燃油管道式烘絲機（HXD）燃燒爐系統(tǒng)的改進

林天勤

龍巖煙草工業(yè)有限責任公司，福建省龍巖市新羅區(qū)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(shè)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(fā)，以獲得滿足工藝要求含水率的煙絲［1］，其燃燒介質(zhì)主要有天然氣和柴油兩種。燃燒爐工作的穩(wěn)定性對HXD的工藝氣流溫度控制產(chǎn)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(chǎn)中一旦出現(xiàn)燃燒爐熄火現(xiàn)象，重新恢復生產(chǎn)至少需要20 min以上，同時還會產(chǎn)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(lián)動風門調(diào)節(jié)進入燃燒爐和旁路風管的風量，以快速調(diào)節(jié)工藝氣體溫度。該方法雖然能快速獲得穩(wěn)定的工藝氣流溫度，但并沒有從根本上解決燃燒爐本身設(shè)計中存在的缺陷。為此，對燃燒爐原柴油管路系統(tǒng)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(tǒng)工作的穩(wěn)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(huán)管道系統(tǒng)組成［3］，煙絲經(jīng)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(tǒng)與工藝氣體混和，經(jīng)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(fā)，且經(jīng)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(jīng)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(tǒng)控制原理見圖1。柴油經(jīng)過油泵電機加壓后，經(jīng)過溢流閥穩(wěn)壓，然后經(jīng)過穩(wěn)壓閥和控制閥調(diào)節(jié)流量大小，再按順序依次經(jīng)過穩(wěn)壓閥、電磁閥和油槍。柴油的最終流量由溢流閥和穩(wěn)壓閥的壓力以及控制閥的開度決定，控制閥開度由聯(lián)桿機構(gòu)旋轉(zhuǎn)控制。聯(lián)桿機構(gòu)由氣動控制閥驅(qū)動，同時控制柴油流量和助燃風機風量，聯(lián)桿機構(gòu)動作是否順暢對系統(tǒng)溫度控制有較大影響。

1.2 存在問題及分析

由于現(xiàn)有燃燒爐柴油管路系統(tǒng)設(shè)計較簡單，執(zhí)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(lián)桿機構(gòu)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(diào)節(jié)方式的控制閥需要根據(jù)經(jīng)驗觀察燃燒爐火焰燃燒情況進行閥門開度調(diào)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(wěn)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(shè)定較大，柴油流量不能控制得足夠低，從而出現(xiàn)工藝氣流溫度上升較快、下降較慢情況。在換牌生產(chǎn)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(chǎn)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(tǒng)是一個單閉環(huán)控制回路，通過PID的輸出直接調(diào)節(jié)控制閥的閥門開度，閥門開度與柴油流量僅是一種正相關(guān)關(guān)系，控制對象特性不穩(wěn)定，因此溫度控制系統(tǒng)的穩(wěn)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(chǎn)品工藝質(zhì)量的穩(wěn)定性有較大影響［4］。

2 改進方法

2.1 管路系統(tǒng)

改進后柴油管路系統(tǒng)見圖3。在柴油管路上增加了質(zhì)量流量計，用于檢測柴油流量，也有助于調(diào)整助燃空氣風量。將原控制閥更換為控制精度高且穩(wěn)定性好的氣動薄膜調(diào)節(jié)閥，并從聯(lián)桿機構(gòu)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(wěn)壓閥去掉，直接由溢流閥保證壓力，由氣動薄膜調(diào)節(jié)閥控制流量大小。

根據(jù)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(zhì)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(diào)節(jié)閥工作在50%左右的閥位，選擇了氣動薄膜調(diào)節(jié)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(wěn)定，同時也延長了閥門的使用壽命。

2.2 溫度控制系統(tǒng)

改進后溫度控制系統(tǒng)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(jù)燃燒爐的設(shè)定溫度獲得柴油流量設(shè)定值，再通過調(diào)節(jié)氣動薄膜閥門的開度控制流量大小以實現(xiàn)對燃燒爐溫度的調(diào)節(jié)。由于柴油流量與燃燒爐溫度具有較強的線性關(guān)系，通過控制柴油流量以提高爐溫控制的穩(wěn)定性。對于柴油流量，通過PID運算對氣動薄膜調(diào)節(jié)閥進行控制，可以迅速達到設(shè)定的流量值。為此對該系統(tǒng)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(jīng)過設(shè)備調(diào)試，將點火時的固定閥門開度設(shè)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(shè)定柴油最小流量為36 kg/h，保證爐子火焰信號穩(wěn)定；在加熱過程中設(shè)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(tǒng)進行了改進。首先將風量調(diào)節(jié)由原來的風門控制改為變頻器控制，然后根據(jù)柴油流量調(diào)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(shè)定不同的柴油流量，然后不斷地調(diào)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?？梢?，柴油流量與風機頻率并不成比例關(guān)系，但總體趨勢是正相關(guān)的，為此將其模擬為3個線性方程并進行編程，見表2。根據(jù)檢測到的柴油流量計算風機頻率，實現(xiàn)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(shù)據(jù)

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(wěn)定性都有較大提高，燃燒爐的火焰信號增強且穩(wěn)定。改進后的油管路系統(tǒng)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(shù)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(xiàn)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(wěn)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(chǎn)效率。

［1］陳良元.卷煙生產(chǎn)工藝技術(shù)［M］.鄭州：河南科學技術(shù)出版社，2002.

［2］岳先領(lǐng)，何佳滿，周一飛，等.燃油管道式烘絲機檢測系統(tǒng)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(yōu)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(tǒng)［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2009.