卷烟机风力送丝系统优化研究

许永明，邱润泉，杨天乐，许建勇

（红云红河集团 红河卷烟厂，云南 红河 652399）

0 引言

烟丝气力输送以投资小、简单、可靠、运行维护方便等，成为卷烟生产烟丝输送的主流方式。但是，由于风力送丝系统中多组卷烟机供丝需求的短暂及随机性，导致送丝风速波动剧烈，造成烟丝破碎，水分及香气散失。如何有效抑制风速的波动，实现稳定均匀送丝，是卷烟行业的一个老大难问题。在更先进的烟丝输送方式和装备研发还没有重大突破的现状下，惟有对传统的风力送丝方式进行更深入细致的研究及探索。

1 风力送丝特性

风力送丝系统主要由送丝机、吸丝管、卷烟机烟丝料仓（含上料仓、下料仓）、回风管系、除尘器、风机、消声器等构成。

图1 树枝管式风力送丝系统

风机运行，吸丝管中产生负压，将送丝机中的烟丝抽吸到卷烟机的上料仓，经筛网阻挡，烟丝落入上料仓，含尘气体通过除尘器过滤后经过风机、消声器排入大气。料仓落满，吸丝风阀关闭，同时上料仓底部翻板打开，烟丝落入下料仓，供给卷烟机巻制烟支。

n台卷烟机（一般n＜12）组成的风力送丝系统中，单台卷烟机正常生产供丝周期短暂（约25秒），任意一台卷烟机供丝的启停，都将影响到整个系统风速的变化。多台卷烟机组成的送丝系统，存在着数量不确定的X台卷烟机的启停，更造成了系统气流运动严重失稳，各吸丝卷烟机风速波动剧烈。如12台卷烟机组成的风力送丝系统，同一时刻，理论上存在着N=212=4096种供丝方式的组合。任何一种控制方式，要在这样短暂的供丝时间，这样多的供丝组合方式下，达到系统中各吸丝卷烟机稳定均匀送丝，其难度是非常大的。

2 风力送丝方式及特性比较

风力送丝系统，按回风管系的构成形式不同可分为：树枝管系统和集束管系统。

2.1 树枝管式风力送丝系统的特性

各卷烟机回风管分别在不同位置并流，最后汇入总管（见图1）。系统占用空间小，制造成本较低；系统中，任意一台卷烟机供丝的启停，都将影响到整个系统风速的变化，各卷烟机实际供丝风速随之波动；各并流点均存在节点压力平衡问题，即各台卷烟机之间关联度较高，实现各台卷烟机送丝稳定均衡的难度比集束管式风力送丝系统更大。

2.2 集束管式风力送丝系统的特性

集束管式风力送丝系统的特性（见图2）。各台卷烟机配置相应的回风管，通过集流器将多个支管汇入总管中。系统占用空间大，制造成本较高；系统中，任意一台卷烟机供丝的启停，都将影响到整个系统风速的变化，各卷烟机实际供丝风速随之波动；各支路在集流器上并流，关联度相对较低，可通过设计优化集流器，减小各台卷烟机送丝风速的大幅波动。

图2 集束管式风力送丝平衡系统

3 风力送丝系统平衡方法分析及优化

近几十年来，对风力送丝气流平衡的方法从未间断过，归类及分析评价如下：

3.1 第一类：主管风量调节平衡系统

风机前配置调节阀（见图3）。为了确保系统中所有卷烟机的供丝需求，一般风机配置按所有卷烟机同时供丝设计。当系统中M台卷烟机长时间停机时，通过风阀的调节，获得所需风量，以抑制系统过高平均风速，并有一定的节能效果。

图3 风机前设置风量调节阀

在风机转速不变的情况下，调节风阀，将引起管系特性曲线和风机特性曲线的改变（见图4）。

I—调节前管网特性曲线

Ⅱ—调节后管网特性曲线

Ⅲ—功率N、风量（Q）曲线

1—调节前风机特性曲线

2—调节后风机特性曲线

QA—调节前流量

QB—调节后流量

PA—调节前风压

PB—调节前风压

图4 风机特性曲线

图5 重锤式风阀平衡系统

可见，当阀门开度即通流面积变小后，流量减少QA＞QB，工作由A点移至B点，对应的风压略有增大 PB ＞ PA，风机功率由N1变到N2，能耗有适量降低。由于风力送丝系统中，总有m个支管随机、短暂截流，导致汇流主管内气流波动，各支管的风速不稳定。这种方法对降低能耗有一定作用，对抑制支管的过高风速有少许作用。

3.2 第二类：重锤式补风阀平衡系统

在主管上配置重力平衡阀（见图5），当系统中m台卷烟机随机启停，使主风管内的风量、风压变化，重力平衡阀自动调节补风量，以抑制系统中气流运动失衡。由于重锤阀的开启与关闭存在不必可避免的惯性，难以适应支管短暂、随机的风速波动。另一方面，因这种方式是在复杂湍流条件下实现的有较大局限性的自适应调节，所以其只能是一种粗略调节，现已少见应用。

