探索氣流式烘絲過程水分影響體系的研究

秦 凌 鄭 炯 朱 軼 滑曄軍 潘 軍

（上海煙草集團有限責任公司，上海 200082）

氣流式烘絲出口水分穩定性是評價煙絲質量的重要指標之一，該文將重點從設備原理、生產流程、過程參數影響、參數試驗等方面較為全面地探索煙絲在氣流式烘絲機內部的過程水分變化情況，針對性地提升氣流式烘絲機出口水分穩定性的控制能力。

1 數據樣本

該文選取了在平穩生產過程中某一批次的大批數據作為研究樣本數據，其中大批生產包括四個小批的連續生產。該文將通過大批生產過程的數據來著重研究氣流式烘絲機過程的水分變化情況。

1.1 數據處理

大批分為四個小批次，每個小批次數據以6s作為原始數據間隔。而過程數據可能存在的缺失、重復、異常等情況，由于相鄰數據時間間隔過短的原因，針對缺失值的情況，會采取相鄰兩位取均值替代的方法，填補中間缺失值；針對數值重復的情況，需要根據重復段長來決定處理方法，重復段長為5個點以內，不做處理，重復段長超過5個點，進行數據泛化和刪除處理；由于生產分為料頭、料尾、平穩生產過程，因此數據異常值處理主要針對平穩段。針對異常數據的情況，會預先以3個標準差為控制限對數據進行排序，刪除處于控制線以外的點。

1.2 數據統計

煙絲在進入氣流式烘絲機至風選出口的停留時間一般為2min~3min，為了保證后續能充分分析數據，需要對數據樣本進行壓縮處理。第一類為原始數據過程，數據時間間隔為6s；第二類為基于第一類原始數據進行統計壓縮的數據，時間間隔為5min。

2 數據分析

利用大批數據的小批次原始數據與時間間隔5min的壓縮數據來探究烘絲入口水分與中部水分、風選出口水分的關系。

2.1 原始數據分析

對原始數據間隔為6s的數據樣本進行氣流式烘絲機入口水分、中部水分、出口水分的現狀分析發現，每個大批內的各小批水分均值表現并不一致，但是水分波動范圍基本在±0.2。而中部水分第一小批由于受到入口水分第一小批水分相對較高的影響，而出現頭批過高的現象，后續基本在16.8左右波動。

風選出口水分表現出明顯的正弦變化，反應氣流式烘絲機連接出口水分與工藝氣體溫度的PID調節產生了全程控制的效果。

由于氣流式烘絲機生產過程中，煙絲從準備進入設備到烘絲結束的時間大約為2min，因此原始數據間隔為6s的數據樣本不能直接進行水分段關聯分析，后續需要對數據樣本進行壓縮處理。

2.2 1min數據分析

由于同一時刻下的入口、中部、風選出口水分在6s的時間間隔內并不是相對應的煙絲測量值，因此需要對數據進行壓縮，以大致逼近對應時間段煙絲的入口、中部、風選出口水分值，于是利用5min的時間間隔進行壓縮數據和分析。如圖1所示。

圖1為5min壓縮的矩陣圖，顯示氣流式烘絲機中部出口水分與葉絲風選出口水分存在相關系數為0.6的相關性，從而反映了風選段對水分影響的定量作用并不會改變水分的趨勢性變化，而入口水分與兩者關聯性并不大。

圖1 氣流式烘絲各段水分矩陣圖

3 設備機理控制

由于氣流式烘絲機出口水分的PID控制是水分控制的關鍵，與中部水分相比，PID循環控制以出口水分作為反饋點更精確。圖2為氣流式烘絲機內部運行機理示意圖。

圖2 氣流式烘絲機系統結構圖

可見，系統內部以煙絲風選冷卻水分作為負反饋，通過調節系統內部的熱風溫度，調節最終的風選出口水分，而熱風溫度的調節指令會發送到燃燒爐，以調節燃燒爐功率，從而實現整體水分穩定性控制的功能，而中部煙絲水分由于煙絲溫度過高，水分測量并不準確，因此并不能作為PID的負反饋調節輸入；由于氣流式烘絲機采取恒流量控制，在進口處會有水分實際值檢測和公式換算來確定相應的質量控制輸入。

物料在達到規定的流量后進入烘絲機內部，經振槽、進料口、引拋針輥混合蒸汽進入工藝處理段，后經氣鎖分離物料和工藝氣體，工藝氣體通過風機循環回流，物料經旋風落料器、VAS后冷卻輸送。

其中物料水分穩定性控制主要受出口水分PID控制模塊、設備運行生產狀態、物料進入進料口時物氣混合狀態以及生產運行對頭、尾料的控制水平的影響。接下來該文將介紹其中4個主要方面的改進方法。

4 水分穩定性提升措施

4.1 水分控制系統改進

由于氣流式烘絲機工作時間較短、自動化程度較高，其中最核心的是出口水分PID控制系統，而、、D參數設置是控制水分調節幅度和時機的關鍵。（比例）代表最終的水分步伐調節比例，決定了振幅的大小。（積分）代表歷史水分波動的總和，反應的是對未來水分波動的預判，一般決定了波動的周期。D（微分）代表水分調節的斜率，反應的是水分變化的劇烈程度。因此不同的入口水分、出口水分控制以及設備環境都有不同的PID設置，且隨著生產進行、設備的老化與生產條件的變化，原先已經預設的PID設置水平已經不能滿足最優化的調整，需要進一步進行優化。

