基于煙絲風速比控制的丘堆狀風力喂絲工藝

廖和濱，李曉剛，張 偉，江家森，林 郁

1. 龍巖煙草工業有限責任公司，福建省龍巖市乘風路1299 號 364021

2. 福建中煙工業有限責任公司技術中心，福建省廈門市集美區濱水路298 號 361012

3. 福建中煙工業有限責任公司，福建省廈門市思明區蓮岳路118 號 361002

風力喂絲是利用風機產生具有一定負壓的氣流，通過管道將煙絲從貯絲房輸送至卷接機組的技術，具有輸送距離遠、靈活性高、環境污染少等優點［1-2］，但如何實現風力喂絲系統的過程參數控制，是研究風力喂絲工藝的重點之一。張楚安等［3］在原風力配絲裝置的基礎上，采用喂入式配絲方式，開發了新型風力配絲裝置，較好地解決了煙絲分層問題。謝海等［4］采用集束管替代通用樹狀型分支式、風量自動補償的風力送絲裝置，能較好地控制煙絲的輸送風速，達到降低煙絲造碎率、節約能源的目的。李理等［5］、王浩等［6］、李計剛等［7］對卷接機組的負壓檢測相關裝置進行了優化設計。以上研究都是通過設備配置升級以達到系統優化的目的，但對于基礎理論的應用研究較少。為此，從風力喂絲技術的理論分析入手，通過對過程參數煙絲風速比的控制，以實現高負載、非懸浮的丘堆狀風力送絲，從而有效降低風速，避免煙絲在風力輸送過程中的分層并減少煙絲造碎，進而提升卷包柔性風力喂絲的過程控制水平。

1 問題分析

1.1 生產流程

如圖1 所示，卷包車間風力喂絲系統的生產流程為：成品煙絲經翻箱喂絲后送至定量喂料裝置，實現煙絲的恒流量控制；煙絲在喂絲斗內與空氣充分混合后，經風送管道送至指定的卷接機組；在卷接機組的料倉內，煙絲被截留，含有粉塵的空氣則被集中送至布袋除塵器進行降塵處理，降塵后的干凈空氣經消音后排空；在料倉內的煙絲則進入卷接機組進行卷制。

1.2 存在問題

原卷包車間風力喂絲系統僅靠系統尾端的調頻風機進行風速調節，沒有其他相關的檢測裝置，無法對煙絲速度、風速等關鍵參數進行監控。而生產過程中卷接機組料倉要料信號隨時切換，導致風機頻率不斷變化，風速達到穩定的調節時間遠高于一次送料時間，因此，現有的風力喂絲系統無法實現風速和煙絲速度的有效控制，難以滿足煙絲風送風速工藝指標的規定要求。

2 改進方法

2.1 最佳煙絲輸送速度

風力喂絲的煙絲輸送涉及“氣-固”兩相運動，相關參數多，過程復雜。為確定物料輸送速度，首先需要確定懸浮速度Vf［8］。以物料在垂直管道中輸送為例進行分析，在管道中，物料由下向上輸送，這時自下而上的空氣流作用在物料上的力應等于物料本身的重力，使物料呈懸浮狀態，此時空氣流速成為懸浮速度Vf。

式中：α—煙絲的展開角度（rad）；φ—tan-12σ；σ— 煙絲與氣流間摩擦拽引力系數；；K=Sx/S0—煙絲展開系數，K≤1，煙絲全展開時K=1；δ—煙絲的平均厚度（m）；ρ—煙絲密度（kg/m3）；ρg—空氣密度（kg/m3）。

對于煙絲的氣力輸送，由于其姿態角的變化是隨機的，因此煙絲輸送的懸浮速度可視為α在0→π之間的積分周期平均值，故可得：

式（2）就是煙絲風送時的懸浮速度，計算可得懸浮速度為3.3 ～3.8 m/s，便可確定煙絲的輸送速度V。

式中φ為大于1 的極限數，其值大小依輸送物料種類、狀況而定，對卷煙物料（煙絲）而言，φ=2.2～2.8［8］，計算可得出煙絲風送速度的極限值。跟蹤實際生產運行中的煙絲風送速度與煙絲狀態的關系，過大的風速導致煙絲分層、造碎增加，過小的風速導致堵料，風速值控制范圍見表1，由此可確定最佳的煙絲風送速度為7～11 m/s。

