潘恒樂，王榮文，吳名輝，施斐炯，王 勇，徐志浩，周文罡，戎 濤，梅光傳，鐘放鴻*

1.常德煙草機械有限責任公司，湖南省常德市武陵區(qū)長庚路999號 415000

2.浙江中煙工業(yè)有限責任公司寧波卷煙廠，浙江省寧波市奉化經(jīng)濟開發(fā)區(qū)葭浦西路2001號 315040

ZJ119 型卷接機組是以ZJ116 型卷接機組為技術(shù)平臺研制的新一代高速卷接設(shè)備，其額定生產(chǎn)速度達12 000 支/min，是當前國內(nèi)卷煙企業(yè)的主力生產(chǎn)設(shè)備之一［1-2］。該機型采用流化床供絲系統(tǒng)［3-4］，通過循環(huán)風機為流化床提供送絲氣流，將煙絲輕柔地送至風室體中。因參與生產(chǎn)的氣流在系統(tǒng)中不斷循環(huán)使用，導(dǎo)致氣流溫度不斷上升，影響煙絲溫度，而煙絲溫度是影響卷煙感官質(zhì)量的重要因素之一［5-8］。近年來，針對ZJ119 機組已有較多研究，李小平等［9］研制一種卷煙紙自動糾偏系統(tǒng)，提高了卷煙外觀質(zhì)量和設(shè)備運行效率；湯澤東等［10］設(shè)計一種基于伺服控制的接裝紙張力控制系統(tǒng)，滿足了卷煙高速生產(chǎn)需求；崔麗娜等［11］對煙條切割輪進行改進，降低了缺陷煙支比例。針對流化床供絲氣流溫度控制的研究則主要集中在ZJ116系列機組，潘恒樂等［12］利用水冷循環(huán)風機降低氣流溫度；陳智鳴等［13］將閉環(huán)供氣系統(tǒng)改進為開環(huán)控制，避免氣流溫度上升。上述兩種方法雖然都可應(yīng)用于ZJ119 機組實現(xiàn)供絲氣流溫度的降低，但仍存在設(shè)備維保強度高、卷煙感官質(zhì)量不穩(wěn)定等問題。為此，在現(xiàn)有方法的基礎(chǔ)上設(shè)計了一種供絲氣流溫度控制系統(tǒng)，利用低溫水進入水-氣熱交換器對氣流進行降溫，以期有效調(diào)節(jié)氣流溫度，提高卷煙產(chǎn)品質(zhì)量。

1 問題分析

如圖1所示，ZJ119型卷接機組流化床供絲系統(tǒng)主要由循環(huán)風機（3）、流化床（7）、空氣分配箱（5）、旋風除塵器（4）等組成。循環(huán)風機產(chǎn)生的氣流通過空氣分配箱輸送到流化床中，為一次分選吹風（8）、二次分選吹風（6）以及流化床等部件提供正壓氣流，完成梗簽分離和煙絲的柔性輸送。旋風除塵器的入口與流化床上部風管相連，少量的氣流將過濾出的粉塵帶到集中除塵管道（1）中，大部分氣流再次回到循環(huán)風機中，由此形成一個內(nèi)部氣流循環(huán)回路。隨著運行時間的增長，供絲系統(tǒng)內(nèi)的溫度不斷升高。有研究表明［12-13］，在長時間運行后，循環(huán)風機的溫度達到55.6 ℃，空氣分配箱中的循環(huán)空氣溫度達到42.23 ℃。溫度過高會增大煙絲香氣和水分的揮發(fā)，進而影響卷煙感官質(zhì)量。

圖1 ZJ119型卷接機組流化床供絲系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure of cut tobacco feeding system in fluidized bed in filter cigarette maker ZJ119

浙江中煙工業(yè)有限責任公司杭州卷煙廠將循環(huán)風機改為水冷循環(huán)風機，利用水冷系統(tǒng)降低風機溫度，實現(xiàn)了供絲氣流的降溫。但該方法存在以下問題：①因水管中冷卻液的溫度較低，與車間室內(nèi)的空氣溫差較大，水管和分水塊外壁容易形成冷凝水，從而造成設(shè)備內(nèi)部零件銹蝕；②在設(shè)備停機狀態(tài)下，風機剛停止轉(zhuǎn)動時溫度較高，而風機水冷層溫度較低，導(dǎo)致風機殼體內(nèi)外溫差大，使風機內(nèi)壁容易形成冷凝水，與煙塵混合形成煙垢，情況嚴重時會導(dǎo)致風機卡頓、驅(qū)動電機報警，增大設(shè)備維保強度。