改進預防措施如下：需要結合現有條件對目前PID的三個參數進行三因子的田口試驗，并且引入環境溫濕度作為噪聲因子，通過以1批~2批最終的烘絲出口水分標偏作為每組試驗結果指標來找尋最佳的PID設備參數設置。

僅改進系統設置還不夠完全，由于最終水分調節指令通過改變燃燒爐的功率來達到調節工藝氣體溫度的目的，因此燃燒爐是指令執行的最基礎單元。而含碳的燃料長期在爐內燃燒必然會造成爐內積碳和結垢，造成燃燒爐功率過高或者無法加熱工藝氣體溫度到規定指令的功率。因此定期維護和檢查燃燒爐以及燃燒爐與工藝氣體進行熱交換的熱交換器狀態是系統正常運行的必要環節。

4.2 設備生產狀態差異化調整

氣流式烘絲機在實際生產過程中，持續性生產與間歇性生產所形成的設備狀態存在差異。當設備預熱啟動和間歇后啟動生產時，由于機器由冷機向熱機狀態做過渡，相較于連續生產，氣流式烘絲機達到設備最佳運行狀態所需要的時間更長，甚至生產過程中并未達到與持續生產時一樣的最佳運行狀態。為了縮小氣流式烘絲機間歇性生產與持續性生產的差異，需要針對兩種生產狀態設定相應的生產參數。

改進措施如下。1）冷批：定義如果兩批生產時間間隔超過3小時以上，第二批為冷批生產；2）熱批：定義兩批生產時間間隔在1小時以內的，兩批視為連續生產；3）其他：兩批生產間隔時間為1h~3h，可以適當折中對待。

在對冷、熱生產狀態的批次煙絲進行多次試驗生產后總結發現，在冷批生產時，設備狀態、環境等因素處于較低水平，氣流式烘絲機為了快速達到最佳工作狀態，其啟動溫度、預熱溫度相對熱批生產時高2℃~3℃。且進料的物料流量在控制范圍內時，冷批相對熱批要多30kg/h，冷批烘絲出口水分達到穩定狀態的用時與熱批相近，且過程中水分穩定性有所加強。

4.3 物料進口狀態調整

物料進入氣流式烘絲機內部都是經過振槽下落至進料口，經針輥、蒸汽打散后落入工藝處理段。而物料進入筒內時，煙絲是否充分松散、水分是否均勻將直接影響到工藝氣體對煙絲的干燥效果。因此在進料處對煙絲進行充分松散顯得尤為重要。其中針輥中的蒸汽由于受到外部條件限制無法更改，但是針輥上針孔的松堵需要定時進行維護，以保證松散效果。除了關鍵設備的定時維護外，關鍵參數的設置也是重要的影響因素之一，其中引拋電機轉速的設置直接關乎煙絲下落的松散度，為了探尋最佳的設置水平，該文對進料處引拋電機轉速進行單因子試驗。

試驗方案如下：選中兩批煙絲進行試驗，在第一批生產批次中，前半批生產時間內電機轉速設置為52r/min，并且記錄該設置下的開始、結束時間，之后根據生產時間進行風選出口水分標偏值的計算，后半批生產時間內，電機轉速設置為55r/min，同樣記錄該設置下的生產時間，之后同理計算風選出口水分標偏值；在另一批煙絲生產過程中，效仿第一批52r/min、50r/min式，驗證電機轉速為52r/min、50r/min各自對應的風選出口水分標偏值。

經過兩批次的單因子試驗，結果如下：在保持其他條件不變的前提下，在同一批次生產中間進行電機轉速調節，得到對應時間段內的風選出口水分標偏。對比在同批次內進行的不同電機轉速下風選出口水分標偏結果，得到電機轉速為52 r/min時，氣流式烘絲機風選出口水分較為穩定。

4.4 生產過程操作優化

料頭、料尾是流程化生產不可避免出現的環節，而料頭的控制對后續平穩階段的生產顯得更重要。因此能否將料頭出口水分狀態更快速和準確地控制至平穩階段，會直接影響整體烘絲出口水分的穩定性，而人為設置的燃燒爐啟動功率和設備的預熱溫度又是料頭生產中的關鍵參數，因此為了探尋兩者在一般生產工況條件下的最佳設置水平組合，該文將進行兩參數全因子試驗，以風選出口水分標偏作為試驗結果值。試驗方案與試驗結果見表1。

根據表1的試驗數據，通過最優化分析找尋出在一般工況條件下生產時啟動功率、預熱溫度的最佳設置水平組合，分析如圖3所示。

表1 正交試驗記錄表

通過響應優化以及結合圖3所示的交互分析效應圖可以得出，在當前工況條件下，為了達到風選出口水分更高的穩定性水平，啟動功率和預熱溫度的最佳設置組合應為54kW和217℃。并且預測最佳的風選出口水分標偏在0.168左右。

圖3 柔性風選出口水分標偏交互作用圖

后續為保證試驗分析結果的有效性，需要進行優化驗證。通過在相同工況條件下，連續進行為期一周的優化驗證生產，統計出為期一周共40批的驗證生產批次的風選出口水分標偏均值為0.175，試驗改善效果較為明顯。

5 總結

通過分析原始過程數據找出氣流式烘絲機過程關鍵水分點之間的相關關系，為后續水分階段化控制提供參考依據。解析氣流式烘絲機內部設備原理與控制系統，從內部控制與現場設備改進角度出發，總結過程水分與風選出口水分穩定性控制的相關舉措，將氣流式烘絲機水分變化鏈條透明化。結合實際生產模式下的具體生產條件，探索出設備最佳的關鍵參數設置水平，從而規范生產操作標準，進一步提升氣流式烘絲機水分控制能力。