秦凱歌 ，齊毅 ，林敏

（1.襄陽(yáng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 汽車(chē)工程學(xué)院，湖北 襄陽(yáng) 441022；2.湖北文理學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，湖北 襄陽(yáng) 441022；3.武漢卷煙廠，武漢 430023）

0 引言

加料機(jī)循環(huán)氣體通過(guò)熱交換機(jī)加熱，經(jīng)熱風(fēng)管道、加料筒、回風(fēng)管道再回到熱交換器加熱，形成循環(huán)。由于加料環(huán)節(jié)會(huì)添加糖料，加料機(jī)循環(huán)氣體中存在大量的煙草粉塵、煙油及糖料微粒，在高溫高濕生產(chǎn)環(huán)境下，易附著在熱交換器散熱板管表面。如果不及時(shí)清洗，長(zhǎng)期積累會(huì)形成結(jié)垢，阻塞板管間隙，降低熱交換器傳熱效率和通風(fēng)能力，破壞加熱穩(wěn)定性，影響產(chǎn)品質(zhì)量；當(dāng)結(jié)垢過(guò)多難以清除，將縮短設(shè)備使用壽命[1]。所以，加料機(jī)熱交換器是設(shè)備維保人員保養(yǎng)重點(diǎn)。

1 現(xiàn)狀調(diào)查及分析

驗(yàn)證清洗熱交換器對(duì)預(yù)熱效果和生產(chǎn)回風(fēng)溫度的改善作用。

1.1 預(yù)熱效果改善

生產(chǎn)前加料機(jī)會(huì)自動(dòng)預(yù)熱并達(dá)到設(shè)定溫度，加料機(jī)自動(dòng)停止預(yù)熱。預(yù)熱效果是一項(xiàng)反映設(shè)備狀態(tài)的重要參考數(shù)據(jù)，預(yù)熱時(shí)間短證明設(shè)備傳熱效率高、工作狀態(tài)良好，且在較短時(shí)間的預(yù)熱可以降低能源消耗。

為分析清洗熱交換器對(duì)預(yù)熱時(shí)間產(chǎn)生的影響，在武漢卷煙廠制絲車(chē)間B線加料機(jī)上進(jìn)行一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，方案如下：固定B線加料機(jī)預(yù)熱時(shí)的熱交換器蒸汽薄膜閥開(kāi)度、熱風(fēng)風(fēng)機(jī)頻率和排潮風(fēng)機(jī)頻率不可調(diào)，分別為50%、30 Hz和35 Hz，對(duì)加料機(jī)進(jìn)行預(yù)熱，比對(duì)熱交換器清洗前和清洗后的預(yù)熱溫度趨勢(shì)圖。

清洗前：在正常生產(chǎn)狀態(tài)下，7 d不清洗熱交換器，熱交換器結(jié)垢已經(jīng)較多，從MES提取第7天加料機(jī)預(yù)熱溫度趨勢(shì)圖。清洗后：在第8天生產(chǎn)前，清洗熱交換器后進(jìn)行預(yù)熱，再提取預(yù)熱溫度趨勢(shì)圖。將2次的預(yù)熱溫度上升趨勢(shì)進(jìn)行比對(duì)，如圖1所示。

從圖1可以看出，在相同室溫下，清洗熱交換器之前，預(yù)熱到55℃需要23.1 min，而清洗后，加料機(jī)預(yù)熱速度更快，只需要13.4 min。說(shuō)明清洗熱交換器有助于改善預(yù)熱效果。

圖1 加料機(jī)預(yù)熱溫度上升趨勢(shì)比對(duì)圖

1.2 回風(fēng)溫度改善

生產(chǎn)時(shí)，加料機(jī)偶爾會(huì)出現(xiàn)回風(fēng)溫度（熱交換器入口前溫度）偏下限的情況，將熱交換器進(jìn)汽薄膜閥開(kāi)度開(kāi)至100%，調(diào)節(jié)熱風(fēng)風(fēng)門(mén)開(kāi)度，回風(fēng)溫度仍然偏低，導(dǎo)致回風(fēng)溫度CPK不合格。根據(jù)維保人員經(jīng)驗(yàn)，可能是熱交換器堵塞[1]。生產(chǎn)間隙對(duì)熱交換器進(jìn)行清洗，后續(xù)生產(chǎn)回風(fēng)溫度恢復(fù)正常。

