CTD-1气流烘丝机料头阶段燃烧炉温度控制系统的改进.pdf

为解决CTD-1气流烘丝机料头阶段工艺气体温度波动大、干头烟丝量多等问题，对料头炉温控制系统进行改进。通过增加新一级的PID控制装置和阀位开度检测器，将控制系统原有的单闭环控制回路改进为双闭环串级控制回路，实时获取料头阶段油气配比阀开度并对其进行精准控制；最优匹配下风机频率与燃油阀位呈线性正相关，利用伺服电机依据匹配关系即可对燃油阀位和风机频率进行自动控制；为保障燃油燃烧效率，点火时油气配比阀初始开度设为12%，烘丝过程中最高燃油阀位设为60%。以厦门烟草工业有限责任公司生产的“七匹狼（纯境、厦门）”牌卷烟烟丝为对象进行测试，结果表明：料头炉温控制系统改进后，料头稳定时间减少41 s/批次，料头工艺气体温度极差下降3.4，干头质量减少3.0 kg/批次，出口烟丝含水率QI得分提高5分，燃油消耗量减少7 kg/批次。该技术可为提升卷烟品质的稳定性提供支持。关键词：CTD-1气流烘丝机；料头阶段；燃烧炉温度；PID串级控制；燃油阀位；风机频率中图分类号：TS432文献标志码：A文章编号：1002-0861（2023）09-0100-07收稿日期：2023-05-19录用日期：2023-06-20基金项目：福建中烟工业有限责任公司科技项目“基于物联网的设备智能运维研究与应用”（FJZYKJJH2023ZD044）。第一作者：罗旻晖（1988），男，硕士，工程师，从事烟草制丝设备和信息化技术研究。E-mail：L*通信作者：吴国忠（1982），男，硕士，高级工程师，从事烟草制丝工艺和设备改造研究。E-mail：W引用本文：罗旻晖，吴国忠，郭峰，等.CTD-1气流烘丝机料头阶段燃烧炉温度控制系统的改进 J.烟草科技，2023，56（9）：100-106.（LUO Minhui,WU Guozhong,GUO Feng,et al.Modification of temperature control system for combustion furnace in CTD-1pneumatic cut tobacco dryer at head tobacco drying stage J.Tobacco Science&Technology，2023，56（9）：100-106.DOI：10.16135/j.issn1002-0861.2023.0304）CTD-1气流烘丝机料头阶段燃烧炉温度控制系统的改进罗旻晖，吴国忠*，郭峰，兰志勇厦门烟草工业有限责任公司制丝车间，福建省厦门市海沧新阳工业区新阳路1号 361022Modification of temperature control system for combustion furnace inCTD-1 pneumatic cut tobacco dryer at head tobacco drying stageLUO Minhui,WU Guozhong*,GUO Feng,LAN ZhiyongTobacco Primary Processing Workshop,Xiamen Tobacco Industrial Co.,Ltd.,Xiamen 361022,Fujian,ChinaAbstract：In order to reduce temperature fluctuation of the processing gas or minimize the amount ofover-dried tobacco at the head tobacco drying stage,the temperature control system for thecombustion furnace in a CTD-1 pneumatic cut tobacco dryer at the head tobacco drying stage wasmodified.By adding a PID controller and a valve opening position monitor,the original singleclosed-loop control circuit of the control system was replaced by a double closed-loop cascade controlcircuit to real-timely monitor and accurately control the opening status of the fuel/air proportioningvalve at the head tobacco drying stage.Ideally,the opening position of the fuel valve is linearlypositively correlated to the fan motor frequency.Therefore,the opening position of the fuel valve andfan motor frequency can be automatically synchronized by a servo motor.To ensure combustionefficiency,the initial opening of the fuel/air proportioning valve at ignition time is set at 12%,andthe highest fuel valve position during steady