熱風溫度過程控制問題分析與改善探討

黃亮，蔡艷，郭睿涵

（四川中煙工業(yè)有限責任公司成都卷煙廠，四川 成都 610066）

煙草加工企業(yè)制絲車間主要完成煙葉到煙絲的制作加工，其中包含幾個主要的工藝加工過程，潤葉、加料、切絲、烘絲、加香。溫度控制是其中一個較為常見并且非常重要的工藝控制指標。我廠制絲車間2019年新建一條寬窄品牌生產(chǎn)線，在新線建成后初期的生產(chǎn)過程中，由于最初設計、器件選型的原因，加料工序熱風溫度控制和烘絲工序熱風溫度控制出現(xiàn)了一些問題。雖然未超出工藝指標標準，但是，仍然引起了車間工藝、設備人員的關注，決定查找原因進行解決。

1 加料工序熱風溫度控制問題

1.1 加料機熱風溫度控制原理

加料潤葉機熱風溫度是通過外部蒸汽管道供應蒸汽，經(jīng)過汽水分離器后到熱風蒸汽管道上，再經(jīng)過減壓閥、氣動薄膜調(diào)節(jié)閥后進入位于風管內(nèi)的蒸汽噴管中，蒸汽以熱風為載體進入滾筒，與滾筒內(nèi)的物料接觸，直接對物料進行增溫增濕。熱風溫度由生產(chǎn)線電控柜控制。安裝在風管上的溫度傳感器將測量的熱風溫度信號送到線電控系統(tǒng)處理后，將所設定的熱風溫度與溫度傳感器測得的實際熱風溫度進行比較，當實際溫度大于設定溫度時，電控系統(tǒng)輸出信號給氣動薄膜調(diào)節(jié)閥定位器，控制執(zhí)行機構(gòu)減小薄膜閥開度，從而減少噴入滾筒內(nèi)的蒸汽流量，使實際熱風溫度降低，接近設定溫度。當實際溫度小于設定溫度時，電控系統(tǒng)輸出信號給氣動薄膜調(diào)節(jié)閥增大薄膜閥開度，加大蒸汽流量使實際熱風溫度升高接近設定溫度。設定的熱風溫度值是根據(jù)工藝標準給定的，同時給予一個控制范圍。生產(chǎn)過程中，實際熱風溫度超出該范圍就判定該溫度值不合格。

1.2 問題描述

加料潤葉機熱風溫度控制薄膜閥在正常生產(chǎn)過程中開度在3%～8%，尤其在生產(chǎn)開始的料頭階段，當實測溫度大于設定溫度后，薄膜閥開度減小，甚至有時候開度會減小到0。由于溫升和控制的滯后性，即使閥門在全關的狀態(tài)下，實際溫度仍有超過工藝標準要求上限值的危險。為避免熱風溫度超標導致溫度合格率降低，操作人員有時會采取手動控制的方式，提前減小閥門開度或關閉閥門。人工操作會導致生產(chǎn)過程熱風溫度控制穩(wěn)定性降低，影響標偏、CPK，操作不當也會導致溫度控制不合格。自動控制也會有超出工藝標準的危險。可見，閥門開度在3%～8%對控制存在一定問題。

1.3 原因分析

正常生產(chǎn)過程中薄膜閥開度與幾個因素有關，一是生產(chǎn)時需要供給熱風管道的蒸汽流量，它與設定溫度等因素有關。二是實際流通閥門的蒸汽流量，它反映了蒸汽流經(jīng)閥門后供應給熱風的熱量值。正常生產(chǎn)時，薄膜閥閥門開度較小，可以認為是流經(jīng)閥門的蒸汽量太大，實際需要的熱量值較小，在電控系統(tǒng)的控制下薄膜閥會自動減小開度，并維持在一個開度較小的區(qū)間進行控制。但當其他外部因素稍有變化時，較小的開度可能就會導致調(diào)節(jié)范圍不夠，同時，閥門在小開度區(qū)間也不利用過程控制。

1.4 解決措施

正常生產(chǎn)過程中，薄膜閥的開度維持在25%～75%是一個較好的范圍，在這個范圍內(nèi)控制比較穩(wěn)定，而且有一定的調(diào)節(jié)余量。生產(chǎn)過程中加大薄膜閥開度有以下三個途徑：（1）提高設定溫度，但設定溫度是生產(chǎn)工藝標準不能更改。（2）減小薄膜閥之前的蒸汽壓力或流量，相當于減少了外部蒸汽熱量值或供應量，薄膜閥開度就自然需要加大以滿足需要的蒸汽量。（3）選擇流通量較小的薄膜閥，那么在生產(chǎn)過程中薄膜閥的開度也會增大。

減小薄膜閥閥前壓力可以通過調(diào)節(jié)安裝在薄膜閥前的減壓閥來實現(xiàn)。通過查看生產(chǎn)過程中減壓閥的調(diào)節(jié)壓力值，發(fā)現(xiàn)此時的壓力值在1bar左右。而該減壓閥的調(diào)節(jié)范圍是0.2～17bar。可見通過調(diào)節(jié)減壓閥來減小薄膜閥閥前壓力值的空間不大。