為證實(shí)上述猜想，研究熱交換器清潔程度與回風(fēng)溫度是否有關(guān)，設(shè)計(jì)一套實(shí)驗(yàn)，方案如下：固定熱風(fēng)風(fēng)機(jī)頻率為20 Hz，熱風(fēng)風(fēng)門(mén)開(kāi)度為60%，旁路風(fēng)門(mén)開(kāi)度為40%。實(shí)驗(yàn)前清洗一次熱交換器，實(shí)驗(yàn)中不再清洗，記錄加料機(jī)熱風(fēng)循環(huán)系統(tǒng)接下來(lái)幾天的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，取每天熱風(fēng)溫度（熱交換器出口溫度）、回風(fēng)溫度和出口溫度（加料機(jī)出口溫度，即出口煙葉溫度）的平均值填在表1中。

表1 加料機(jī)熱風(fēng)循環(huán)系統(tǒng)數(shù)據(jù)表

5月4日清洗熱交換器后，當(dāng)天生產(chǎn)時(shí)熱交換器蒸汽薄膜閥開(kāi)度為40%，熱風(fēng)溫度平均值為78.6℃，回風(fēng)溫度和出口溫度達(dá)標(biāo)（工藝質(zhì)量要求回風(fēng)溫度和出口溫度均為（50.0±2.5）℃）。但隨著生產(chǎn)批次累積，熱交換器蒸汽薄膜閥開(kāi)度每日需遞增10%～20%左右，5月6日為60%，5月8日為80%。觀察熱交換器，每天的積灰也在逐漸增多。由此可以得出：熱風(fēng)溫度隨熱交換器蒸汽薄膜閥開(kāi)度增加而增加，但由于熱交換器沒(méi)有清洗，熱交換器逐漸堵塞，影響循環(huán)風(fēng)風(fēng)量，回風(fēng)溫度反而逐漸減小。說(shuō)明熱交換器清潔程度影響加料機(jī)回風(fēng)溫度。

加料機(jī)熱交換器清潔程度與預(yù)熱效果和回風(fēng)溫度密切相關(guān)，影響煙葉生產(chǎn)質(zhì)量和設(shè)備壽命。應(yīng)定期清洗熱交換器，除去黏結(jié)在熱交換器內(nèi)部板管上的糖料、煙油和粉塵，但清洗頻率高，人工清洗效率低，且需要登高作業(yè)，具有一定危險(xiǎn)性，設(shè)計(jì)一套加料機(jī)熱交換器自動(dòng)清洗裝置代替人工清洗很有必要。

2 裝置的設(shè)計(jì)

2.1 自動(dòng)清洗裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在B線加料機(jī)熱交換器基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)安裝一套自動(dòng)清洗裝置，主要有熱交換器自動(dòng)清洗和噴吹兩大功能。裝置達(dá)到自動(dòng)開(kāi)啟條件后，先用熱水清洗熱交換器，然后再用壓縮空氣對(duì)熱交換器進(jìn)行噴吹。清洗過(guò)程新增噴吹功能，一是吹干清潔水，保護(hù)熱交換器散熱板管，延長(zhǎng)使用壽命；二是吹走粘在板管上的結(jié)垢，使清潔更加徹底，提高清潔度[2]。清洗裝置與熱交換器為一體化設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 自動(dòng)清洗裝置結(jié)構(gòu)圖

加料機(jī)熱交換器由2個(gè)熱交換器組成，分為一區(qū)和二區(qū)，基本結(jié)構(gòu)類(lèi)似?；仫L(fēng)進(jìn)入熱交換器前分為兩路：一路經(jīng)過(guò)熱交換器變?yōu)闊犸L(fēng)，另一路直接通過(guò)旁通風(fēng)管不加熱，兩路風(fēng)量大小由風(fēng)門(mén)調(diào)節(jié)，最終在熱交換器出口匯成熱風(fēng)對(duì)煙葉加熱，通過(guò)調(diào)節(jié)風(fēng)門(mén)可以控制循環(huán)風(fēng)溫度及風(fēng)速。過(guò)濾網(wǎng)對(duì)進(jìn)入熱交換器的回風(fēng)進(jìn)行初步過(guò)濾。過(guò)濾網(wǎng)為不銹鋼絲網(wǎng)，絲徑為0.63 mm，目數(shù)為8，可以擋住直徑超過(guò)3 mm的煙葉[3]。檢修門(mén)的設(shè)置方便清理濾網(wǎng)擋住的煙灰、煙葉及糖料。清洗水、壓縮空氣入口與清洗噴管連接，一個(gè)熱交換器上有15根清洗噴管（直徑為20 mm，材質(zhì)為304不銹鋼），固定于清洗門(mén)上，噴管下方均勻排布直徑為2 mm的圓孔，清洗水和壓縮空氣從圓孔噴出，對(duì)熱交換器板管進(jìn)行清洗、噴吹。排污口直徑為50 mm，熱交換器下方有水槽用于緩沖污水流量。檢測(cè)開(kāi)關(guān)型號(hào)為歐姆龍ZCP25，用于檢測(cè)清洗門(mén)是否關(guān)閉，非關(guān)閉狀態(tài)自動(dòng)清洗功能禁止使用。