stage of tobacco drying is set at 60%.The modifiedcontrol system was tested on the cut tobacco for cigarette brand“Septwolves(Chunjing,Xiamen)”inXiamen Tobacco Industrial Corporation Limited.The results showed that at the head tobacco drying第 56 卷第 9 期CTD-1 气流烘丝机（Comas Tower Dryer）是卷烟制丝生产中常用的烟丝干燥设备，主要利用燃烧炉产生的高温工艺气体（160180）将膨胀后烟丝迅速干燥，使出口烟丝的填充值、温度、含水率等物理指标达到生产工艺要求。在烟丝干燥过程中，保持燃烧炉温度（以下简称炉温）恒定进而保持工艺气体温度恒定是确保烟丝脱水量和出口烟丝含水率稳定的必要条件1。但在当前采用的批次化生产模式下，因炉温控制系统在料头阶段（批次间生产间隙，即由待料状态转换至生产状态的过渡阶段）的控制灵敏度较低，容易导致工艺气体温度波动大、干头烟丝量多等问题2-3。近年来，针对烘丝工艺及设备已有较多研究和改进。林豫璋4基于相关性分析确定了影响叶丝出口含水率的因素，并通过改进料头控制程序缩短热风温度调节时间，减少了出口烟丝含水率的波动；高玉梅5在低氧环境中对叶丝或梗丝进行快速膨胀和干燥定型，并通过增加气料比和干燥管道长度降低烘丝温度；林平6基于叶丝膨胀机和顺流式滚筒烘丝机，研究了切丝宽度、筒壁温度等工艺参数对叶丝填充能力的影响；席年生7分析了HXD气流干燥烘丝机进料含水率和温度对叶丝综合质量的影响；王宗英8对比分析了滚筒干燥和气流干燥两种工艺条件下，叶丝物理指标、感官质量、化学成分等加工质量的差异。但在料头阶段对炉温进行精准控制的研究则鲜见报道。炉温控制系统主要利用伺服电机和PID控制装置通过调节燃烧炉中油气配比阀（包括燃油阀和进气阀）的开度实现对炉温的控制。雷俞芝9基于模糊技术的锅炉控制系统研究表明，串级PID是改善炉温控制质量的有效方法之一。为此，通过增加新一级 PID 控制装置建立CTD-1气流烘丝机炉温控制系统的双闭环串级控制回路，以期实现对料头阶段炉温的精准控制，提高卷烟产品品质的稳定性。1问题分析1.1工作原理CTD-1气流烘丝机工作原理如图1所示，烟丝经高频振槽1进入高温蒸汽膨胀单元2后形成膨胀stage,the time for the furnace to approach to its stable temperature was reduced by 41 s/batch,theextreme temperature difference of the processing gas was reduced by 3.4,the amount of over-driedtobacco was reduced by 3.0 kg/batch,the QI score for the moisture content in the output tobacco wasincreased by 5 points,and the fuel consumption was reduced by 7 kg/batch.This technology providessupport for promoting the consistency of cigarette quality.Keywords：CTD-1 pneumatic cut tobacco dryer;Head tobacco drying stage;Combustion furnacetemperature;Cascade PID control;Opening position of fuel valve;Fan motor frequency图1CTD-1气流烘丝机工作原理示意图Fig.1Working principle of CTD-1 pneumatic cut tobacco dryer1.高频振槽2.高温蒸汽膨胀单元3.干燥塔4.切向落料器5.排潮管路6.燃烧炉7.油气配比阀8.燃油阀9.伺服电机10.助燃风机罗旻晖，等：CTD-1气流烘丝机料头阶段燃烧炉温度控制系统的改进 1012023 年烟草科技烟丝，然后被喷射的蒸汽送入干燥塔3内；高温工艺气体在干燥塔内与膨胀烟丝充分接触，形成的干燥烟丝与低温气体在切向落料器4中实现分离；分离后的干燥烟丝进入下游生产设备，部分低温气体经排潮管路5排出并带走多余水分，剩余低温气体进入燃烧炉6中被重新加热至设定温度，为膨胀单元和干燥塔提供高温气体。燃烧炉炉温由油气配比阀7的开度决定。其中，燃油阀8的开度由伺服电机9控制，助燃风机10的频率由人工根据燃油燃烧效率和尾气中CO含量 利用testo 350烟气分析仪（德国德图集团）在线检测 进行调节。在批次化生产过程中，烘丝机工作状态分为待料和进料两个阶段：待料时，烘丝机处于预热节能状态，此时工艺气体温度设定值为T1（160），当工艺气体实际温度T1时燃烧炉停止燃烧，当实际温度T1时则燃烧炉重新点火。进料后，当烟丝瞬时流量100 kg/h并持续10 s时表明进入料头阶段，此时工艺气体温度设定值由T1切换至T2（165），同时伺服电机通过PID控制油气配比阀开度增大（图2），使工艺气体实际温度由T1逐渐升高至T21。