基于來料狀態(tài)的滾筒烘絲機(jī)參數(shù)設(shè)置預(yù)測方法

關(guān)欣 朱波 高依萍

摘 要：為了使?jié)L筒烘絲頭料出口水分能夠快速精準(zhǔn)地到達(dá)產(chǎn)品工藝要求的范圍，減少后饋造成的調(diào)節(jié)滯后，使過程中出口水分更加穩(wěn)定，該研究對影響滾筒烘絲機(jī)出口水分的相關(guān)工藝參數(shù)進(jìn)行了分析，了解物料流量、熱風(fēng)風(fēng)速、筒壁溫度與來料水分的關(guān)系，建立了基于來料狀態(tài)的滾筒烘絲機(jī)參數(shù)設(shè)置預(yù)測方法。結(jié)果表明：（1）出口水分到達(dá)工藝要求范圍內(nèi)的時間由6.32min降低到5.45min，頭料水分能夠更快地到達(dá)要求范圍內(nèi);（2）整批次相關(guān)參數(shù)調(diào)節(jié)頻次由6.2次降低到2.7，減輕了勞動強(qiáng)度，提高了生產(chǎn)效率;（3）出口水分標(biāo)準(zhǔn)偏差由0.107%降低到0.069%，過程出口水分更穩(wěn)定。

關(guān)鍵詞：滾筒烘絲機(jī);參數(shù)設(shè)置;預(yù)測方法

中圖分類號 TS452? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A文章編號 1007-7731（2021）18-0107-03

Prediction Method of Drum Dryer Parameter Setting Based on Incoming Material State

GUAN Xin et al.

（Qingdao Cigarette Factory， Shandong China Tobacco Industry Co. LTD.， Qingdao 266100， China）

Abstract： This paper studies the relevant process parameters that affect the moisture at the outlet of the drum dryer， analyzes the relationship between the material flow， hot air speed， barrel wall temperature and the incoming material moisture， and establishes a method for predicting the parameter settings of the drum dryer based on the incoming material state， in order to make the outlet moisture of the drum dryer to reach the product process requirements quickly and accurately， reduce the adjustment lag caused by the back feed， and ensure that the outlet moisture is more stable during the process. According to the results： （1） it needs from 6.32min to 5.45min for the outlet moisture to reach the process requirement range， which reduces time ， and the water content of the raw material can reach the required range faster; （2） The adjustment frequency is reduced from 6.2 to 2.7 for the whole batch， which reduces labor intensity and improves production efficiency; （3） The standard deviation decreases from 0.107% to 0.069% in terms of export moisture， which provides a more stable process for export moisture.

Key words： Drum dryer; Parameter setting; Prediction method

滾筒干燥設(shè)備是卷煙制絲生產(chǎn)過程中的關(guān)鍵設(shè)備之一，其工藝任務(wù)是將膨脹后的葉絲脫水干燥，使其含水率符合工藝要求[1-2]。對于滾筒烘絲機(jī)，煙草行業(yè)有著較多的研究和分析[3-6]。受加料出口水分、加料出口溫度、貯葉時間、環(huán)境溫濕度等因素的影響，烘前來料水分波動較大。為滿足滾筒干燥出口葉絲含水率的指標(biāo)要求，滾筒干燥設(shè)備具備多個控制參數(shù)[7]。生產(chǎn)過程中，當(dāng)來料水分出現(xiàn)波動時，需要操作人員依據(jù)經(jīng)驗(yàn)對關(guān)鍵工藝參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)。不同的控制參數(shù)經(jīng)過一段時間的反饋調(diào)節(jié)，均能滿足出口葉絲含水率的指標(biāo)要求，但基于出口水分的后饋調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)滯后，調(diào)節(jié)的反應(yīng)時間較長，加之參數(shù)調(diào)節(jié)后出口水分顯示滯后5min的時間，是否調(diào)節(jié)到位并不確定[8-9]。目前沒有較好的方法對烘絲出口水分精準(zhǔn)控制。

