卷烟厂风送系统补风计算及应用

隆智辉,陈卫民,袁国安

(1.贵州中烟工业有限责任公司 技术中心,贵州 贵阳,550009; 2.衡阳三力高科技开发公司,湖南 衡阳,421001)

卷烟厂风力送丝系统是连接制丝线与卷包生产的重要纽带,由于其设置灵活、不扬尘及管理方便等优点[1],逐渐成为国内外卷烟厂的主要送丝方式。卷接机组吸丝的间断性和随机性导致送丝管的风速变化很大,并且风速的变化幅度超过了设计范围,因此引起卷烟厂风送系统的不稳定。送丝管的输送风速直接影响了烟丝的质量[2],这时,需要给系统补进一定的风量以保证风速维持在某一个值或某一范围,同时防止风机喘振。

1 补风原理

最不利环路所有串联管段阻力(包括设备阻力)之和,即为管网系统的总阻力 ΔP。根据流体力学理论,管网阻力特性曲线方程为[3]

式中:S为管网阻抗(kg/m7); Q为管网总风流量(m3/s)。

管段i:

串联管路:

并联管路:

式(2)中:di为计算管段直径; λ为计算管段摩擦阻力系数; ξ为局部阻力系数; ρ为流体的密度。式(2)～(4)表明,管网中任一管段有关参数变化,都将引起整个管网特性曲线的变化,从而改变管网总流量和管段的流量分配。管网设计时若不做好阻力平衡,完全依靠阀门调节流量的做法难以满足要求[4]。

当风力送丝系统中某一台或者多台机组不吸丝时,原有的系统阻抗S随之改变,因此,管网特性曲线也随之改变(图1)。图1中,横坐标和纵坐标分别为流量和压头; 曲线I和II为管网曲线; 曲线n1和n2分别为不同转速下风机特性曲线。 风机特性曲线与管网特性曲线的交点A,B,C,D为风机运行的工况点。

由图1可知,离心风机频率不变,当系统某些机组不工作时,系统自动将其所对应的风量分配到其他的机组上,从而引起其他机组的风量增大。此时,通过变频器调节改变风机转速,由曲线n1变为n2,调节系统总风量从而维持系统稳定。另一方面,在风机不超过最高允许转速和电机不过载2个条件下,到达变频调节的极限时,如果仍不能满足系统所需要的风量,应采用补风措施。

根据相似律可知,当改变风机的转速n时,其效率基本不变,但其流量、压头及功率均按下式改变,

图1 变工况分析

根据电工学知识,异步电机的理论转速n(r/min)为

式中:f为交流电频率(Hz); P为电机磁极对数; s为电机转差率,该值很小,一般异步电机在0～0.1之间。

2 补风技术

为实现送丝系统稳定,目前采用的补风技术主要有主管补风和旁路定风量补风2种模式[5]。

主管尾部补风模式采用集中补风方式(图2),其系统设计相对简单,且投资小,但由于系统管路较长,使得电动调节阀具有一定的滞后,从而影响系统的稳定性。

图2 主管尾部补风模式

图3 旁路定风量补风模式

当系统某一台机组或多台机组不吸丝时,系统自动将其所对应的风量随机分配到其他机组中,导致其他机组的送丝风速增大,同时也增大了系统的不稳定性和总风量的波动。

旁路定风量补风是在每台卷烟机上均设置独立的补风装置,并且将送丝回路和补风回路的距离设置得较近(图3)。因此,系统内任意一台机组的工作状态可以在补风和吸丝之间随意切换,而不影响系统的总风量,有利于提高系统稳定性。但是,由于其补风时间占系统开启时间较长,而机台却不工作,造成较大的能源浪费。

3 补风量的确定

某卷烟厂风力送丝系统共有6台PT70卷接机组,每台卷接机组所需要的除尘风量为1 000 m3/h,管网漏风率为10%,风力送丝物料输送风速按16 m/s设计。根据管网布置形式(图4)可以求得除尘系统总阻力为ΔP=1 650+1 200+500=3 350 Pa。

图4 某卷烟厂除尘系统示意图

图5 风机运行与管网匹配分析

此外,风力送丝系统阻力损失还应包括输送料管沿程阻力损失(比摩阻为50 Pa/m,管长100 m)、输送料管局部阻力损失(按沿程阻力损失50%计)、喂丝机阻力损失(300 Pa)及落料器阻力损失(800 Pa)。因此该风力送丝系统总阻力ΔP=11 950 Pa,S=ΔP/Q2=3 555.4 kg/m7。