2.2 清洗水加熱裝置設(shè)計(jì)

如果采用自來(lái)水清洗熱交換器，清洗水溫和熱交換器溫差過(guò)大，會(huì)損壞熱交換器散熱板，長(zhǎng)期使用會(huì)降低熱交換器性能和壽命。因此，熱交換器自動(dòng)清洗裝置還設(shè)計(jì)了一套恒溫恒壓供水系統(tǒng)，保護(hù)熱交換器的同時(shí)還可以提升清洗效果[2]，恒溫恒壓供水系統(tǒng)管路圖如圖3所示。

圖3 恒溫恒壓供水系統(tǒng)管路示意圖

水箱設(shè)計(jì)存儲(chǔ)量為2000 kg。蒸汽通過(guò)蒸汽截止閥、蒸汽過(guò)濾器、調(diào)壓閥、蒸汽薄膜閥到水箱對(duì)水加熱，蒸汽出口高度低于低水位傳感器，水溫設(shè)定值為（42.5±2.5）℃，蒸汽薄膜閥狀態(tài)通過(guò)水溫傳感器反饋調(diào)節(jié)，對(duì)蒸汽通量進(jìn)行控制，當(dāng)水位低于低位水位傳感器時(shí)，蒸汽薄膜閥關(guān)閉[4]。水通過(guò)氣動(dòng)球閥、截止閥、浮球閥到水箱，氣動(dòng)球閥通過(guò)2個(gè)水位傳感器控制開(kāi)關(guān)，浮球閥依靠浮力機(jī)械控制開(kāi)關(guān)，都屬于自動(dòng)進(jìn)水開(kāi)關(guān)，兩者串聯(lián)有雙保險(xiǎn)作用，避免水箱水外溢。熱水經(jīng)過(guò)截止閥、過(guò)濾器、泵，分成2路，一路清洗熱交換器；一路清洗滾筒，2路通過(guò)氣動(dòng)球閥控制開(kāi)關(guān)。泵設(shè)有自我保護(hù)功能，運(yùn)行前提是低水位傳感器檢測(cè)有水。因?yàn)闊峤粨Q器自動(dòng)清洗裝置還具有噴吹功能，所以在熱水管路并入空氣管路，壓縮空氣經(jīng)氣動(dòng)球閥、過(guò)濾器、空氣放大器進(jìn)入熱交換器，氣動(dòng)球閥收到水清洗結(jié)束的信號(hào)后開(kāi)啟。加料筒內(nèi)糖料較多，煙葉粘在上面難以沖洗，該系統(tǒng)還可以用來(lái)清洗加料滾筒[5]。

2.3 自動(dòng)清洗控制方案設(shè)計(jì)

根據(jù)加料機(jī)工作的實(shí)際情況，設(shè)計(jì)熱交換器自動(dòng)清洗控制方案。自動(dòng)清洗有2種控制模式：一種是在操作界面上點(diǎn)擊按鈕清洗模式；另一種是自動(dòng)清洗模式。

按鈕清洗模式是全自動(dòng)清洗模式的補(bǔ)充，使用FactoryTalk View Studio軟件在現(xiàn)有加料機(jī)操作界面上添加“熱交換器清洗”、“熱交換器清洗停止”、“熱交換器噴吹”、“熱交換器噴吹停止”4個(gè)清洗功能按鈕。在熱交換器自動(dòng)清洗程序出現(xiàn)故障或者對(duì)清洗效果不滿意時(shí)，可點(diǎn)擊按鈕，人為控制熱交換器自動(dòng)清洗、噴吹時(shí)間。