表1 煙絲風送速度與煙絲狀態描述Tab.1 Description of pneumatic feeding velocity and status of cut tobacco

2.2 低風速丘堆狀風力喂絲系統

2.2.1 風速快速響應的補風裝置

改造后的喂絲系統如圖2 所示，煙絲由翻箱喂絲機1 倒料，經風力送絲管2，送入卷接機組3，完成煙絲輸送，而帶有粉塵的尾氣則經回風管4 送至除塵器7 降塵，除塵風機8 以固定頻率運行，干凈的空氣經過消音器10 后排空。為實現卷接機組喂絲風速快速響應且可控，新增了補風裝置6，當多臺卷煙機同時要煙絲時，補風裝置完全關閉，當某臺“要絲滿”信號觸發停止要煙絲時，補風裝置會立即打開30%的閥門開度進行相應的補風［9-10］，該模式大大改善了原變頻響應滯后的問題，為穩定風速控制提供了技術保證。

2.2.2 煙絲風速比△VAT控制模式

2.2.2.1 煙絲風速比△VAT的定義

在實際生產過程中，單次送料的煙絲高度曲線變化情況見圖3。由圖3 可以看出，在料頭和料尾處有明顯物料波峰，其中料頭波峰是由于上一次送絲過程中留在管道底部的尾料和本次送絲累加導致，而料尾波峰是因為卷接機組風門逐漸關閉，管道風速驟降而產生物料堆積。因此風力送絲管道內的煙絲量時刻都在變化，即任意截面內的煙絲高度不同。如采用恒風速控制模式，則煙絲速度時刻在變化，導致煙絲輸送為非穩態，當煙絲較多時，負壓過大，會加劇對管道下部煙絲的拉扯，當煙絲較少時，負壓不足，容易使煙絲送不走。因此，煙絲速度的穩定控制比風速控制更利于系統平衡。

為實現風速和煙絲速度可控，在送絲管中增加△VAT控制單元并在回風管中增加回風控制單元，見圖4?！鱒AT控制單元2 安裝于卷接機組料斗前端的水平送絲管3 上，靠近卷接機組料斗1處，此單元安裝高速光電陣列管，用于檢測煙絲速度、送絲管壓力等參數，并實時傳遞給回風控制單元4。回風控制單元4 安裝于卷接機組之后的回風管5 上，用于測量空氣氣流的速率、回風管壓力等參數值［11］，并通過調節控制氣流的回風閥，實現對回風管風量的及時調整。人機交互單元（HMI）7 安裝于卷接機組上，可以對煙絲傳送過程中的各個參數進行采集和分析控制、參數管理、實時狀態監控等。

式中：△VAT為煙絲風速比；Vtoba為煙絲速度（m/s）；Vair為空氣速度（m/s）。

在生產過程中，系統通過安裝于△VAT控制單元內的高速光電陣列管檢測煙絲速度，其原理是將激光發射在運行中的煙絲上，煙絲會將光束反射回傳感器內的光敏接收器，而光敏接收器為多像素陣列式，通過測量反射光角度和接收器上光斑的位移變化，借助內置的微處理器和相應的軟件算法，即可精準獲得煙絲的即時速度Vtoba。與此同時，在回風控制單元安裝有壓差式風速傳感器，利用皮托管和壓力傳感器測量出動壓，由此可計算得到風速Vair，進而得到煙絲風速比△VAT。