廣西中煙工業(yè)有限責任公司南寧卷煙廠將供絲氣流系統(tǒng)由閉環(huán)改為開環(huán)，即將原風機入口與大氣相通，流化床的氣流則進入除塵管道，見圖2。由于卷煙生產(chǎn)企業(yè)對生產(chǎn)環(huán)境要求較高［14-15］，進入流化床的氣流要求恒溫恒濕，而經(jīng)過流化床供絲系統(tǒng)后，含有煙塵的氣流通過除塵管道直接進入負壓除塵系統(tǒng)，氣流不再循環(huán)使用，有效避免了供絲氣流溫度上升。但氣流開環(huán)系統(tǒng)會將煙絲揮發(fā)在空氣中的香氣帶走，無法像氣流閉環(huán)系統(tǒng)一樣在一定程度上保留煙絲中香氣。因此，開環(huán)系統(tǒng)的使用會影響卷煙感官質(zhì)量。

圖2 流化床氣流開環(huán)供絲系統(tǒng)Fig.2 Open loop structure of cut tobacco feeding airflow in fluidized bed

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基于ZJ119 型卷接機組設(shè)計了一種流化床供絲氣流溫度控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由內(nèi)循環(huán)水路系統(tǒng)和獨立的PLC 控制系統(tǒng)組成。其中，循環(huán)水路系統(tǒng)由兩個熱交換器、電磁閥、水泵、水箱、溫度傳感器、流量計以及壓力傳感器等組成，見圖3。水-氣熱交換器安裝在ZJ119 型卷接機組的旋風除塵器與循環(huán)風機之間，對供絲氣流進行降溫；水-水熱交換器對循環(huán)水路中的循環(huán)水進行冷卻；通過3個電磁閥控制水路的通斷，水泵為循環(huán)水路提供動力，水箱中貯存溫水，在設(shè)備停機時替換循環(huán)水路中的低溫水。

圖3 循環(huán)水路系統(tǒng)控制原理圖Fig.3 Schematic diagram of water circulation system

PLC控制系統(tǒng)由采集模塊和控制模塊組成。其中，采集模塊用于采集水溫、氣流溫度、水路壓力、水箱液位、風機啟停信號等信息；控制模塊用于控制電磁閥的通斷、三通比例閥的開度、水泵的啟停與快慢等。系統(tǒng)首次運行前，先設(shè)定氣流溫度t1、循環(huán)水的初始體積流量Q1以及三通比例閥的初始開度U1這3個參數(shù)；再通過供水口對循環(huán)水路注水，啟動注水程序。如圖4所示，PLC控制系統(tǒng)將電磁閥1、電磁閥2以及電磁閥4 打開，并關(guān)閉電磁閥3，外部水經(jīng)過電磁閥4流入水箱，再流入循環(huán)水路中。當液位檢測開關(guān)2檢測到水位時，水泵開始啟動，水泵對整個循環(huán)水路進行補水和加壓，循環(huán)水的初始體積流量Q1決定水泵的轉(zhuǎn)速。當水流經(jīng)過空氣過濾器時，水中的空氣被過濾排放到大氣中。壓力平衡罐用于平衡水路壓力，避免水路中瞬時壓力過大，出現(xiàn)循環(huán)水泄漏。當液位檢測開關(guān)1檢測到水位時，電磁閥2和電磁閥4關(guān)閉，水泵繼續(xù)運行，直到壓力傳感器檢測到水路壓力達到200 kPa 時，水泵停止運行，電磁閥1隨之關(guān)閉，系統(tǒng)的注水準備工作完成。當風機運行時，PLC控制系統(tǒng)接到風機啟動信號，發(fā)送指令控制電磁閥3打開，其他3個電磁閥保持關(guān)閉。

圖4 循環(huán)水路注水流程圖Fig.4 Flow chart of water injection in water circulation system

2.2 控制程序設(shè)計

氣溫傳感器安裝在空氣分配箱中，用于檢測供絲氣流溫度。PLC 根據(jù)檢測到的氣流溫度，采用增量式PID 控制方法調(diào)節(jié)三通比例閥的開度，通過調(diào)節(jié)外接冷水的流量，改變循環(huán)水的溫度，進而實現(xiàn)氣流溫度控制。增量式PID控制算法是根據(jù)系統(tǒng)當前時刻控制量與上一時刻控制量的差值進行遞推計算的誤差校正算法，其表達公式為［16］：

式中：Kp為比例系數(shù)，影響系統(tǒng)響應(yīng)的速度與靜差；Ki為積分系數(shù)，影響系統(tǒng)響應(yīng)的靜差與超調(diào)量；Kd為微分系數(shù)，影響系統(tǒng)響應(yīng)的速度與超調(diào)量；t1為氣流溫度設(shè)定值；t（x）為氣流溫度實際測量值；ΔU（n）為三通比例閥的開度增量。

