CN110848657B - 一种控制干燥用蒸汽含水率的装置及方法 - Google Patents

一种控制干燥用蒸汽含水率的装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种控制干燥用蒸汽含水率的装置及方法，包括蒸汽管道、电辅助加热装置、蒸汽含水率检测装置及控制系统；蒸汽含水率检测装置通过检测管路与蒸汽管道连通；蒸汽含水率检测装置包括控制阀、减压阀、流量计、水箱、电子秤及测温仪；电辅助加热装置、控制阀、减压阀、流量计、电子秤及测温仪均与控制系统电信号连接。本技术方案通过分析干燥用蒸汽含水率与薄板干燥筒壁温度稳定性之间的关系，确定干燥用蒸汽含水率的最大容许值和蒸汽电辅助加热装置的开启条件；通过电辅助加热装置工作参数的优化，在将干燥用蒸汽含水率控制在容许范围内的同时，达到节能目的。

Description

一种控制干燥用蒸汽含水率的装置及方法
技术领域
本发明属于烟草生产监测技术领域，特别是指一种控制薄板干燥用蒸汽含水率的一种技术方法和实现该方法的装置，主要应用于制丝薄板干燥用蒸汽含水率的监测与控制。
背景技术
薄板干燥，作为卷烟生产的核心工序，主要工艺任务有两个：基本任务是去除叶丝中的部分水分，提高叶丝填充能力和耐加工性等物理性能；核心任务是彰显卷烟香气风格，改善感官舒适性，提高叶丝感官性能。
在薄板干燥过程中，普遍采用固定热风温度与流量，通过调整筒壁温度达到叶丝感官质量与物理质量平衡的控制方式。在这种控制方式下，如果来料流量与含水率、出料含水率一定时，筒壁温度理论上应该是稳定的。
然而，在实际生产中发现在以上条件相同状态下，筒壁温度的波动依然较大。如，在一个工作日内，使用同一条薄板干燥线生产同一牌号的9个批次叶丝时，在来料流量均为8000kg/h、来料含水率均为18.8％、热风温度均为110℃、热风风速均为0.4m/s状态下，筒壁温度极差达到6℃(最大值为142.5℃、最小值为136.5℃)，有3个批次的筒壁温度处于(137±1.5)℃的技术标准要求之外，致使这3个批次卷烟感官质量得分分别比设计值低1.0—1.3分，出现黄色预警。
经过深入分析得知，由于在薄板中流动的一定压力的饱和蒸汽是决定筒壁温度的唯一因素，且进入薄板的工作蒸汽中的含水率越高，需要更高的压力才能满足干燥的热量需求，增加工作蒸汽压力必然导致筒壁温度的升高。因此，减少进入薄板的工作蒸汽含水率就成为稳定筒壁温度的关键所在。
目前，减少进入薄板的工作蒸汽含水率的方法主要有两种，一种是在蒸汽管路上直接加装直排阀，借助管道内蒸汽的压力，通过手动调节阀门开度将蒸汽中的冷凝水随少量蒸汽一起排出；另一种方法是在蒸汽管道中增加电辅助加热装置，通过加热装置，将蒸汽中的冷凝水汽化。
第一种方法较为粗放，不仅减少蒸汽中的冷凝水含量的效果无法评价，而且会带来4％左右的蒸汽损失；第二种方法除了存在减少蒸汽中的冷凝水含量的效果无法评价的不足，每台薄板干燥机每年也会增加较多的额外能源消耗。
发明内容
本发明的目的是提供一种控制干燥用蒸汽含水率的装置及方法，以解决现有技术无法对干燥用蒸汽中的含水率进行精确控制的问题。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种控制干燥用蒸汽含水率的装置，包括蒸汽管道、电辅助加热装置、蒸汽含水率检测装置及控制系统；
所述蒸汽含水率检测装置通过检测管路与所述蒸汽管道连通；
所述蒸汽含水率检测装置包括控制阀、减压阀、流量计、水箱、电子秤及测温仪；
所述控制阀、所述减压阀及所述流量计均设置于所述检测管路上；
所述检测管路与所述水箱连通，所述水箱设置于所述电子秤上，所述测温仪设置于所述水箱内；
所述电辅助加热装置、所述控制阀、所述减压阀、所述流量计、所述电子秤及所述测温仪均与所述控制系统电信号连接。