本試驗(yàn)通過對影響滾筒烘絲機(jī)出口水分的相關(guān)工藝參數(shù)研究，分析了熱風(fēng)風(fēng)速、物料流量、筒壁溫度與來料水分的關(guān)系，建立了基于來料狀態(tài)的滾筒烘絲機(jī)參數(shù)設(shè)置預(yù)測方法。快速準(zhǔn)確地獲取物料流量、筒壁溫度和熱風(fēng)風(fēng)速參數(shù)，使?jié)L筒烘絲機(jī)出口水分精準(zhǔn)控制，旨在為卷煙產(chǎn)品工藝加工過程的優(yōu)化和提高卷煙產(chǎn)品的質(zhì)量穩(wěn)定性提供參考。

1 材料、設(shè)備與儀器

1.1 試驗(yàn)材料 山東中煙工業(yè)有限責(zé)任公司青島卷煙廠“泰山（新品）”牌號正常生產(chǎn)煙絲。

1.2 設(shè)備與儀器 KLD-2-2Z型兩段式滾筒烘絲機(jī)（流量3000kg/h，德國HAUNI公司）;TM710型在線水分儀（精度：0.1%，美國NDC紅外技術(shù)公司）。

2 滾筒烘絲機(jī)參數(shù)設(shè)置預(yù)測方法

2.1 熱風(fēng)風(fēng)速與來料水分的變化特性 根據(jù)工藝要求，熱風(fēng)風(fēng)速參數(shù)為（0.4±0.05）m/s。在其他可變參數(shù)一致的情況下，從MES底層數(shù)據(jù)導(dǎo)出生產(chǎn)過程穩(wěn)定的情況下熱風(fēng)風(fēng)速與來料水分實(shí)測值進(jìn)行線性回歸分析，如圖1所示。由圖1可知，在生產(chǎn)過程中，熱風(fēng)風(fēng)速在0.35～0.45m/s范圍內(nèi)與來料水分呈線性增加關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.995，回歸方程為：

F=0.159S-2.681 （1）

式中：F為熱風(fēng)風(fēng)速;S為來料水分。

2.2 物料流量與來料水分的變化特性 如圖2所示，物料經(jīng)過定量喂料進(jìn)入HT增溫增濕，經(jīng)回潮后的葉絲最終進(jìn)入滾筒烘絲干燥。滾筒烘絲機(jī)的干燥能力用脫水量來表示，即單位時間內(nèi)設(shè)備除去水的重量。根據(jù)工藝要求，樣品在烘絲工序工藝參數(shù)均為設(shè)定中心值時的干燥能力為理想脫水量。

滾筒前后物料質(zhì)量（干物質(zhì)）守恒：

H=L×（1-S1）×[1/（1-S1-△S）-1/（1-S2）] （2）

式中：H為脫水量;L為物料流量;S1為來料水分;△S為HT增加水分;S2為出口水分。

從MES底層數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)20批次該樣品牌號工序工藝參數(shù)均為設(shè)定中心值時的生產(chǎn)參數(shù)數(shù)據(jù)，當(dāng)該樣品牌號烘絲調(diào)整參數(shù)熱風(fēng)風(fēng)速為0.4m/s，筒壁溫度為135℃，物料流量3150kg/h，HT增加水分0.2%，出口水分12.8%時，需要的來料水分平均值為19.3%。

將理想數(shù)據(jù)代入公式（2），得到理想脫水量為：

H理=3150×（1-19.3%）×[1/（1-19.3%-2%）-1/（1-12.8%）]=314.8L/h。

當(dāng)來料水分變化時，對于該樣品牌號滾筒烘絲機(jī)所需要達(dá)到的干燥能力是一致的。即可根據(jù)理想脫水量計(jì)算實(shí)際的物料流量：

