燃油管道式烘絲機（HXD）燃燒爐系統的改進

林天勤

龍巖煙草工業有限責任公司，福建省龍巖市新羅區乘風路1299號364000

燃燒爐是燃油管道式烘絲機HXD（Lamina High Expansion Dryer）的重要設備，主要為HXD提供熱能，將工藝氣體加熱到要求溫度，使煙絲中的水分迅速蒸發，以獲得滿足工藝要求含水率的煙絲［1］，其燃燒介質主要有天然氣和柴油兩種。燃燒爐工作的穩定性對HXD的工藝氣流溫度控制產生直接影響，并將影響到HXD對出口煙絲含水率的控制［2］。生產中一旦出現燃燒爐熄火現象，重新恢復生產至少需要20 min以上，同時還會產生大量不合格煙絲，增大能源消耗。為解決該問題，郭國良等［3］通過在燃油管道式烘絲機增加工藝氣體的旁路風管，采用聯動風門調節進入燃燒爐和旁路風管的風量，以快速調節工藝氣體溫度。該方法雖然能快速獲得穩定的工藝氣流溫度，但并沒有從根本上解決燃燒爐本身設計中存在的缺陷。為此，對燃燒爐原柴油管路系統進行了改進，將燃燒爐溫度由單回路控制改為串級控制，改進助燃風機風量控制方法，以提高燃燒爐系統工作的穩定性和燃燒效率。

1 存在問題

1.1 工作原理

HXD由一套密封的工藝氣體循環管道系統組成［3］，煙絲經DCC（High Humidity Direct Conditioning Recirculating Cylinder）滾筒加溫加濕后，通過進料氣鎖進入膨脹系統與工藝氣體混和，經過干燥膨脹管道，在高溫高濕的工藝氣體作用下，煙絲中的水分迅速蒸發，且經過干燥和膨脹后進入旋風分離器，慢慢地滑進出料氣鎖。工藝氣體從旋風分離器出來后，經過風機被分成兩部分，一部分被排出，另一部分被返回到燃燒爐的換熱器加熱到所需的工藝氣體溫度［4］。

改進前燃燒爐柴油管路系統控制原理見圖1。柴油經過油泵電機加壓后，經過溢流閥穩壓，然后經過穩壓閥和控制閥調節流量大小，再按順序依次經過穩壓閥、電磁閥和油槍。柴油的最終流量由溢流閥和穩壓閥的壓力以及控制閥的開度決定，控制閥開度由聯桿機構旋轉控制。聯桿機構由氣動控制閥驅動，同時控制柴油流量和助燃風機風量，聯桿機構動作是否順暢對系統溫度控制有較大影響。

1.2 存在問題及分析

由于現有燃燒爐柴油管路系統設計較簡單，執行元件的控制精度低，因此對工藝氣流溫度的控制效果不理想。主要原因是：

（1）助燃空氣風量與柴油流量通過聯桿機構由一個控制器控制，該控制器同時控制流量控制閥和助燃風機風門。采用機械調節方式的控制閥需要根據經驗觀察燃燒爐火焰燃燒情況進行閥門開度調整，在溫度控制過程中，助燃空氣風量與柴油流量很難保持在一個合適比例，從而影響柴油的燃燒效率，并使火焰探測器檢測到的火焰信號不穩定。燃燒爐在降溫過程中，為防止燃燒爐熄火，控制閥的最小閥位值設定較大，柴油流量不能控制得足夠低，從而出現工藝氣流溫度上升較快、下降較慢情況。在換牌生產時，降溫時間長，需要人工干預閥門開度，延長了換牌時間，造成柴油浪費。由于流量與風量的比例不合適，助燃空氣風量太小會造成柴油燃燒不充分，使熱交換器產生積垢；助燃空氣風量太大，熱量被直接排到大氣中，增大了柴油消耗［4］。

（2）燃燒爐溫度控制系統是一個單閉環控制回路，通過PID的輸出直接調節控制閥的閥門開度，閥門開度與柴油流量僅是一種正相關關系，控制對象特性不穩定，因此溫度控制系統的穩定性較差，見圖2。由于燃燒爐的溫度控制響應速度較慢，使HXD出口的煙絲含水率波動較大，對產品工藝質量的穩定性有較大影響［4］。

2 改進方法

2.1 管路系統

改進后柴油管路系統見圖3。在柴油管路上增加了質量流量計，用于檢測柴油流量，也有助于調整助燃空氣風量。將原控制閥更換為控制精度高且穩定性好的氣動薄膜調節閥，并從聯桿機構中獨立出來，由閥門定位器單獨控制。為減少管路中的影響因素，將控制閥后面的穩壓閥去掉，直接由溢流閥保證壓力，由氣動薄膜調節閥控制流量大小。