在薄板干燥的筒壁上设置有温度传感器，所述温度传感器与所述控制系统电信号连接。
一种控制干燥用蒸汽含水率的控制方法，使用上述任一项的装置，包括以下步骤：
S1、设定薄板干燥的筒壁温度阈值；
S2、在薄板干燥用蒸汽管道中增加电辅助加热装置，并在电辅助加热装置前端的蒸汽管道中引出检测管路，与蒸汽含水率检测装置连接；
S3、在所述电辅助加热装置关闭状态下，使用蒸汽含水率检测装置检测蒸汽管道中的蒸汽含水率及该蒸汽含水率下的筒壁温度，并得到蒸汽含水率与筒壁温度模型；
S4、通过蒸汽含水率与筒壁温度模型，获得筒壁温度阈值的蒸汽容许含水率；
S5、按设定要求，使用蒸汽含水率检测装置检测蒸汽管路中的即时蒸汽含水率，并与蒸汽容许含水率进行比较，并判断：
若即时蒸汽含水率在蒸汽容许含水率的范围内，控制系统不启动电辅助加热装置；
若即时蒸汽含水率大于蒸汽容许含水率，所述控制系统启动电辅助加热装置。
进一步的，蒸汽含水率的检测方法，包括以下步骤：
1)将检测管路引出的蒸汽减压至设定压力，并引入水箱，将已知重量和温度的水加热并升温第一设定温度时关闭蒸汽；
2)根据流量计计量的实际蒸汽使用量与理论使用量的差值按如下公式计算出蒸汽含水率：
在设定压力下，蒸汽为纯饱和蒸汽时的理论蒸汽使用量计算：
Q吸收＝CM(t2-t1)，其中，C为水的比热容，在本申请中，C为4.1859KJ/Kg〃℃，M为水的重量，单位Kg，t1为水的初始温度，单位℃；t2为水的升高温度，单位℃；
Q吸收+Q耗＝Q释放，其中，Q耗＝RQ吸收通过多次测试后得出，其中R为常数；
Q释放＝Wr+(504.78-417.52)W+CW(t3-t2),其中，W为理论蒸汽用量，r为设定压力下的饱和蒸汽的冷凝潜热；t3为饱和蒸汽冷凝后的冷凝水温度，理论为100℃；504.78为0.2mpa的100℃单位重量热水具有的热量，417.52为0.1mpa的100℃单位重量热水具有的热量；504.78-417.52为单位重量的0.2mpa的100℃热水变为0.1mpa100℃热水所释放的热量；
实际蒸汽使用量W实际的计算：
Q实释放＝(W实际-W水)r+(504.78-417.52)W实际+CW实际(t3-t2),其中，W水为蒸汽含水量；
蒸汽含水率＝(W水/W实际)×100％。
所述蒸汽含水率与筒壁温度模型依据如下公式计算：
Y＝KX+B，其中，K为斜率，B为常数。
进一步的，还包括通过电辅助加热装置工作功率与加热前后蒸汽含水率变化关系的优化，在保证筒壁温度稳定前提下，实现电辅助加热装置的最优运行。
本发明的有益效果是：
本技术方案通过分析干燥用蒸汽含水率与薄板干燥筒壁温度稳定性之间的关系，确定干燥用蒸汽含水率的最大容许值和蒸汽电辅助加热装置的开启条件；通过电辅助加热装置工作参数的优化，在将干燥用蒸汽含水率控制在容许范围内的同时，达到节能目的。
附图说明
图1为本发明控制干燥用蒸汽含水率的装置示意图；
图2为蒸汽含水率与筒壁温度的关系图。
附图标记说明
1 蒸汽管道，2 检测管路，3 减压阀，4 流量计，5 测温仪，6 不箱，7 电子秤。
具体实施方式
以下通过实施例来详细说明本发明的技术方案，以下的实施例仅是示例性的，仅能用来解释和说明本发明的技术方案，而不能解释为是对本发明技术方案的限制。
如图1所示，本申请提供一种控制干燥用蒸汽含水率的装置，包括蒸汽管道1、电辅助加热装置、蒸汽含水率检测装置及控制系统；具体是在现有的薄板干燥用的蒸汽管道中增加电辅助加热装置，在电辅助加热装置的前后各加装一个三通，使其中一路蒸汽沿原蒸汽管道进入薄板用于干燥，另一路蒸汽通过检测管路用于进行蒸汽含水率检测。
蒸汽含水率检测装置通过检测管路2与蒸汽管道连通。
蒸汽含水率检测装置包括控制阀、减压阀3、流量计4、水箱6、电子秤7及测温仪5。
