加料機熱交換器自動清洗裝置的設計與應用

秦凱歌 ，齊毅 ，林敏

（1.襄陽職業技術學院 汽車工程學院，湖北 襄陽 441022；2.湖北文理學院 機械工程學院，湖北 襄陽 441022；3.武漢卷煙廠，武漢 430023）

0 引言

加料機循環氣體通過熱交換機加熱，經熱風管道、加料筒、回風管道再回到熱交換器加熱，形成循環。由于加料環節會添加糖料，加料機循環氣體中存在大量的煙草粉塵、煙油及糖料微粒，在高溫高濕生產環境下，易附著在熱交換器散熱板管表面。如果不及時清洗，長期積累會形成結垢，阻塞板管間隙，降低熱交換器傳熱效率和通風能力，破壞加熱穩定性，影響產品質量；當結垢過多難以清除，將縮短設備使用壽命[1]。所以，加料機熱交換器是設備維保人員保養重點。

1 現狀調查及分析

驗證清洗熱交換器對預熱效果和生產回風溫度的改善作用。

1.1 預熱效果改善

生產前加料機會自動預熱并達到設定溫度，加料機自動停止預熱。預熱效果是一項反映設備狀態的重要參考數據，預熱時間短證明設備傳熱效率高、工作狀態良好，且在較短時間的預熱可以降低能源消耗。

為分析清洗熱交換器對預熱時間產生的影響，在武漢卷煙廠制絲車間B線加料機上進行一項實驗，方案如下：固定B線加料機預熱時的熱交換器蒸汽薄膜閥開度、熱風風機頻率和排潮風機頻率不可調，分別為50%、30 Hz和35 Hz，對加料機進行預熱，比對熱交換器清洗前和清洗后的預熱溫度趨勢圖。

清洗前：在正常生產狀態下，7 d不清洗熱交換器，熱交換器結垢已經較多，從MES提取第7天加料機預熱溫度趨勢圖。清洗后：在第8天生產前，清洗熱交換器后進行預熱，再提取預熱溫度趨勢圖。將2次的預熱溫度上升趨勢進行比對，如圖1所示。

從圖1可以看出，在相同室溫下，清洗熱交換器之前，預熱到55℃需要23.1 min，而清洗后，加料機預熱速度更快，只需要13.4 min。說明清洗熱交換器有助于改善預熱效果。

圖1 加料機預熱溫度上升趨勢比對圖

1.2 回風溫度改善

生產時，加料機偶爾會出現回風溫度（熱交換器入口前溫度）偏下限的情況，將熱交換器進汽薄膜閥開度開至100%，調節熱風風門開度，回風溫度仍然偏低，導致回風溫度CPK不合格。根據維保人員經驗，可能是熱交換器堵塞[1]。生產間隙對熱交換器進行清洗，后續生產回風溫度恢復正常。

為證實上述猜想，研究熱交換器清潔程度與回風溫度是否有關，設計一套實驗，方案如下：固定熱風風機頻率為20 Hz，熱風風門開度為60%，旁路風門開度為40%。實驗前清洗一次熱交換器，實驗中不再清洗，記錄加料機熱風循環系統接下來幾天的生產數據，取每天熱風溫度（熱交換器出口溫度）、回風溫度和出口溫度（加料機出口溫度，即出口煙葉溫度）的平均值填在表1中。

表1 加料機熱風循環系統數據表

5月4日清洗熱交換器后，當天生產時熱交換器蒸汽薄膜閥開度為40%，熱風溫度平均值為78.6℃，回風溫度和出口溫度達標（工藝質量要求回風溫度和出口溫度均為（50.0±2.5）℃）。但隨著生產批次累積，熱交換器蒸汽薄膜閥開度每日需遞增10%～20%左右，5月6日為60%，5月8日為80%。觀察熱交換器，每天的積灰也在逐漸增多。由此可以得出：熱風溫度隨熱交換器蒸汽薄膜閥開度增加而增加，但由于熱交換器沒有清洗，熱交換器逐漸堵塞，影響循環風風量，回風溫度反而逐漸減小。說明熱交換器清潔程度影響加料機回風溫度。