图2改进前CTD-1气流烘丝机工艺气体温度控制原理Fig.2Control principle of processing gas in CTD-1 pneumatic cut tobacco dryer before modification图3改进后CTD-1气流烘丝机工艺气体温度控制原理Fig.3Control principle of processing gas in CTD-1 pneumatic cut tobacco dryer after modification1.2存在问题目前工艺气体温度设定值由T1切换至T2的方式有两种：系统将温度设定值由T1自动切换至T2，该方法缺乏对温度变化的预判性，容易出现油气配比阀开度调节滞后或超调现象，导致工艺气体温度波动大、振荡时间长，进而导致出口烟丝含水率不稳定、干头烟丝量增多，对烟丝品质和工艺质量产生较大影响。人工根据工艺气体实际温度不断修改温度设定值直至达到T2，这种方法对人工操作要求较高，操作不当则容易导致熄火或油气配比阀油量与风量不匹配。其中，助燃空气风量过小会造成燃油燃烧不充分，导致燃烧炉膛内壁积垢；助燃空气风量过大则会导致大量热气直接排入室外，增大燃油消耗。2改进方法2.1系统设计如图3所示，通过增加新一级PID控制装置和阀位开度检测器，将炉温控制系统原有的单闭环控制回路改进为双闭环串级控制回路，通过实时获取料头阶段油气配比阀开度实现炉温的精准控制6，减小工艺气体温度波动。新增的PID控制装置采用西门子S7-1200PLC搭载SM1281模块，阀位开度检测器（德国SAMSON公司）在5%95%的油气配比阀开度范围内可以确保检测结果的准确性。2.2风量控制方法改进在手动模式下点火并固定燃油阀位，当燃油阀位为15.0%时，不同助燃风机频率下尾气中的CO含量、燃油燃烧效率的变化趋势见图4a。可见，CO含量随风机频率的增大而减小然后趋于稳定，燃烧效率随风机频率的增大而增大然后趋于稳定。当燃油阀位为30.0%60.0%时，CO含量和燃烧效率的变化趋势与图 4a 基本一致。其中，燃油阀位为30.0%、45.0%、60.0%时的变化趋势见图 4b、4c 和4d。考虑到风机频率过大时氧含量过高，会导致局部高温和氮氧化物的形成。因此，取CO含量和燃烧效率稳定阶段的最小风机频率作为最优值，获得15.0%60.0%范围内燃油阀位与风机频率的最优匹配数据，见图5。对匹配数据进行线性拟合，结果表 102第 56 卷第 9 期明：最优匹配下风机频率Y与燃油阀位X线性正相关，关系式为Y=0.476 7X+1.225 0（R=0.998 3）。将关系式写入变频器控制程序中，即可利用伺服电机对风机频率进行自动控制。2.3PID参数优化比例参数（Kp）、积分时间（Ti）、微分时间（Td）是影响PID性能的关键参数。在料头炉温控制系统改进后，为提高油气配比阀的动态特性，缩短待料阶段点火/熄火的等待时间和温差，需要对原有PID的控制参数进行优化。如表1所示，当Kp=1.2、Ti=75、Td=20时，待料阶段点熄火等待时间最短，温差最小，可以有效缩短批次间等待时间，提高燃油效率。2.4燃油阀位限值确定为进一步节约能源和减少碳排放，需要确定控制系统改进后燃油阀位的最大限值。如图6所示，燃烧炉最高温度随燃油阀位的增大而增大，燃烧效率随燃油阀位的增大先增大后减小。当燃油阀位为60.0%时，燃烧炉温度可以达到180 左右，能够满足生产时炉温控制在175185 的要求，且燃烧效a.燃油阀位为15.0%b.燃油阀位为30.0%图4尾气中CO含量和燃油燃烧效率随风机频率的变化趋势Fig.4Variations of CO content in exhaust gas and combustion efficiency with fan motor frequencyc.燃油阀位为45.0%d.燃油阀位为60.0%图5燃油阀位与风机频率的最优匹配数据Fig.5Optimal matching data between fuel valve openingposition and fan motor frequency罗旻晖，等：CTD-1气流烘丝机料头阶段燃烧炉温度控制系统的改进 1032023 年烟草科技序号12345PID参数Kp551.20.81.2Ti6060606075Td302424.52420待料阶段点火/熄火测试结果等待时间/s240220200184176温差/65654表1不同PID控制参数下点火/熄火等待时间和温差对比Tab.1Comparison of ignition/idle time and temperaturedifference under different PID control parameters率最高，为 92.7%。因此，取燃油阀位最大限值为60.0%。点火时油气配比阀开度（以下简称点火阀门开度）过小会导致点火不成功，过大则会增加燃油消耗。由表2可见，改进前点火阀门开度达到15%时可以确保点火成功，此时燃油消耗量为18 kg/h；改进后点火阀门开度为12%时即可确保点火成功，此时燃油消耗量为15 kg/h左右。因此，改进后将点火阀门开度设置为12%，从而减少燃油消耗。序号12345678改进前点火阀门开度/%1716151413121110点火成功率/%1001001009590888070燃油消耗量/（kg h-1）17.316.816.215.715.415.014.313.7改进后点火阀门开度/%15141312111098点火成功率/%10010010010092.587.575.062.5燃油消耗量/（kg h-1）16.215.715.415.014.313.713.312.8表2改进前后不同点火阀门开度下点火成功率和燃油消耗量对比Tab.2Comparison of ignition success rate and fuel consumption at different ignition valve openingsbefore and after modification3应用效果3.1实验设计材料：“七匹狼（纯境、厦门）”牌卷烟烟丝（厦门烟草工业有限责任公司提供）。