為防止水管上產(chǎn)生冷凝水，循環(huán)水的溫度設(shè)定值要高于車間室內(nèi)的空氣露點溫度［17］。空氣露點溫度計算公式［18］：

式中：X為空氣露點溫度，℃；RH為相對濕度（0～1）；T為干球溫度，℃；Td為露點溫度，℃。

經(jīng)現(xiàn)場測量，T=24.38 ℃，RH=57.1%，計算可得Td=15.34 ℃。分析可見，循環(huán)水溫度超過15.34 ℃可避免產(chǎn)生冷凝水，故將循環(huán)水的最低溫度設(shè)定為16 ℃。為防止兩個熱交換器中銅管水壓過大導(dǎo)致內(nèi)漏，熱交換器內(nèi)部的循環(huán)水流速不得超過0.6 m/s。因熱交換器與水管有8個連接口，則水管的最大理論體積流量：

式中：Qmax為水管的最大理論體積流量，L/min；Vmax為熱交換器中循環(huán)水最大流速，取0.6 m/s；S為熱交換器銅管內(nèi)部截面積，mm2；R為熱交換器銅管內(nèi)徑，mm。

已知R=4.5 mm，計算可得Qmax≈18.3 L/min。為保證管道安全與輸送效率，設(shè)定水管的最大允許體積流量為16 L/min。將流量計安裝于水管中，用于檢測循環(huán)水的體積流量Q（x）。將水溫傳感器安裝在水-氣熱交換器的進水口之前、水-水熱交換器出水口之后，檢測到的水溫為冷卻后的循環(huán)水溫度。

如圖5所示，運行前準備工作完成后，點擊啟動按鈕，水泵接到指令開始運行。水在水泵作用下在水路中一直循環(huán)流動，低溫水進入水-氣熱交換器中與氣流進行換熱，水受熱變成高溫水，再繼續(xù)流動，在水-水熱交換器中與外接冷水進行熱交換，水再次變成低溫水后流回水泵，如此循環(huán)流動。水泵運行5 min后，水溫傳感器開始采集循環(huán)水溫度T（x），當檢測到水溫T（x）＜16 ℃時，說明循環(huán)水溫過低，三通比例閥完全關(guān)閉，外接冷水不再流入水-水熱交換器中，每2 s檢測一次水溫，直到T（x）≥16 ℃。氣溫傳感器采集此時的氣流溫度t（x），通過PID算法得到三通比例閥的開度增量ΔU（n），并計算出三通比例閥的開度U（n）：

圖5 流化床供絲氣流溫控系統(tǒng)控制流程圖Fig.5 Control flow of temperature control system for tobacco feeding airflow in fluidized bed

當U（n）≤三通比例閥的最小開度0 時，開度調(diào)整為0；當U（n）≥三通比例閥的最大開度Umax時，開度調(diào)整為Umax；當0＜U（n）＜Umax時，開度調(diào)整為U（n）。若調(diào)整后的三通比例閥開度小于Umax，控制程序則重新采集循環(huán)水溫度，進入下一個循環(huán)控制；若調(diào)整后的三通比例閥開度為Umax，水泵轉(zhuǎn)速提高1 r/min，流量計采集循環(huán)水當前體積流量Q（x）。如果Q（x）≤16 L/min，水泵轉(zhuǎn)速提高后不發(fā)生變化，控制程序則重新采集循環(huán)水溫度，進入下一個循環(huán)控制；如果Q（x）＞16 L/min，水泵轉(zhuǎn)速減小1 r/min，又恢復(fù)為原速度，并記錄體積流量超過16 L/min 的次數(shù)，當連續(xù)記錄次數(shù)達到300次時，則發(fā)出流速預(yù)警信息。當設(shè)備停止運行時，循環(huán)風機隨之停止轉(zhuǎn)動，PLC接到風機停止信號后，發(fā)送指令控制電磁閥3關(guān)閉，同時再打開電磁閥1和電磁閥2，使水箱與循環(huán)水路連通。由于水箱中的水在加熱器的作用下變成高溫水，在水泵作用下高溫水替代管路中的低溫水，避免水-氣熱交換器在停機階段產(chǎn)生冷凝水。

2.3 水-氣熱交換器設(shè)計

如圖6所示，水-氣熱交換器（3）由外殼（5）和換熱器（6）組成。其中，換熱器外殼固定安裝在旋風除塵器（2）與循環(huán)風機的接口（4）之間，換熱器插入外殼中，并通過螺釘（7）進行連接。設(shè)備運行時，風管（1）中的氣流經(jīng)過旋風除塵器除塵后在水-氣熱交換器中進行散熱降溫，避免煙塵粘附在換熱器上，降低對熱交換效率的影響，延長換熱器使用壽命。當需要對水-氣熱交換器進行保養(yǎng)或更換時，松開螺釘即可將換熱器取出進行維保。

