CTD-1氣流烘絲機料頭階段燃燒爐溫度控制系統(tǒng)的改進

羅旻暉，吳國忠，郭 峰，蘭志勇

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

CTD-1 氣流烘絲機（Comas Tower Dryer）是卷煙制絲生產(chǎn)中常用的煙絲干燥設備，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、含水率等物理指標達到生產(chǎn)工藝要求。在煙絲干燥過程中，保持燃燒爐溫度（以下簡稱爐溫）恒定進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)轉換至生產(chǎn)狀態(tài)的過渡階段）的控制靈敏度較低，容易導致工藝氣體溫度波動大、干頭煙絲量多等問題［2-3］。近年來，針對烘絲工藝及設備已有較多研究和改進。林豫璋［4］基于相關性分析確定了影響葉絲出口含水率的因素，并通過改進料頭控制程序縮短熱風溫度調(diào)節(jié)時間，減少了出口煙絲含水率的波動；高玉梅［5］在低氧環(huán)境中對葉絲或梗絲進行快速膨脹和干燥定型，并通過增加氣料比和干燥管道長度降低烘絲溫度；林平［6］基于葉絲膨脹機和順流式滾筒烘絲機，研究了切絲寬度、筒壁溫度等工藝參數(shù)對葉絲填充能力的影響；席年生［7］分析了HXD 氣流干燥烘絲機進料含水率和溫度對葉絲綜合質(zhì)量的影響；王宗英［8］對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、感官質(zhì)量、化學成分等加工質(zhì)量的差異。但在料頭階段對爐溫進行精準控制的研究則鮮見報道。爐溫控制系統(tǒng)主要利用伺服電機和PID控制裝置通過調(diào)節(jié)燃燒爐中油氣配比閥（包括燃油閥和進氣閥）的開度實現(xiàn)對爐溫的控制。雷俞芝［9］基于模糊技術的鍋爐控制系統(tǒng)研究表明，串級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PID 控制裝置建立CTD-1氣流烘絲機爐溫控制系統(tǒng)的雙閉環(huán)串級控制回路，以期實現(xiàn)對料頭階段爐溫的精準控制，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 氣流烘絲機工作原理如圖1 所示，煙絲經(jīng)高頻振槽1 進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中實現(xiàn)分離；分離后的干燥煙絲進入下游生產(chǎn)設備，部分低溫氣體經(jīng)排潮管路5排出并帶走多余水分，剩余低溫氣體進入燃燒爐6中被重新加熱至設定溫度，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9 控制，助燃風機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（德國德圖集團）在線檢測］進行調(diào)節(jié)。在批次化生產(chǎn)過程中，烘絲機工作狀態(tài)分為待料和進料兩個階段：①待料時，烘絲機處于預熱節(jié)能狀態(tài)，此時工藝氣體溫度設定值為T1（160 ℃），當工藝氣體實際溫度＞T1時燃燒爐停止燃燒，當實際溫度＜T1時則燃燒爐重新點火。②進料后，當煙絲瞬時流量＞100 kg/h 并持續(xù)10 s 時表明進入料頭階段，此時工藝氣體溫度設定值由T1切換至T2（165 ℃），同時伺服電機通過PID控制油氣配比閥開度增大（圖2），使工藝氣體實際溫度由T1逐漸升高至T2［1］。

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

圖2 改進前CTD-1氣流烘絲機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定值由T1切換至T2的方式有兩種：①系統(tǒng)將溫度設定值由T1自動切換至T2，該方法缺乏對溫度變化的預判性，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，導致工藝氣體溫度波動大、振蕩時間長，進而導致出口煙絲含水率不穩(wěn)定、干頭煙絲量增多，對煙絲品質(zhì)和工藝質(zhì)量產(chǎn)生較大影響。②人工根據(jù)工藝氣體實際溫度不斷修改溫度設定值直至達到T2，這種方法對人工操作要求較高，操作不當則容易導致熄火或油氣配比閥油量與風量不匹配。其中，助燃空氣風量過小會造成燃油燃燒不充分，導致燃燒爐膛內(nèi)壁積垢；助燃空氣風量過大則會導致大量熱氣直接排入室外，增大燃油消耗。