加料機熱交換器清潔程度與預熱效果和回風溫度密切相關，影響煙葉生產質量和設備壽命。應定期清洗熱交換器，除去黏結在熱交換器內部板管上的糖料、煙油和粉塵，但清洗頻率高，人工清洗效率低，且需要登高作業，具有一定危險性，設計一套加料機熱交換器自動清洗裝置代替人工清洗很有必要。

2 裝置的設計

2.1 自動清洗裝置結構設計

在B線加料機熱交換器基礎上設計安裝一套自動清洗裝置，主要有熱交換器自動清洗和噴吹兩大功能。裝置達到自動開啟條件后，先用熱水清洗熱交換器，然后再用壓縮空氣對熱交換器進行噴吹。清洗過程新增噴吹功能，一是吹干清潔水，保護熱交換器散熱板管，延長使用壽命；二是吹走粘在板管上的結垢，使清潔更加徹底，提高清潔度[2]。清洗裝置與熱交換器為一體化設計，結構如圖2所示。

圖2 自動清洗裝置結構圖

加料機熱交換器由2個熱交換器組成，分為一區和二區，基本結構類似。回風進入熱交換器前分為兩路：一路經過熱交換器變為熱風，另一路直接通過旁通風管不加熱，兩路風量大小由風門調節，最終在熱交換器出口匯成熱風對煙葉加熱，通過調節風門可以控制循環風溫度及風速。過濾網對進入熱交換器的回風進行初步過濾。過濾網為不銹鋼絲網，絲徑為0.63 mm，目數為8，可以擋住直徑超過3 mm的煙葉[3]。檢修門的設置方便清理濾網擋住的煙灰、煙葉及糖料。清洗水、壓縮空氣入口與清洗噴管連接，一個熱交換器上有15根清洗噴管（直徑為20 mm，材質為304不銹鋼），固定于清洗門上，噴管下方均勻排布直徑為2 mm的圓孔，清洗水和壓縮空氣從圓孔噴出，對熱交換器板管進行清洗、噴吹。排污口直徑為50 mm，熱交換器下方有水槽用于緩沖污水流量。檢測開關型號為歐姆龍ZCP25，用于檢測清洗門是否關閉，非關閉狀態自動清洗功能禁止使用。

2.2 清洗水加熱裝置設計

如果采用自來水清洗熱交換器，清洗水溫和熱交換器溫差過大，會損壞熱交換器散熱板，長期使用會降低熱交換器性能和壽命。因此，熱交換器自動清洗裝置還設計了一套恒溫恒壓供水系統，保護熱交換器的同時還可以提升清洗效果[2]，恒溫恒壓供水系統管路圖如圖3所示。

圖3 恒溫恒壓供水系統管路示意圖

水箱設計存儲量為2000 kg。蒸汽通過蒸汽截止閥、蒸汽過濾器、調壓閥、蒸汽薄膜閥到水箱對水加熱，蒸汽出口高度低于低水位傳感器，水溫設定值為（42.5±2.5）℃，蒸汽薄膜閥狀態通過水溫傳感器反饋調節，對蒸汽通量進行控制，當水位低于低位水位傳感器時，蒸汽薄膜閥關閉[4]。水通過氣動球閥、截止閥、浮球閥到水箱，氣動球閥通過2個水位傳感器控制開關，浮球閥依靠浮力機械控制開關，都屬于自動進水開關，兩者串聯有雙保險作用，避免水箱水外溢。熱水經過截止閥、過濾器、泵，分成2路，一路清洗熱交換器；一路清洗滾筒，2路通過氣動球閥控制開關。泵設有自我保護功能，運行前提是低水位傳感器檢測有水。因為熱交換器自動清洗裝置還具有噴吹功能，所以在熱水管路并入空氣管路，壓縮空氣經氣動球閥、過濾器、空氣放大器進入熱交換器，氣動球閥收到水清洗結束的信號后開啟。加料筒內糖料較多，煙葉粘在上面難以沖洗，該系統還可以用來清洗加料滾筒[5]。