2.2.2.2 煙絲風速比△VAT的控制方法

不同煙絲風速比下，風力喂絲系統的管道內煙絲高度（管道內煙絲高度的計算方法：煙絲高度與管道直徑的比值，無量綱）和送絲管與回風管的壓力差曲線見圖5。隨著△VAT值的提高，管道內煙絲高度總體呈增加趨勢，當△VAT值＜0.70 時，煙絲高度基本保持不變，維持在23.58%左右；當△VAT值大于0.70 時，煙絲高度呈線性提高，最大值達到36.54%，表明煙絲風速比的提高能滿足大流量丘堆狀煙絲輸送的生產需求。送絲管與回風管的壓力差值隨△VAT值升高呈線性遞增分布，可以看到△VAT在0.65 到0.90 之間，壓力差值由589.13 Pa 逐步升高至1 798.49 Pa，之后出現拐點并下降到1 650.44 Pa，這是由于在回風管壓力基本不變的情況下，煙絲風速比值在0.95 時（煙絲速度10.07 m/s、風速10.61 m/s），壓力差值達到1 798.49 Pa，此時送絲管的壓力值達到最低點且僅有-2 464.87 Pa，加之卷接機組料倉漏風狀況時有發生，管道的送風負壓不足進而導致煙絲無法及時被送走，因此風力喂絲管道積料的可能性大增。

因此，為使系統達到較好的運行狀態，煙絲在管道內的堆積高度在25%至30%，送絲管與回風管的壓力差值在600 Pa 至1 200 Pa 之間為宜，由此△VAT值在0.70 至0.85 之間較為合理。

因在一個完整的單次送料過程中，風力喂絲系統可分為3 個階段（表2）：①頭料階段，接收到卷接機組要料信號后，將回風閥開至最大，同時前端喂料系統延時0.5 s 后開始喂料，最大風門持續2 s，將料頭階段堆積的物料及時送走，確保不堵料；②比例控制階段，對△VAT數值進行柔性控制，以實現低風速的丘堆狀煙絲風力喂絲，把盡可能多的煙絲保護起來，不與管道接觸，減少造碎；③尾料階段，保持△VAT數值的比例控制，接收到卷接機組料滿倉信號后，喂料系統立即停止進料，而回風閥延時0.5 s 后關閉，完成本次喂絲。

表2 單次風力喂絲邏輯控制Tab.2 Logical control for single pneumatic cut tobacco feeding

2.3 穩態大流量的煙絲輸送系統

2.3.1 翻箱喂絲的大流量供絲

原翻箱喂絲出料系統為折彎限量管設計，見圖6。生產狀態下，煙絲經貯柜3 出料后，經出料皮帶4 送至限量管5 穩流后，再經恒流皮帶6 至喂絲斗7，最終風送至卷接機組；而貯柜內的煙絲尾料則通過尾料口2 反向送至紙箱1 進行收集，生產結束。原系統約32 s 將煙絲從喂絲斗送至卷接機組料斗，使其滿倉（約9 kg 煙絲），因此出料系統設計流量為1 012 kg/h。低風速丘堆狀風力喂絲技術的核心理念是在短時間即15 s 內完成送絲，由此翻箱喂絲系統的出料頻率需大幅提升，滿足2 160 kg/h 的喂絲量，在此過程中容易在煙絲輸送系統的拐角處發生堵料，影響正常生產，尤其在喂絲斗的位置（喂絲斗因安裝高度有限，其折邊斜度不足，容易發生因煙絲架空而堵料）堵料頻次較多。

為解決原系統折彎處堵料問題，將原出料系統進行反向直供設計，即煙絲經貯柜翻箱送料，再經出料皮帶向左出料，直接將煙絲送入喂絲斗1并風送至卷接機組料斗。同時系統為解決貯柜出料流量波動大的問題，在出料皮帶4 上方增設了撥料輥2，當出料皮帶上的物料較多時，撥料輥將超高的煙絲向后撥，從而有效提高了出料系統的流量均勻性，見圖7。該出料方式能有效避開原系統多次折彎產生的堵料堆積，且由于富余的安裝高度，可通過優化煙絲下料結構，提高喂絲斗的折邊斜度，有效杜絕了煙絲堵料現象。