设 备 与 仪 器：CTD-1 气 流 烘 丝 机（意 大 利COMAS公司）；ICS-800-ST型电子秤（精度0.5%，浙江杭州四五零九所）；TST40N-CA3KP13LD2P型温度传感器（精度0.1，德国E+H公司）；TM710型水分仪（精度0.01，英国NDC公司）；SIPART PS2型阀位开度检测器（精度0.1%，德国SAMSON公司）。方法：CTD-1气流烘丝机生产能力为3 000 kg/h，采用批次化生产模式，每批次烟丝总量3 250 kg，入口烟丝含水率（20.00.5）%。在料头阶段采集炉温数据（20次/min）并绘制炉温变化曲线。其中，料头炉温控制系统改进前分别采用自动调节和人工调节两种方式将工艺气体温度设定值由T1切换至T2，改进后采用自动调节方式将工艺气体温度设定值由T1切换至T2。分别统计改进前后各5批次出口烟丝的干头质量和含水率QI（Quality Inspection，质量检验）得分、料头稳定时间、料头工艺气体温度极差以及燃油消耗量等生产数据，取平均值。3.2数据分析如图7所示，CTD-1气流烘丝机料头炉温控制系统改进后，未出现料头阶段炉温急剧下降现象，炉温波动明显减小。如表3所示，料头炉温控制系统改进后，料头稳定时间由81 s减少至40 s，料头工艺气体温度极差由 6.0 下降至 2.6，干头烟丝质量由 5.2 kg/批次减少至 2.2 kg/批次，出口烟丝含水率 QI 得分由图6不同燃油阀位下燃烧炉最高温度和燃烧效率Fig.6The highest temperature and combustion efficiencyat different opening positions of fuel valve 104第 56 卷第 9 期90分提升至95分，燃油消耗量由83 kg/批次减少至76 kg/批次，实现了对料头阶段炉温和工艺气体温度的快速、稳定控制，提升了烟丝生产品质，减少了燃油消耗。4结论通过增加新一级的PID控制装置和阀位开度检测器，将CTD-1气流烘丝机料头炉温控制系统原有的单闭环控制回路改进为双闭环串级控制回路，实时获取料头阶段油气配比阀的开度并对其进行精准控制。以厦门烟草工业有限责任公司生产的“七匹狼（纯境、厦门）”牌卷烟烟丝为对象进行测试，结果表明：料头炉温控制系统改进后，料头稳定时间减少41 s/批次，料头工艺气体温度极差下降3.4，干头烟丝质量减少3.0 kg/批次，出口烟丝含水率QI得分提高5分，燃油消耗量减少7 kg/批次。该技术可在同类型烟丝干燥设备中推广应用。参考文献1 王小飞，彭晓燕，杨玉波，等.基于 RBF-ARX 模型的烘丝机出口含水率优化控制方法 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批次-1）767574787776罗旻晖，等：CTD-1气流烘丝机料头阶段燃烧炉温度控制系统的改进 1052023 年烟草科技MAYuping.Relationshipbetweentechnologicalparameters of HXD，expansion rate of cut lamina andcigarette qualityJ.Tobacco Science&Technology，2004（7）：4-6，9.4 林豫璋.提高CTD塔式烘丝机出口水分QI得分的探究 J.黑龙江科技信息，2017（1）：85.LIN Yuzhang.Research on promoting QI score ofmoisture content in output tobacco from CTD towertype dryerJ.Heilongjiang Science and TechnologyInformation，2017（1）：85.5 高玉梅，李辉，孙革，等.新型叶丝、梗丝高膨胀干燥 设 备 的 设 计 应 用J.烟 草 科 技，2008（10）：12-15，29.GAO Yumei，LI Hui，SUN Ge，et al.Design&application of new high expansion dryer for cut rag andcut stemJ.Tobacco Science&Technology，2008（10）：12-15，29.6 林平，陈良元，罗登山，等.叶丝在线膨胀工艺参数与填充能力的关系研究 J.烟草科技，1998（6）：5-6.LIN Ping，CHEN Liangyuan，LUO Dengshan，et al.Relationship between on-line expansion parameters andfilling power of cut stripsJ.Tobacco Science&Technology，1998（6）：5-6.7 席年生，胡建新，陈建军，等.HXD叶丝进料状态对其综合质量的影响 J.烟草科技，2006（8）：5-8，32.XI Niansheng，HU Jianxin，CHEN Jianjun，et al.Influence of temperature and moisture 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