2 改進方法

2.1 系統(tǒng)設計

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

圖3 改進后CTD-1氣流烘絲機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 風量控制方法改進

在手動模式下點火并固定燃油閥位，當燃油閥位為15.0%時，不同助燃風機頻率下尾氣中的CO含量、燃油燃燒效率η的變化趨勢見圖4a。可見，CO含量隨風機頻率的增大而減小然后趨于穩(wěn)定，燃燒效率η隨風機頻率的增大而增大然后趨于穩(wěn)定。當燃油閥位為30.0%～60.0%時，CO含量和燃燒效率η的變化趨勢與圖4a 基本一致。其中，燃油閥位為30.0%、45.0%、60.0%時的變化趨勢見圖4b、4c 和4d?？紤]到風機頻率過大時氧含量過高，會導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)定階段的最小風機頻率作為最優(yōu)值，獲得15.0%～60.0%范圍內(nèi)燃油閥位與風機頻率的最優(yōu)匹配數(shù)據(jù)，見圖5。對匹配數(shù)據(jù)進行線性擬合，結果表明：最優(yōu)匹配下風機頻率Y與燃油閥位X線性正相關，關系式為Y=0.476 7X+1.225 0（R2=0.998 3）。將關系式寫入變頻器控制程序中，即可利用伺服電機對風機頻率進行自動控制。

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

圖5 燃油閥位與風機頻率的最優(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）、積分時間（Ti）、微分時間（Td）是影響PID性能的關鍵參數(shù)。在料頭爐溫控制系統(tǒng)改進后，為提高油氣配比閥的動態(tài)特性，縮短待料階段點火/熄火的等待時間和溫差，需要對原有PID 的控制參數(shù)進行優(yōu)化。如表1 所示，當Kp=1.2、Ti=75、Td=20 時，待料階段點熄火等待時間最短，溫差最小，可以有效縮短批次間等待時間，提高燃油效率。

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

2.4 燃油閥位限值確定

為進一步節(jié)約能源和減少碳排放，需要確定控制系統(tǒng)改進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。當燃油閥位為60.0%時，燃燒爐溫度可以達到180 ℃左右，能夠滿足生產(chǎn)時爐溫控制在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

點火時油氣配比閥開度（以下簡稱點火閥門開度）過小會導致點火不成功，過大則會增加燃油消耗。由表2可見，改進前點火閥門開度達到15%時可以確保點火成功，此時燃油消耗量為18 kg/h；改進后點火閥門開度為12%時即可確保點火成功，此時燃油消耗量為15 kg/h左右。因此，改進后將點火閥門開度設置為12%，從而減少燃油消耗。

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

3 應用效果

3.1 實驗設計

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

設備與儀器：CTD-1 氣流烘絲機（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E+H公司）；TM710型水分儀（精度0.01，英國NDC 公司）；SIPART PS2 型閥位開度檢測器（精度0.1%，德國SAMSON公司）。

方法：CTD-1氣流烘絲機生產(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數(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)改進前分別采用自動調(diào)節(jié)和人工調(diào)節(jié)兩種方式將工藝氣體溫度設定值由T1切換至T2，改進后采用自動調(diào)節(jié)方式將工藝氣體溫度設定值由T1切換至T2。②分別統(tǒng)計改進前后各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）得分、料頭穩(wěn)定時間、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 氣流烘絲機料頭爐溫控制系統(tǒng)改進后，未出現(xiàn)料頭階段爐溫急劇下降現(xiàn)象，爐溫波動明顯減小。

圖7 料頭爐溫控制系統(tǒng)改進前后爐溫控制效果對比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)改進后，料頭穩(wěn)定時間由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，實現(xiàn)了對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)改進前后CTD-1氣流烘絲機生產(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 結論

通過增加新一級的PID控制裝置和閥位開度檢測器，將CTD-1氣流烘絲機料頭爐溫控制系統(tǒng)原有的單閉環(huán)控制回路改進為雙閉環(huán)串級控制回路，實時獲取料頭階段油氣配比閥的開度并對其進行精準控制。以廈門煙草工業(yè)有限責任公司生產(chǎn)的“七匹狼（純境、廈門）”牌卷煙煙絲為對象進行測試，結果表明：料頭爐溫控制系統(tǒng)改進后，料頭穩(wěn)定時間減少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。該技術可在同類型煙絲干燥設備中推廣應用。