3.3 第三类：变频调速平衡系统

风机配置变频器。变频器，根据主风管上检测到的风量信号，自动调整电源频率，改变风机转速，调节风量，达到平衡的目的。由于送丝风机所需风压高，风机转速快，叶轮的转动惯量很大，难以在短时间内做出有效的动态响应，而且，主风管对于各台卷烟机对应的支风管存在一个响应过程，所以平衡显效严重滞后。另外，由图6及下列公式可知，NB ＜ NA，从节能角度看，变频调速的节能效果非常明显。但随转速n的下降，风量Q同幅下降，风压P却以二次方降低。气、固两相流运动将受直接影响，调节量稍过，烟丝流将不呈悬浮态运动，可能成为沙丘态或栓塞态运动，甚至烟丝堵塞风管。所以，尽管有较好的节能效果，但在风力送丝系统中使用变频调速平衡方式并不理想。

1—转速为n1时风机特性曲线

2—转速为n2时风机特性曲线

3—管网特性曲线

QA—A点流量

QB—B点流量

PA—A点流量

图6 变频调速特性曲线

式中： N1、N2：调速前后轴功率；n1、n2：调速前后风机转速；Q1、Q2：调速前后流量。

图中：A点：NA=PA·QA 即：PA·A·QA·O面积

B点：NB=PB·QB 即：PB·B·QB·O面积

3.4 第四类：支管补风平衡系统

在各支管上配补风阀（见图7）。当某支管工作气流突然中断后立即补入风量，以控制系统气流波动。

图7 支管补风平衡系统

这种方法简易，投资少，对抑制气流波动有一定效果。从气流运动三大定律：伯努利方程、连续性方程、动量方程可知，流量Q的变化必伴随风压P的变化，补风阀所具有的阻抗S1与送丝管的阻抗S2不相等，则压力的失衡必引起流量的失衡；在多支管构成的风力送丝系统中，各支管的物理长度不一致，其阻抗不等，则各补风阀补入气量均不相同，这对系统气流波动抑制作用很有限。这种方法已注意到了主管调节对系统平衡作用不大的事实，但通过支管所补入的风量不能完全替代截流的风量，所以平衡效果有限。

3.5 第五类：主管调节支管补风平衡系统

在主风管和各支风管上都设置流量计及风量补偿调节阀（见图8），根据检测到的流量信号，实时驱动阀板作不同开度的旋转，以调节主风管及各支管的风速。

这种方法与前四类方法相比，有了很大进步，对系统风速的剧烈波动有一定的抑制效果。但对风力送丝这种瞬息复杂多变的工况，其稳流、恒速控制的作用很有限。根据能量守恒定律（伯努利方程）和质量守恒定律（连续性方程），当任意m个支管突然截流后，必然使系统中仍在工作的n个支管的风速提升，并使各节点压力失衡，管网特性发生变化，导致整个系统的气流失稳、波动。在瞬息复杂多变的工况下，建立阀门开度与风量、风压的对应关系几乎是不可能的。这种“以变对变”的方法本质是“动态逼近”，所以仍不可能真正实现系统中各台卷烟机送丝风速稳定均衡的目标。

图8 主管调节支管补风平衡系统

3.6 第六类：二元等值替代平衡系统

在主风管（风机入口端）上配置“电控线性风量调节阀”，实验确定卷烟机开机台数对应的阀板开度（见图9）。当系统中m台卷烟机长时间停机时，发出信号调节阀板到达预定开度，获得所需风量，降低风机能耗；在各支风管上设置旁路配置“二元平衡器”，其风阻根据实际需要进行调节。在系统空载时反复试验，再在实际运行中实验，调定每台卷烟机供丝状态时“二元平衡器”对应的风阻。当卷烟机不要烟丝时，通过“二元平衡器”及时补入供丝状态下的等量气流，实现恒定的送丝风速。

这种方法与前五类方法相比，有了本质的变革，是以“不变应万变”，对系统风速的剧烈波动有很好抑制效果。在实现了各台卷烟机送丝风速稳定均衡的基础上，还构建了独立完整的风力送丝平衡智能化控制系统。

图9 二元等值替代平衡系统

4 风力送丝系统等量替代平衡方法

4.1 二元等值替代平衡法的机理

表1 卷烟机数或支管数组合变化数表

由多台卷烟机构成的风力送丝系统，受随机供丝工况的影响，存在N=2n种供丝组合方式。表1是n台卷烟机组成的风力送丝系统，瞬间可能产生的N种组合状态。

任何一种调节或控制方式，要在这样短暂的供丝时间（20—30秒）、这样多的供丝组合方式下（N=212=4096种），通过控制或调节来建立起新的风力平衡，几乎是不可能的。因为系统中卷烟机“此启彼停”，变化间隔多则以秒计，少则以毫秒计，并且一般风管少则几十米，多则几百米长，而调控至少需一个循环周期才能建立起新的平衡，而此时所需调控量早就发生了变化。所以唯一有效的办法就是在卷烟机不要丝的同时，瞬时接入一个与该卷烟机供丝状态下完全相同的替代负载，即作二元等值替代。这就是二元等值替代法的机理。其以“不变应万变”的策略，为解决风力送丝组态变化多，气流剧烈波动这个复杂难题找到了一种简洁可靠的方法。