根據車間每天使用的柴油消耗估算，HXD工作時的流量為50～100 kg/h?？紤]到控制閥到油槍噴嘴有一段距離，而采用液化氣點燃柴油只有10 s，對流量的計量精度要求不高，因此選用了管徑較大的DN8質量流量計，以保證在點火過程中柴油能夠迅速到達噴嘴。燃燒爐在正常工作時，柴油流量為60 kg/h左右，工作壓力為0.5 MPa，為使氣動薄膜調節閥工作在50%左右的閥位，選擇了氣動薄膜調節閥KP值為0.25的等百分比特性的閥門，保證流量控制精確，溫度控制穩定，同時也延長了閥門的使用壽命。

2.2 溫度控制系統

改進后溫度控制系統采用串級控制以提高工藝氣流溫度的控制精度［5］，見圖4。根據燃燒爐的設定溫度獲得柴油流量設定值，再通過調節氣動薄膜閥門的開度控制流量大小以實現對燃燒爐溫度的調節。由于柴油流量與燃燒爐溫度具有較強的線性關系，通過控制柴油流量以提高爐溫控制的穩定性。對于柴油流量，通過PID運算對氣動薄膜調節閥進行控制，可以迅速達到設定的流量值。為此對該系統的控制程序進行了編程，增加了溫度控制PID程序和流量控制PID程序。經過設備調試，將點火時的固定閥門開度設定在50%，此時流量為60 kg/h左右，可以保證點火成功。為防止流量太小時爐子熄火、流量太大時將爐子和熱交換器燒壞，在降溫過程中設定柴油最小流量為36 kg/h，保證爐子火焰信號穩定；在加熱過程中設定柴油最大流量為110 kg/h，使燃燒爐可快速升溫到570℃左右，火焰燃燒情況良好。

2.3 助燃風機風量控制

為了使助燃風機風量與柴油流量保持在最佳比例，對風量的控制系統進行了改進。首先將風量調節由原來的風門控制改為變頻器控制，然后根據柴油流量調整助燃風機的頻率。具體步驟為：點燃燃燒爐，將助燃風機風門固定在一個位置保持不變，通過手動設定不同的柴油流量，然后不斷地調整助燃風機的變頻器頻率，再利用Testo 335型煙氣分析儀檢測燃燒爐尾氣的化學成分含量和柴油的燃燒效率，見表1。可見，柴油流量與風機頻率并不成比例關系，但總體趨勢是正相關的，為此將其模擬為3個線性方程并進行編程，見表2。根據檢測到的柴油流量計算風機頻率，實現對助燃風機風量的控制。

表1 不同柴油流量和風機頻率下煙氣分析儀采集到的燃燒爐尾氣數據

表2 柴油流量與風機頻率的線性方程

3 改進效果

改進前后工藝氣體溫度和燃燒爐火焰信號歷史趨勢圖對比見圖5。

由圖5可知，改進后工藝氣流溫度的響應速度和控制穩定性都有較大提高，燃燒爐的火焰信號增強且穩定。改進后的油管路系統運行可靠，提高了控制精度和點火成功率，點火失敗或熄火故障次數由原來的每月至少2次減少為0。由于助燃風機風量與柴油流量比例合適，減少了熱量散失，防止了因柴油不完全燃燒使熱交換器出現積垢情況，提高了柴油的燃燒效率，降低了柴油消耗。改進后燃燒爐在較低油量下能夠穩定燃燒，在換牌需要降低工藝氣流溫度時，工藝氣流溫度降低30℃所需時間由20 min減少到10 min左右，縮短了換牌時間，提高了生產效率。

［1］陳良元.卷煙生產工藝技術［M］.鄭州：河南科學技術出版社，2002.

［2］岳先領，何佳滿，周一飛，等.燃油管道式烘絲機檢測系統燃油消耗問題的改進［J］.煙草科技，2009（2）：34-35.

［3］郭國良，張世成，李輝，等.燃油管道式烘絲機工藝氣體溫度控制的改進［J］.煙草科技，2009（9）：18-19.

［4］鄭利鋒，丁康鐘，廖強，等.黃金分割截距法在優化HXD燃燒爐溫度上的應用［J］.煙草科技，2010（7）：11-13.

［5］郭一楠，?？×?，趙峻，等.過程控制系統［M］.北京：機械工業出版社，2009.