3 應(yīng)用效果

3.1 實驗設(shè)計

材料：“利群（樓外樓）”牌卷煙（浙江中煙工業(yè)有限責任公司寧波卷煙廠提供）。

設(shè)備：2 組ZJ119 型卷接機組（常德煙草機械有限責任公司）；2 臺TN2105 型帶顯示溫度傳感器（德國易福門電子公司）。

溫度檢測方法：將2 臺TN2105型溫度傳感器分別安裝在2 組ZJ119 機組空氣分配箱內(nèi)，對其中1 組設(shè)備進行溫控系統(tǒng)改造。將氣流溫度分別設(shè)定為36、37、38和39 ℃，外部冷水溫度為10 ℃，體積流量為3 m3/h，2 組設(shè)備的運行速度均設(shè)定為12 000 支/min，穩(wěn)定運行1 h后，每間隔10 min記錄2組設(shè)備的氣流溫度，連續(xù)測3 次，并統(tǒng)計改進后設(shè)備在4 種設(shè)定溫度下運行是否出現(xiàn)流速預(yù)警信息。

卷煙感官評價：2組ZJ119型卷接機組均使用同一批次煙絲，通過調(diào)整水溫設(shè)定范圍，使改進后ZJ119 機組流化床供絲氣流以3 種不同溫度分別穩(wěn)定運行1 h 后取樣。制作樣品分為4 種，改進前ZJ119機組（供絲氣流溫度達到最高）生產(chǎn)樣品A，改進后ZJ119機組在氣流溫度37、39和41 ℃條件下分別生產(chǎn)樣品B、C 和D。參照GB 5606.4—2005《卷煙 第4部分：感官技術(shù)要求》［19］由寧波卷煙廠組織具有國家煙草質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心頒發(fā)的檢測崗位培訓(xùn)證書的評吸人員進行卷煙感官評價。

防冷凝水效果驗證：①機組穩(wěn)定運行1 h 后，檢查溫控系統(tǒng)內(nèi)的管路是否出現(xiàn)冷凝水；②風機停止運行3 min 后，取出換熱器，檢查是否有冷凝水。統(tǒng)計次數(shù)為5次。

3.2 數(shù)據(jù)分析

由表1 和表2 可見，改進后ZJ119 機組的供絲氣流溫度最低可下降至36.6 ℃。當設(shè)定溫度為36 ℃時，系統(tǒng)出現(xiàn)流速預(yù)警信息，說明設(shè)定溫度≥36.6 ℃時，溫控系統(tǒng)可以有效調(diào)節(jié)氣流溫度，使氣流溫度達到設(shè)定值。由表3可見，總分50分，樣品B最高得分達到49.5分，樣品A最低得分為43.5分，說明隨著氣流溫度的降低，卷煙感官質(zhì)量顯著提高，主要體現(xiàn)在香氣質(zhì)量、煙氣濃度、豐富性、細膩度、圓潤度、刺激性、干燥性以及余味有較大提升。此外，改進后ZJ119 機組的換熱器表面和溫控系統(tǒng)內(nèi)管路均未出現(xiàn)冷凝水現(xiàn)象，有效防止了冷凝水的產(chǎn)生。

表1 改進前后ZJ119機組供絲氣流溫度統(tǒng)計Tab.1 Temperature of tobacco feeding airflow in fluidized bed in filter cigarette maker ZJ119 before and after modification（℃）

表2 改進后ZJ119型卷接機組循環(huán)水流速預(yù)警信息統(tǒng)計Tab.2 Statistics of circulating water flow rate warning information in filter cigarette maker ZJ119 after modification

表3 不同卷煙樣品感官評價結(jié)果Tab.3 Scores of sensory quality of four cigarette samples （分）

4 結(jié)論

流化床供絲氣流溫控系統(tǒng)由循環(huán)水路系統(tǒng)和PLC 控制系統(tǒng)組成，在不改變供絲氣流循環(huán)系統(tǒng)的前提下，利用低溫水進入水-氣熱交換器對氣流進行熱交換，實現(xiàn)氣流溫度的控制，避免冷凝水的產(chǎn)生。以改進前后ZJ119 型卷接機組生產(chǎn)的“利群（樓外樓）”牌卷煙為對象進行測試，結(jié)果表明：①改進后ZJ119 機組供絲氣流溫度從43.7 ℃下降至36.6 ℃；②當氣流設(shè)定溫度≥36.6 ℃時，溫控系統(tǒng)可以有效控制供絲氣流溫度；③卷煙感官質(zhì)量隨著氣流溫度的降低顯著提升；④改進后ZJ119機組的換熱器表面和溫控系統(tǒng)內(nèi)管路均未出現(xiàn)冷凝水，降低了設(shè)備維保強度。該技術(shù)可在ZJ116、ZJ118 等使用流化床供絲技術(shù)的機型上推廣應(yīng)用。