管网特性曲线ΔP=SQ2=3 555.4Q2。考虑风机安全系数为1.15,可得所需风机压头P和风量Q′分别为:P=13 742.5 Pa,Q′=7 590 m3/h。因此,选择风机型号为SB 80 II,风量7 600 m3/h,全压14 231 Pa,静压14 000 Pa,转速2 980 rpm,电机功率45 kW,其特性曲线见图5(曲线f=50 Hz)。

由于卷烟机吸丝的随机性,6台卷烟机工作情况并非一致,有可能出现某些机台停止吸丝的现象。当系统某一时刻出现有1台卷烟机不吸丝时,其压力损失最大的情况就是关闭机台JZ3或者JZ4。根据流体力学理论可得其管网特性曲线(图5曲线II)为ΔP=SQ2=4 151.5Q2,此时,风机工作点为A(6 700,14 300),风机工作所需要的风量(6 700 m3/h)远远大于系统的风量(5 500 m3/h),此时,可以通过调频改变电机转速防止风机喘振,并节约能源。在图5中,流量为5 500 m3/h处做垂线与曲线II交于点 B,由式(5)可以得到 n′=nQB/QA=41 Hz。

根据相似定律可得频率等于41 Hz时风机特性曲线(图5,曲线f=41 Hz),同时可以得到B点坐标为(5 500,9 720),9 720 Pa即为风机压力满足系统所需最小压力值。同理,可以得到不同数量的卷烟机同时工作所需要的最低频率及风机转速如表1所示。由表1可知,以满足卷烟厂风力送丝系统正常工作为前提,采用变频器对风机进行调速的最低频率应不小于41 Hz,即风机运行频率的范围为41～50 Hz。

由图5可知,曲线Ⅳ与风机特性曲线的最高点位置,即风机变频调节最多能满足2台停机运行的情况。当卷烟厂只有3台或3台以下卷烟机工作时,为保证系统正常运行,需要补风。补风应使点D,E,F转移到C点右侧,系统补风量按1台卷烟机工作时进行计算,可得Q补=5 000-11 00=3 900 m3/h。

表1 开启不同数量机台时管网压力损失

由图5可以看出,曲线Ⅳ与风机特性曲线的最高点位置,即风机变频调节最多能满足2台停机运行的情况。当卷烟厂只有 3台或 3台以下卷烟机工作时,为保证系统正常运行,需要补风。补风应使点D,E,F转移到C点右侧,系统补风量按1台卷烟机工作时进行计算,可以得到Q补=5 000-11 00=3 900 m3/h。

对表1中项目6增加补风管的管网进行计算可得管网压力损失ΔP=11 190 Pa,同时绘制出其特性曲线(图6中曲线Ⅶ)。此时,曲线Ⅶ与 f=41 Hz交于点 F′,但是 F′不满足最小风压要求。通过调节频率使得风机提供的负压满足系统要求,通过计算可得风机转速和频率分别为2 685 rpm和45 Hz,工作点为图6中F″。F″坐标为(5 100,11 650),风量风压均满足系统要求。当该卷烟厂风送系统开启2～3台卷烟机时,可通过补风阀调节补风量来调整系统风量,以满足生产要求。

图6 变频调节与管网匹配分析

4 结论

通过对风力送丝系统特点分析,从风力送丝系统风力平衡角度出发介绍了风力送丝系统补风及其计算方法。为满足不同工况运行的风力平衡,提出了调频结合主管补风的方法对风送系统进行风量风压调节。采用理论计算的方法计算了不同工况运行的最低频率及需要补风的情况,在此基础上计算了风送系统所需要的补风量。

[1]黄标.气力输送在卷烟工业中的应用[M].北京:轻工业出版社,1986:15–20.

[2]谢海,袁国安,李国荣,等.卷接机组风力送丝风速控制技术与原理[J].湖南科技学院学报,2007(4):117–119.

[3]蔡增基,龙天渝.流体力学泵与风机[M].北京:中国建筑工业出版社,2007:137–138.

[4]付祥钊.流体输配管网[M].北京:中国建筑工业出版社,2005:256–259.

[5]张振峰,袁国安,许诺,等.卷烟厂风力送丝组合供丝控制系统的开发与应用[J].烟草科技,2006(9):15–17,19.