2.3 自動清洗控制方案設計

根據加料機工作的實際情況，設計熱交換器自動清洗控制方案。自動清洗有2種控制模式：一種是在操作界面上點擊按鈕清洗模式；另一種是自動清洗模式。

按鈕清洗模式是全自動清洗模式的補充，使用FactoryTalk View Studio軟件在現有加料機操作界面上添加“熱交換器清洗”、“熱交換器清洗停止”、“熱交換器噴吹”、“熱交換器噴吹停止”4個清洗功能按鈕。在熱交換器自動清洗程序出現故障或者對清洗效果不滿意時，可點擊按鈕，人為控制熱交換器自動清洗、噴吹時間。

自動清洗模式在收到停機信號后，對停機時間大于3 h、清洗水溫度為40～45℃、回風溫度小于40℃、清洗門關閉、進熱交換器蒸汽薄膜閥關閉5項確認后，開始自動清洗。自動清洗時間為1 min，清洗完自動噴吹1 min。停機信號為自動清洗使能，每次停車只有1次自動清洗使能，所以每次停車最多只自動清洗1次。按照制絲車間生產模式，幾乎每天會停車設備保養，所以設計頻率為每天清洗1次。熱交換器自動清洗控制流程如圖4所示。

圖4 熱交換器自動清洗控制流程圖

加料機程序采用RSLogix5000軟件設計，為保證新增程序與主程序銜接，使用該軟件編程，在主程序添加多個程序段，包括自動清洗、自動噴吹、清洗按鈕、噴吹按鈕四大功能。

3 應用效果

根據MES采集的生產數據，分析安裝熱交換器自動清洗裝置前后月平均預熱時間變化及回風溫度CPK合格率變化。

3.1 預熱時間

從圖5中可以看出，1—5月B線加料機月平均預熱時間均在19 min以上。6月安裝了自動清洗裝置后，預熱時間明顯下降，7—12月月平均預熱時間在12 min左右。說明該裝置清潔效果明顯，能有效提高預熱效率、減少能源消耗、提升設備性能。

圖5 1-12月平均預熱時間對比圖

3.2 回風溫度CPK合格率

對2019年1—12月份加料機回風溫度CPK的合格率、滿分率及最小值進行統計分析，由表2數據可以看出，1—6月份CPK合格率均低于94%。安裝了清洗裝置后，7—12月CPK合格率整體提高了1個百分點，CPK的滿分率也有大幅度提高，CPK最小值沒有改善（CPK≥1.33為合格；CPK=1.69為滿分）。

表2 加料機回風溫度CPK月度數據統計表

未安裝裝置前，熱交換器堵塞導致熱風溫度能力不足，操作人員只能通過增大增溫、增濕蒸汽流量來保證煙葉出口溫度，但煙葉出口水分增加，烘前物料水分難以達標；安裝自動清洗裝置后，定期自動清洗熱交換器，保證熱風能力足夠強大，操作人員可以固定增溫、增濕蒸汽量，通過自動調整熱風風門保證出口溫度、回風溫度，又不影響烘前水分。所以，使用該裝置可以極大改善加料機回風系統，提高煙絲品質。

4 結語

1）加料機熱交換器自動清洗裝置可以實現加熱水、清洗、壓縮空氣噴吹，自動、手動模式切換等功能，能有效清理附著在熱交換器板管上的結垢，提高設備性能，延長設備使用壽命；2）清洗裝置在熱交換器上改造，經濟適用、節約場地，自動控制方法考慮全面，保障人員和設備的安全，減少勞動力；3）應用效果良好，有效提高預熱效率，改善回風溫度，提升產品質量，降低能源消耗。