控制阀、减压阀及流量计均设置于检测管路上。
检测管路与水箱连通，水箱设置于电子秤上，测温仪设置于水箱内；
电辅助加热装置、控制阀、减压阀、流量计、电子秤及测温仪均与控制系统电信号连接。
在薄板干燥的筒壁上设置有温度传感器，温度传感器与控制系统电信号连接。
本申请还提供一种控制干燥用蒸汽含水率的方法，使用上述任一项的装置，包括以下步骤：
S1、设定薄板干燥的筒壁温度阈值；根据烟丝的含水率或干燥时间进行综合确定筒壁的温度阈值。
S2、在薄板干燥用蒸汽管道中增加电辅助加热装置，电辅助加热装置的控制器与控制系统电信号连接，电辅助加热装置的控制器与外电源连接，并由控制系统控制启动或停止。在电辅助加热装置前端的蒸汽管道中引出检测管路，与蒸汽含水率检测装置连接，用于检测蒸汽管道的含水率。
S3、在电辅助加热装置关闭状态下，使用蒸汽含水率检测装置检测蒸汽管道中的蒸汽含水率及该蒸汽含水率下的筒壁温度，并得到蒸汽含水率与筒壁温度模型；
具体的蒸汽含水率检测方法，包括以下步骤：
1)将检测管路引出的蒸汽减压至设定压力，在本实施例中，设定压力为0.2MPa，并引入水箱，将已知重量为100kg水由25℃升温到55℃时关闭蒸汽控制阀。根据流量计计量的实际蒸汽使用量与理论使用量的差值按如下方法计算出蒸汽含水率。
在0.2mpa压力下，加热蒸汽为纯饱和蒸汽时，如将100kg水由25℃升温到55℃，根据公式：
Q吸收＝CM(t2-t1)，其中，C为水的比热容，在本申请中，C为4.1859KJ/Kg〃℃，M为水的重量，单位Kg，t1为水的初始温度，单位℃；t2为水的升高温度，单位℃；
则：Q吸收＝4.1859×100×30＝12557.7kJ。
Q释放＝Wr+(504.78-417.52)W+CW(t3-t2),其中，W为理论蒸汽用量，r为设定压力下的饱和蒸汽的冷凝潜热；t3为饱和蒸汽冷凝后的冷凝水温度，理论为100℃。
在设定W为1Kg情况下的纯饱和蒸汽的释放热量为：
Q释放＝2201.7+(504.78-417.52)+4.1859×45＝2477.63KJ。
经过反复测试，得到在检测过程中，热量损耗为3％。
因此，纯饱和蒸汽的理论用量为12557.7×1.03/2477.63＝5.22Kg。
流量计检测蒸汽的实际使用量为5.40Kg，该蒸汽含水量为W水，此情况下的蒸汽释放的热量为：
Q实释放＝(W实际-W水)r+(504.78-417.52)W实际+CW实际(t3-t2),其中，W水为蒸汽含水量；
具体为，Q实释放＝(5.40-W水)r+(504.78-417.52)×5.40+4.1859×45
＝(13377.58-2201.7W水)KJ；
W水＝(13377.58-12557.7×1.03)/2201.7＝0.201kg
蒸汽含水率为0.201×100％/5.40＝3.72％。
S4、通过蒸汽含水率与筒壁温度模型，获得筒壁温度阈值的蒸汽容许含水率。
某型号的卷烟薄板干燥时，技术标准要求的筒壁温度为(137±1.5)℃，在其它条件相同状态下，按照上述方法检测的蒸汽含水率与筒壁温度的关系见表1和图2。
表1：蒸汽含水率与筒壁温度的关系测试结果
Figure BDA0002283278490000061
获得蒸汽含水率与筒壁温度模型依据如下公式计算：
Y＝KX+B，其中，K为斜率，B为常数。
通过测定筒壁的温度，即可得到当时蒸汽的含水率。
由表1可知：当筒壁温度为138.5℃时，计算出的蒸汽含水率为5.616％，考虑到系统反应时间等方面的因素，确定5.5％为蒸汽容许含水率。
S5、按设定要求，使用蒸汽含水率检测装置检测蒸汽管路中的即时蒸汽含水率，并与蒸汽容许含水率进行比较，并判断：
若即时蒸汽含水率在蒸汽容许含水率的范围内，控制系统不启动电辅助加热装置；