L實(shí)=H理/[△S/（1-S-△S）+（S-S出）/（1-S出）] （3）

式中：L實(shí)為物料流量;H理為理想脫水量;S為來料水分;△S為HT增加水分;S出為出口水分。

2.3 筒壁溫度與來料水分的變化特性 根據(jù)工藝要求，筒壁溫度參數(shù)為135±3℃。在其他可變參數(shù)一致的情況下從MES底層數(shù)據(jù)導(dǎo)出生產(chǎn)過程穩(wěn)定的情況下筒壁溫度與來料水分實(shí)測值進(jìn)行線性回歸分析，如圖3所示。由圖3可知，在生產(chǎn)過程中，筒壁溫度在132～138℃范圍內(nèi)與來料水分呈線性增加關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.989，回歸方程為：

T=9.826S-54.71 （4）

式中：T為筒壁溫度;S為來料水分。

2.4 預(yù)測方法 根據(jù)工藝要求，在生產(chǎn)過程中，首先進(jìn)行熱風(fēng)風(fēng)速調(diào)節(jié)，熱風(fēng)風(fēng)速要求（0.4±0.05）m/s，若出口水分仍不滿足要求，再進(jìn)行物料流量調(diào)節(jié)，物料流量要求（3150±100）kg/h，若出口水分還不滿足要求，則調(diào)節(jié)筒壁溫度，筒壁溫度要求為（135±3）℃。

根據(jù)工藝參數(shù)調(diào)整的優(yōu)先級，前一項(xiàng)調(diào)整參數(shù)調(diào)整到工藝要求的范圍極限再進(jìn)行下一項(xiàng)參數(shù)調(diào)整時，相對應(yīng)的實(shí)際來料水分應(yīng)抵消前一調(diào)整過程后彌補(bǔ)的來料水分值。

綜上所述，滾筒烘絲機(jī)參數(shù)設(shè)置預(yù)測方法如下：

[F=0.159S-2.681? ? ? ? ? ? 19.06%≤S≤19.69%L實(shí)=H理/（△S/（1-S-△S）+（S-S出）/（1-S出））? ? ? 18.82%≤S<19.06%;19.69%19.86%] （5）

式中：S為來料水分;F為熱風(fēng)風(fēng)速;L實(shí)為物料流量;H理為理想脫水量;△S為HT增加水分;S出為出口水分;T為筒壁溫度。

當(dāng)來料水分大于等于19.06%，小于等于19.69%時，根據(jù)公式（5）只進(jìn)行熱風(fēng)風(fēng)速調(diào)節(jié);當(dāng)來料水分大于等于18.82%，小于19.06%和來料水分大于19.69%，小于等于19.86%時，先將熱風(fēng)風(fēng)速調(diào)節(jié)到極限值，再根據(jù)公式（5）進(jìn)行物料流量調(diào)節(jié)，計(jì)算物料流量時，來料水分應(yīng)減去熱風(fēng)風(fēng)速調(diào)整后彌補(bǔ)的來料水分值;當(dāng)來料水分小于18.82%和來料水分大于19.86%時，先將熱風(fēng)風(fēng)速和物料流量調(diào)節(jié)到極限值，再根據(jù)公式（5）進(jìn)行筒壁溫度調(diào)節(jié)，計(jì)算筒壁溫度時，來料水分應(yīng)減去熱風(fēng)風(fēng)速和物料流量調(diào)整后彌補(bǔ)的來料水分值。

3 生產(chǎn)驗(yàn)證

以青島卷煙廠3000kg/h KLD-2-2Z滾筒烘絲機(jī)為例，熱風(fēng)風(fēng)速為（0.4±0.05）m/s，物料流量為（3150±100）kg/h，筒壁溫度為（135±3）℃。生產(chǎn)提升前，將切絲后水分儀顯示值為作為來料水分的判斷依據(jù)。按照公式（5）進(jìn)行熱風(fēng)風(fēng)速、物料流量和筒壁溫度的計(jì)算，再將預(yù)測值提前修改進(jìn)行生產(chǎn)。