4.2 “二元平衡器”简介

风力送丝系统中，由于受各丝管长度，不同型号卷烟机丝斗结构，回风管等影响，各支管所需最佳供丝状态下的风量Qi及风压Pi不相等，即：Q1≠Q2≠Q3≠……Qn及P1≠P2≠P3≠……Pn，二元平衡器是一个可同时控制风量Q和风压P的装置，由调整内部的螺旋阻尼器设定，运行中呈固定态，不需作调节，因此可靠性很高。当某台卷烟机不要烟丝时，“二元平衡器”及时补入供丝状态下的等量气流，实现送丝风速的基本恒定。

4.3 基本技术方案

在各卷烟机组回风管进口附近设一旁通路，配置“二元平衡器”。供丝阀开启时，“二元平衡器”关闭，从送丝机中将烟丝吸到卷烟机上料仓，受滤网的拦截，烟丝落入上位仓，含有少量烟尘的载体气流经回风支管汇入回风总管或集流器，经除尘器除去烟尘，洁净空气经消声器排入大气；当上仓位光电料位计发出满料信号时，送丝截流阀关闭，同时二元平衡器打开，瞬间替代工作负载。于是不论任意m台机组在任意时刻启或停，任一支管中总有对应量值的气流瞬间互换，始终维持系统气流的平稳流态。

4.4 控制特点及系统主要功能设置

综上分析、比较，可见二元等值替换法是迄今最简洁、最有效、最可靠的风力送丝系统平衡方法。在这个基础上，应用现代智能化控制技术，进一步提高其性能。

4.5 智能化控制技术实现“供丝排队”控制，有效降低能耗

卷烟机上料仓间隔接纳（约25秒）风送过来的烟丝，下仓连续不断地向卷烟机提供所需的烟丝。实际观测：在12台卷烟机构成的供丝系统中，处于供丝状态的5—7台，并且在这些供丝状态的机台中，其开始供丝的时间有先后之分。既然同时要丝属小概率事件，且处于供丝状态的机组又有先后之别，则进行“供丝排队”的可调节时间≥30秒。因此，通过智能化控制系统，对上仓间隔接纳烟丝的时刻，下仓烟丝料位的高度等进行分析、计算，将风机输出功率按同时要丝的机台数设置（7台），按要丝的缓急顺序进行“供丝排队”控制，可用2/3的风机负荷支持系统的正常工作，实现“小马拉大车”，降低风机能耗20%以上。

4.6 工程应用情况

集束管型风力送丝系统：某卷烟厂共有27台卷烟机组，由3个“集束管”风力送丝系统供给烟丝。改造前风速波动大：Vmax= 35.5 m/s、Vmin= 11.6 m/s，丝管经常堵塞，有一台主风机还存在严重的喘振现象。应用等量替代风力送丝平衡系统改造后，送丝风速稳定在21 m/s±1 m/s（各片区有所差异），杜绝了烟丝堵塞现象，风机喘振消失。

树枝管型风力送丝系统：某卷烟厂共有32台卷烟机组，由3个“树枝管”风力送丝系统供给烟丝。改造前风速波动剧烈，Vmax=37.5m/s，Vmin=16.1 m/s，丝管时有堵塞，有一台主风机存在喘振现象。应用等量替代风力送丝平衡系统改造后，送丝风速稳定在23 m/s±1 m/s（各片区有所差异），杜绝了烟丝堵塞现象，风机喘振消失。减少了烟丝造碎及烟丝水分和香气的散失，提高了烟丝输送质量，产品品质得到了有效提升。对改造前后送达卷烟机的烟丝进行对比分析，烟丝长丝率平均提高0.03%、整丝率平均提高1.19%、含末率平均降低0.35%，水分平均减少0.08%。

4.7 应用效果评价

二元等值替代法用于风力送丝系统的确是一种简洁、可靠、有效的实用方法。及的控制精度和响应时间在工程应用中已有较高满意度；应用智能化控制技术实现“供丝排队”有效降低能耗；系统以设定的最佳风速平稳运行，逻辑上对减少烟丝造碎、水分及香气损失，较好保持烟丝结构都有正面贡献。但其量化结果有待权威部门测定；部份卷烟机烟丝落料仓存在漏风现象，是导致各丝管间风速差异的主因之一，要尽可能消除；送丝机的送丝方式及料位与丝管吸口间的高度，对送丝风速有较大影响，应予充分重视。