選擇流通能力更小的薄膜閥有兩種措施：一是選擇口徑更小的閥門，二是選擇流通系數(shù)更小的閥門。但是，考慮到閥門重新選擇后安裝方便，我們決定采用相同口徑、流通系數(shù)更小的閥門。目前，我們使用的薄膜閥口徑為DN25，流通系數(shù)KVS10，以正常生產(chǎn)過程中閥門開啟度在3%，閥前壓力1bar，閥后壓力0為參考，我們請閥門廠家通過專業(yè)軟件計算得到蒸汽流量在5kg/h左右。同時，考慮到之后工藝要求在熱風溫度上可能出現(xiàn)增大的情況，把蒸汽流量90kg/h作為控制的上限值。通過軟件計算，口徑DN25、流量系數(shù)KVS2.5的閥門，閥前壓力2bar，閥后壓力0，蒸汽流量5kg/h時，閥門開度在27%，能夠很好地滿足當前生產(chǎn)的控制要求。當閥前壓力6bar，閥后壓力0，蒸汽流量在90kg/h，閥門開度90%，也能夠滿足后期提高熱風溫度工藝標準的需求。

1.5 改善效果

通過安裝相同口徑、流量系數(shù)Kvs2.5的薄膜閥后，生產(chǎn)過程中，薄膜閥定位器開度在30%～40%，自動控制穩(wěn)定，不再需要中控室操作人員手動控制，避免了溫度超標的危險。

2 烘絲工序熱風溫度控制問題

2.1 烘絲機熱風溫度控制原理

烘絲機熱風溫度是通過外部蒸汽管道供應蒸汽，經(jīng)汽水分離器后，再經(jīng)過氣動薄膜調(diào)節(jié)閥進入加熱器，風機產(chǎn)生的冷風經(jīng)過加熱器被加熱送到烘絲筒內(nèi)。熱風溫度仍由生產(chǎn)線電控柜控制。控制方式與加料潤葉機基本相同，風管處的溫度傳感器將測得的熱風溫度信號送到線電控系統(tǒng)處理后，將所設定的熱風溫度與溫度傳感器測得的實際熱風溫度相比，進而控制薄膜閥的開度。

2.2 問題描述

烘絲工序每批次生產(chǎn)結(jié)束后，通過生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)采集的熱風溫度過程數(shù)據(jù)自動計算得到熱風溫度過程能力指數(shù)CPK為1.32。按照CPK評級標準，1.33＞CPK≥1.0為B級，控制能力一般，制程因素稍有變異即有產(chǎn)生不良的危險，應利用各種資源及方法將其提升為A級。

2.3 原因分析

通過現(xiàn)場觀察發(fā)現(xiàn)，生產(chǎn)過程中實際的熱風溫度存在一定的波動，從而導致薄膜閥開度出現(xiàn)較大范圍的調(diào)節(jié)。通過進一步觀察，發(fā)現(xiàn)薄膜閥閥前壓力在生產(chǎn)過程中經(jīng)常會有波動，而薄膜閥閥前壓力是外部供應蒸汽經(jīng)汽水分離后提供給熱風蒸汽管路的壓力，說明外部蒸汽壓力供應不穩(wěn)定。所以外部供應蒸汽壓力不穩(wěn)是導致熱風溫度控制不穩(wěn)定，熱風溫度CPK指標不理想的直接原因。

2.4 解決措施

通過觀察烘絲機筒壁溫度控制情況，發(fā)現(xiàn)筒壁溫度控制穩(wěn)定，筒壁蒸汽管道薄膜閥開度在生產(chǎn)過程中基本不變或有微小調(diào)節(jié)。而外部蒸汽經(jīng)汽水分離后，一路供應給筒壁加熱蒸汽管道，一路供應給熱風蒸汽管道，可見外部蒸汽壓力波動對筒壁溫度控制沒有影響。通過比較發(fā)現(xiàn)，蒸汽經(jīng)汽水分離器后，在筒壁蒸汽管路上薄膜閥之前有一個減壓閥，而在熱風管路上主蒸汽經(jīng)汽水分離后直接經(jīng)過薄膜閥再到加熱器，前面沒有減壓閥。而外部蒸汽壓力波動時，筒壁蒸汽管路上薄膜閥前的壓力基本保持不變，說明減壓閥起到穩(wěn)壓的作用。因此，我們在熱風蒸汽管路上薄膜閥前增加一個減壓閥來保證薄膜閥前壓力穩(wěn)定，從而保證熱風溫度控制穩(wěn)定。

2.5 改善結(jié)果

現(xiàn)場在薄膜閥前安裝了減壓閥，并將減壓閥設定在合適的壓力值。生產(chǎn)過程中，薄膜閥閥前壓力穩(wěn)定，開度區(qū)間合理，熱風溫度控制穩(wěn)定，熱風溫度CPK值5.3，達到A++級，特優(yōu)。安裝減壓閥前后熱風溫度CPK對比情況。

3 結(jié)語

減壓閥和薄膜閥的組合配置在制絲生產(chǎn)線上很常見，通過上面兩個案例，說明這兩種控制閥的安裝、選型以及調(diào)節(jié)設置非常重要。減壓閥調(diào)節(jié)到合理壓力值以及薄膜閥自身的合理選型能夠保證生產(chǎn)過程中薄膜閥開度在合適區(qū)間，同時，減壓閥還起到穩(wěn)壓作用，這都對提高過程控制穩(wěn)定性、保證產(chǎn)品質(zhì)量起到了重要的保障作用。