3.1 頭料水分到達(dá)要求范圍內(nèi)的時間 基于來料狀態(tài)的滾筒烘絲機(jī)參數(shù)設(shè)置預(yù)測方法，進(jìn)行了10批次生產(chǎn)，并與原操作方法進(jìn)行頭料水分到達(dá)要求范圍內(nèi)的時間對比驗(yàn)證。如圖4所示，原操作方法下頭料水分到達(dá)要求范圍內(nèi)的平均時間為6.32min，預(yù)測方法下的頭料水分到達(dá)要求范圍內(nèi)的平均時間為5.45min，明顯低于原操作方法。說明在滾筒烘絲機(jī)參數(shù)設(shè)置預(yù)測方法時，頭料水分能夠更快的到達(dá)要求范圍內(nèi)。

3.2 生產(chǎn)過程調(diào)節(jié)頻次 基于來料狀態(tài)的滾筒烘絲機(jī)參數(shù)設(shè)置預(yù)測方法，進(jìn)行了10批次生產(chǎn)，并與原操作方法進(jìn)行生產(chǎn)過程中調(diào)節(jié)頻次的對比驗(yàn)證。如圖5所示，原操作方法下生產(chǎn)過程中調(diào)節(jié)的平均頻次為6.2次，預(yù)測方法下的生產(chǎn)過程中調(diào)節(jié)的平均頻次為2.7次，明顯低于原操作方法。說明在滾筒烘絲機(jī)參數(shù)設(shè)置預(yù)測方法時，減輕了人工強(qiáng)度，提高了生產(chǎn)效率，同時由于生產(chǎn)過程中調(diào)節(jié)頻次的減少，也大大地降低了誤操作率。

3.3 出口水分穩(wěn)定性 基于來料狀態(tài)的滾筒烘絲機(jī)參數(shù)設(shè)置預(yù)測方法，進(jìn)行了10批次生產(chǎn)，并與原操作方法進(jìn)行生產(chǎn)過程中出口水分標(biāo)準(zhǔn)偏差的對比驗(yàn)證。如圖6所示，原操作方法下生產(chǎn)過程中出口水分標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.107%，預(yù)測方法下的生產(chǎn)過程中出口水分標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.069%，明顯低于原操作方法。說明在滾筒烘絲機(jī)參數(shù)設(shè)置預(yù)測方法時，過程中出口水分的穩(wěn)定性得到了明顯提升，提高了產(chǎn)品加工的均勻性。

4 結(jié)論

根據(jù)熱風(fēng)風(fēng)速、物料流量、筒壁溫度與來料水分的變化特性推導(dǎo)出基于來料狀態(tài)的滾筒烘絲機(jī)參數(shù)設(shè)置的預(yù)測方法，結(jié)果表明，該方法操作簡單，計(jì)算變量可由滾筒烘絲設(shè)備監(jiān)控曲線直接獲取。

（1）原操作方法下，頭料水分到達(dá)要求范圍內(nèi)的平均時間為6.32min;預(yù)測方法下，頭料水分到達(dá)要求范圍內(nèi)的平均時間為5.45min，明顯低于原操作方法。說明在滾筒烘絲機(jī)參數(shù)設(shè)置預(yù)測方法時，頭料水分能夠更快地到達(dá)要求范圍內(nèi)。

（2）原操作方法下，生產(chǎn)過程中調(diào)節(jié)的平均頻次為6.2次;預(yù)測方法下，生產(chǎn)過程中調(diào)節(jié)的平均頻次為2.7次，明顯低于原操作方法。說明在滾筒烘絲機(jī)參數(shù)設(shè)置預(yù)測方法時，減輕了勞動強(qiáng)度，提高了生產(chǎn)效率，同時由于生產(chǎn)過程中調(diào)節(jié)頻次的減少，也大大地降低了誤操作率。

（3）原操作方法下，生產(chǎn)過程中調(diào)出口水分標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.107%;預(yù)測方法下，生產(chǎn)過程中出口水分標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.069%，明顯低于原操作方法。說明在滾筒烘絲機(jī)參數(shù)設(shè)置預(yù)測方法時，過程中出口水分的穩(wěn)定性得到了明顯提升，提高了產(chǎn)品加工的均勻性。

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