若即时蒸汽含水率大于蒸汽容许含水率，控制系统启动电辅助加热装置。
在此基础上，进行了电辅助加热装置工作频率与加热前后蒸汽含水率变化量的关系的测试，测试结果见表2。
表2：电辅助加热工作频率与蒸汽含水率变化量的关系测试结果
Figure BDA0002283278490000071
由表2可知，电辅助加热装置工作频率为25Hz时，加热后蒸汽含水率可以达到5％以下，在完全能够满足稳定筒壁温度需要的同时，使电辅助加热装置的工作功率由原120KW降低为60KW左右，达到了节能降耗的效果。
通过制丝薄板干燥用蒸汽含水率的监测与控制，在筒壁温度全部控制在(137±1.5)℃的技术标准要求范围内的同时，电辅助加热装置的工作时间由16h/天降低为不足3h/天，工作功率由120KW降低为60KW左右，每年工作日按220天计算，每台薄板干燥机年可节电(120*16-60*3)*220＝38.28万kwh，节能效果非常明显。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变形，本发明的范围由所附权利要求及其等同限定。

Claims (4)

1.一种控制干燥用蒸汽含水率的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、设定薄板干燥的筒壁温度阈值；
S2、在薄板干燥用蒸汽管道中增加电辅助加热装置，并在电辅助加热装置前端的蒸汽管道中引出检测管路，与蒸汽含水率检测装置连接；
S3、在所述电辅助加热装置关闭状态下，使用蒸汽含水率检测装置检测蒸汽管道中的蒸汽含水率及该蒸汽含水率下的筒壁温度，并得到蒸汽含水率与筒壁温度模型；
S4、通过蒸汽含水率与筒壁温度模型，获得筒壁温度阈值的蒸汽容许含水率；
S5、按设定要求，使用蒸汽含水率检测装置检测蒸汽管路中的即时蒸汽含水率，并与蒸汽容许含水率进行比较，并判断：
若即时蒸汽含水率在蒸汽容许含水率的范围内，控制系统不启动电辅助加热装置；
若即时蒸汽含水率大于蒸汽容许含水率，所述控制系统启动电辅助加热装置。
2.根据权利要求1所述的控制干燥用蒸汽含水率的控制方法，其特征在于，蒸汽含水率的检测方法，包括以下步骤：
1)将检测管路引出的蒸汽减压至设定压力，并引入水箱，将已知重量和温度的水加热并升温第一设定温度时关闭蒸汽；
2)根据流量计计量的实际蒸汽使用量与理论使用量的差值按如下公式计算出蒸汽含水率：
在设定压力下，蒸汽为纯饱和蒸汽时的理论蒸汽使用量计算：
Q吸收＝CM(t2-t1)，其中，C为水的比热容，在本申请中，C为4.1859KJ/Kg·℃，M为水的重量，单位Kg，t1为水的初始温度，单位℃；t2为水的升高温度，单位℃；
Q吸收+Q耗＝Q释放，其中，Q耗＝R Q吸收通过多次测试后得出，其中R为常数；
Q释放＝Wr+(504.78-417.52)W+CW(t3-t2),其中，W为理论蒸汽用量，r为设定压力下的饱和蒸汽的冷凝潜热；t3为饱和蒸汽冷凝后的冷凝水温度，理论为100℃；
实际蒸汽使用量W实际的计算：
Q实释放＝(W实际-W水)r+(504.78-417.52)W实际+CW实际(t3-t2),其中，W水为蒸汽含水量；
蒸汽含水率＝(W水/W实际)×100％。
3.根据权利要求1所述的控制干燥用蒸汽含水率的控制方法，其特征在于，所述蒸汽含水率与筒壁温度模型依据如下公式计算：
Y＝KX+B，其中，K为斜率，B为常数。
4.根据权利要求1所述的控制干燥用蒸汽含水率的控制方法，其特征在于，还包括通过电辅助加热装置工作功率与加热前后蒸汽含水率变化关系的优化，在保证筒壁温度稳定前提下，实现电辅助加热装置的最优运行。
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