jī)頻率Y與燃油閥位X線性正相關(guān)，關(guān)系式為Y=0.476 7X+1.225 0（R2=0.998 3）。將關(guān)系式寫入變頻器控制程序中，即可利用伺服電機(jī)對(duì)風(fēng)機(jī)頻率進(jìn)行自動(dòng)控制。

圖4 尾氣中CO含量和燃油燃燒效率η隨風(fēng)機(jī)頻率的變化趨勢(shì)Fig.4 Variations of CO content in exhaust gas and combustion efficiency η with fan motor frequency

圖5 燃油閥位與風(fēng)機(jī)頻率的最優(yōu)匹配數(shù)據(jù)Fig.5 Optimal matching data between fuel valve opening position and fan motor frequency

2.3 PID參數(shù)優(yōu)化

比例參數(shù)（Kp）、積分時(shí)間（Ti）、微分時(shí)間（Td）是影響PID性能的關(guān)鍵參數(shù)。在料頭爐溫控制系統(tǒng)改進(jìn)后，為提高油氣配比閥的動(dòng)態(tài)特性，縮短待料階段點(diǎn)火/熄火的等待時(shí)間和溫差，需要對(duì)原有PID 的控制參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。如表1 所示，當(dāng)Kp=1.2、Ti=75、Td=20 時(shí)，待料階段點(diǎn)熄火等待時(shí)間最短，溫差最小，可以有效縮短批次間等待時(shí)間，提高燃油效率。

表1 不同PID控制參數(shù)下點(diǎn)火/熄火等待時(shí)間和溫差對(duì)比Tab.1 Comparison of ignition/idle time and temperaturedifference under different PID control parameters

2.4 燃油閥位限值確定

為進(jìn)一步節(jié)約能源和減少碳排放，需要確定控制系統(tǒng)改進(jìn)后燃油閥位的最大限值。如圖6所示，燃燒爐最高溫度隨燃油閥位的增大而增大，燃燒效率隨燃油閥位的增大先增大后減小。當(dāng)燃油閥位為60.0%時(shí)，燃燒爐溫度可以達(dá)到180 ℃左右，能夠滿足生產(chǎn)時(shí)爐溫控制在175～185 ℃的要求，且燃燒效率最高，為92.7%。因此，取燃油閥位最大限值為60.0%。

圖6 不同燃油閥位下燃燒爐最高溫度和燃燒效率Fig.6 The highest temperature and combustion efficiency at different opening positions of fuel valve

點(diǎn)火時(shí)油氣配比閥開度（以下簡(jiǎn)稱點(diǎn)火閥門開度）過小會(huì)導(dǎo)致點(diǎn)火不成功，過大則會(huì)增加燃油消耗。由表2可見，改進(jìn)前點(diǎn)火閥門開度達(dá)到15%時(shí)可以確保點(diǎn)火成功，此時(shí)燃油消耗量為18 kg/h；改進(jìn)后點(diǎn)火閥門開度為12%時(shí)即可確保點(diǎn)火成功，此時(shí)燃油消耗量為15 kg/h左右。因此，改進(jìn)后將點(diǎn)火閥門開度設(shè)置為12%，從而減少燃油消耗。

表2 改進(jìn)前后不同點(diǎn)火閥門開度下點(diǎn)火成功率和燃油消耗量對(duì)比Tab.2 Comparison of ignition success rate and fuel consumption at different ignition valve openings before and after modification

3 應(yīng)用效果

3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

材料：“七匹狼（純境、廈門）”牌卷煙煙絲（廈門煙草工業(yè)有限責(zé)任公司提供）。

設(shè)備與儀器：CTD-1 氣流烘絲機(jī)（意大利COMAS 公司）；ICS-800-ST 型電子秤（精度0.5%，浙江杭州四五零九所）；TST40N-CA3KP13LD2P 型溫度傳感器（精度0.1 ℃，德國(guó)E+H公司）；TM710型水分儀（精度0.01，英國(guó)NDC 公司）；SIPART PS2 型閥位開度檢測(cè)器（精度0.1%，德國(guó)SAMSON公司）。

方法：CTD-1氣流烘絲機(jī)生產(chǎn)能力為3 000 kg/h，采用批次化生產(chǎn)模式，每批次煙絲總量3 250 kg，入口煙絲含水率（20.0±0.5）%。①在料頭階段采集爐溫?cái)?shù)據(jù)（20 次/min）并繪制爐溫變化曲線。其中，料頭爐溫控制系統(tǒng)改進(jìn)前分別采用自動(dòng)調(diào)節(jié)和人工調(diào)節(jié)兩種方式將工藝氣體溫度設(shè)定值由T1切換至T2，改進(jìn)后采用自動(dòng)調(diào)節(jié)方式將工藝氣體溫度設(shè)定值由T1切換至T2。②分別統(tǒng)計(jì)改進(jìn)前后各5 批次出口煙絲的干頭質(zhì)量和含水率QI（Quality Inspection，質(zhì)量檢驗(yàn)）得分、料頭穩(wěn)定時(shí)間、料頭工藝氣體溫度極差以及燃油消耗量等生產(chǎn)數(shù)據(jù)，取平均值。

3.2 數(shù)據(jù)分析

如圖7 所示，CTD-1 氣流烘絲機(jī)料頭爐溫控制系統(tǒng)改進(jìn)后，未出現(xiàn)料頭階段爐溫急劇下降現(xiàn)象，爐溫波動(dòng)明顯減小。

圖7 料頭爐溫控制系統(tǒng)改進(jìn)前后爐溫控制效果對(duì)比Fig.7 Control effects of furnace temperature before and after modification of temperature control system at head tobacco drying stage

如表3 所示，料頭爐溫控制系統(tǒng)改進(jìn)后，料頭穩(wěn)定時(shí)間由81 s 減少至40 s，料頭工藝氣體溫度極差由6.0 ℃下降至2.6 ℃，干頭煙絲質(zhì)量由5.2 kg/批次減少至2.2 kg/批次，出口煙絲含水率QI 得分由90 分提升至95 分，燃油消耗量由83 kg/批次減少至76 kg/批次，實(shí)現(xiàn)了對(duì)料頭階段爐溫和工藝氣體溫度的快速、穩(wěn)定控制，提升了煙絲生產(chǎn)品質(zhì)，減少了燃油消耗。

表3 料頭爐溫控制系統(tǒng)改進(jìn)前后CTD-1氣流烘絲機(jī)生產(chǎn)數(shù)據(jù)比較Tab.3 Production data of CTD-1 pneumatic cut tobacco dryer before and after modification of temperature control system at head tobacco drying stage

4 結(jié)論

通過增加新一級(jí)的PID控制裝置和閥位開度檢測(cè)器，將CTD-1氣流烘絲機(jī)料頭爐溫控制系統(tǒng)原有的單閉環(huán)控制回路改進(jìn)為雙閉環(huán)串級(jí)控制回路，實(shí)時(shí)獲取料頭階段油氣配比閥的開度并對(duì)其進(jìn)行精準(zhǔn)控制。以廈門煙草工業(yè)有限責(zé)任公司生產(chǎn)的“七匹狼（純境、廈門）”牌卷煙煙絲為對(duì)象進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果表明：料頭爐溫控制系統(tǒng)改進(jìn)后，料頭穩(wěn)定時(shí)間減少41 s/批次，料頭工藝氣體溫度極差下降3.4 ℃，干頭煙絲質(zhì)量減少3.0 kg/批次，出口煙絲含水率QI 得分提高5 分，燃油消耗量減少7 kg/批次。該技術(shù)可在同類型煙絲干燥設(shè)備中推廣應(yīng)用。