2.3.2 自動防堵料技術

通過前端翻箱喂絲的改造，實現了來料的大流量供絲，但風力喂絲管道至卷接機組料倉等處仍存在堵料風險，即容易因管道內堆積煙絲過多，致使送絲管道的負壓不足而發生堵料。為提高風力送絲的穩定性，增設了自動防堵料功能。該功能模塊工作原理如下：正常生產情況下，回風閥開度維持在65%左右，送絲負壓約-2 000 Pa，當系統檢測到送絲負壓在200 ms 內急劇變化約1 200 Pa且超過系統設置的壓力差啟動值800 Pa 時，啟動防堵料功能，如圖8 所示。此時系統立即全開回風閥，使送絲管內保持高負壓，即可將此刻管道內堆積的煙絲送走，消除堵料隱患，維持1 s 后閥門恢復至65%開度。通過以上自反饋系統，能夠有效降低煙絲在管道內的堵料風險。

3 應用效果

3.1 試驗設計

材料：“紅七匹狼”牌號成品煙絲（由龍巖煙草工業有限責任公司提供）。

儀器與設備：Tipper and Mini Silo 翻箱喂絲系統（意大利Garbuio 公司）；Protos M5 卷接機組（德國Hauni 公司）；ME203 電子天平（感量：0.1 g，瑞士Metter Toledo 公司）；YQ-2 煙絲結構測定儀（鄭州嘉德機電科技有限公司）；AS400 篩分儀（德國Retsch 公司）。

方法：風送前的煙絲在貯柜出料皮帶上取樣，風送后的煙絲在卷接機組料倉內取樣，分別對改進前后的煙絲整絲率、碎絲率和煙絲混合均勻度進行評價。其中煙絲的整絲率、碎絲率測定方法參考《煙絲整絲率、碎絲率的測定方法》［12］。煙絲混合均勻度測試方法參照《煙草混合均勻度的測定》［13］。

3.2 數據分析

圖9 為實時過程參數控制圖，分別有風速、煙絲速度、煙絲風速比、閥門開度和煙絲高度等參數值。由圖9 和表3 可知，實施柔性風力喂絲系統改造后，風速由原不可控降低至11.32 m/s（紅線a），煙絲速度降低至9.5 m/s（綠線b），并且實現了煙絲風速比（紫線c）在0.70 到0.85 之間的精準控制，卷接機組料倉單次滿倉填充時間由32 s 縮短至19.36 s，滿足了低風速丘堆狀風力喂絲的工藝需求。

通過對風力喂絲過程風速、煙絲風送速度和煙絲風速比的過程指標精準控制，其結果見表4?？梢钥闯?，丘堆狀煙絲風力喂絲技術，將每千克空氣輸送的煙絲量由0.58 kg 提升至1.71 kg，有效解決了煙絲風送速度過快帶來的煙絲分層問題，提升了生產過程的工藝質量。煙絲的混合均勻度由5.41%降低至5.16%，煙絲整絲率下降絕對值由1.27%降低至0.74%，煙絲消耗由32.17 kg·（50 000支）-1降低至31.34 kg·（50 000 支）-1，減少了煙絲消耗，實現了過程控制的精細化生產需求。

表3 改造前后風力喂絲過程指標控制效果Tab.3 Process index control for pneumatic cut tobacco feeding before and after modification

表4 改造前后風力喂絲效果驗證Tab.4 Effect verification of pneumatic cut tobacco feeding before and after modification

4 結論

①隨著煙絲風送速度的增加，煙絲分層加劇并產生大量造碎，煙絲風送速度控制在7～11 m/s時，能實現低風速的丘堆狀風力喂絲，煙絲不會與送絲管道產生過多摩擦，從而有效保護煙絲。②建立了無量綱煙絲風速比△VAT的參數控制，將△VAT值比例控制在0.70 至0.85 之間，可以達到最好的煙絲輸送狀態。③通過對翻箱喂絲系統的改進，使喂絲能力大幅提升，卷煙機料斗單次喂絲時間由32 s 縮短至15 s。④風力喂絲系統改進后實現了低風速的丘堆狀風力喂絲，風速由不可控降低至11.32 m/s，煙絲速度降低至9.5 m/s，有效解決了原系統煙絲風送速度過快帶來的煙絲分層問題。煙絲的混合均勻度由5.41%降低至5.16%；煙絲整絲率下降絕對值由1.27%降低至0.74%，煙絲消耗由32.17 kg·（50 000 支）-1降低至31.34 kg·（50 000 支）-1。