自動(dòng)清洗模式在收到停機(jī)信號(hào)后，對(duì)停機(jī)時(shí)間大于3 h、清洗水溫度為40～45℃、回風(fēng)溫度小于40℃、清洗門(mén)關(guān)閉、進(jìn)熱交換器蒸汽薄膜閥關(guān)閉5項(xiàng)確認(rèn)后，開(kāi)始自動(dòng)清洗。自動(dòng)清洗時(shí)間為1 min，清洗完自動(dòng)噴吹1 min。停機(jī)信號(hào)為自動(dòng)清洗使能，每次停車(chē)只有1次自動(dòng)清洗使能，所以每次停車(chē)最多只自動(dòng)清洗1次。按照制絲車(chē)間生產(chǎn)模式，幾乎每天會(huì)停車(chē)設(shè)備保養(yǎng)，所以設(shè)計(jì)頻率為每天清洗1次。熱交換器自動(dòng)清洗控制流程如圖4所示。

圖4 熱交換器自動(dòng)清洗控制流程圖

加料機(jī)程序采用RSLogix5000軟件設(shè)計(jì)，為保證新增程序與主程序銜接，使用該軟件編程，在主程序添加多個(gè)程序段，包括自動(dòng)清洗、自動(dòng)噴吹、清洗按鈕、噴吹按鈕四大功能。

3 應(yīng)用效果

根據(jù)MES采集的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，分析安裝熱交換器自動(dòng)清洗裝置前后月平均預(yù)熱時(shí)間變化及回風(fēng)溫度CPK合格率變化。

3.1 預(yù)熱時(shí)間

從圖5中可以看出，1—5月B線加料機(jī)月平均預(yù)熱時(shí)間均在19 min以上。6月安裝了自動(dòng)清洗裝置后，預(yù)熱時(shí)間明顯下降，7—12月月平均預(yù)熱時(shí)間在12 min左右。說(shuō)明該裝置清潔效果明顯，能有效提高預(yù)熱效率、減少能源消耗、提升設(shè)備性能。

圖5 1-12月平均預(yù)熱時(shí)間對(duì)比圖

3.2 回風(fēng)溫度CPK合格率

對(duì)2019年1—12月份加料機(jī)回風(fēng)溫度CPK的合格率、滿分率及最小值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，由表2數(shù)據(jù)可以看出，1—6月份CPK合格率均低于94%。安裝了清洗裝置后，7—12月CPK合格率整體提高了1個(gè)百分點(diǎn)，CPK的滿分率也有大幅度提高，CPK最小值沒(méi)有改善（CPK≥1.33為合格；CPK=1.69為滿分）。

表2 加料機(jī)回風(fēng)溫度CPK月度數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

未安裝裝置前，熱交換器堵塞導(dǎo)致熱風(fēng)溫度能力不足，操作人員只能通過(guò)增大增溫、增濕蒸汽流量來(lái)保證煙葉出口溫度，但煙葉出口水分增加，烘前物料水分難以達(dá)標(biāo)；安裝自動(dòng)清洗裝置后，定期自動(dòng)清洗熱交換器，保證熱風(fēng)能力足夠強(qiáng)大，操作人員可以固定增溫、增濕蒸汽量，通過(guò)自動(dòng)調(diào)整熱風(fēng)風(fēng)門(mén)保證出口溫度、回風(fēng)溫度，又不影響烘前水分。所以，使用該裝置可以極大改善加料機(jī)回風(fēng)系統(tǒng)，提高煙絲品質(zhì)。

4 結(jié)語(yǔ)

1）加料機(jī)熱交換器自動(dòng)清洗裝置可以實(shí)現(xiàn)加熱水、清洗、壓縮空氣噴吹，自動(dòng)、手動(dòng)模式切換等功能，能有效清理附著在熱交換器板管上的結(jié)垢，提高設(shè)備性能，延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命；2）清洗裝置在熱交換器上改造，經(jīng)濟(jì)適用、節(jié)約場(chǎng)地，自動(dòng)控制方法考慮全面，保障人員和設(shè)備的安全，減少勞動(dòng)力；3）應(yīng)用效果良好，有效提高預(yù)熱效率，改善回風(fēng)溫度，提升產(chǎn)品質(zhì)量，降低能源消耗。