科氏力秤煤粉计量和控制系统的研究

作者：贾桂森 合肥水泥研究设计院 
１ 前言 
“ＫＸＴ科氏力秤煤粉计量与控制系统”是合肥水泥研究设计院自主研发的高新技术产品，是科研人员历时八年艰苦努力，依靠自己的聪明才智，通过技术创新取得的研究成果。没有走引进消化的途径，是真正意义上的自主创新。该项成果荣获２００６年度国家建材科技进步一等奖。 
众所周知，在水泥生产过程中，煤粉计量与控制对稳定窑的热工制度，提高熟料的产、质量，降低能耗，提高自动化水平和管理水平起到极其重要的作用。窑系统喂煤量波动失控，会导致煤粉不完全燃烧，不仅造成能源浪费，同时使一氧化碳超标，给窑尾收尘系统安全运行带来隐患。因此，必须选用计量准确，喂煤量稳定、可调，响应速度快，对煤粉特性（煤品种、细度、水分等）适应能力强的计量与控制系统，以期达到高产稳产、节约能源、降低成本的目标。本研究旨在开发具有国际先进水平、性能价格比高、有自主知识产权、为新型干法水泥生产线配套的入窑煤粉计量与控制系统。 
ＫＸＴ科氏力秤煤粉计量与控制系统（以下简称“ＫＸＴ系统”）由稳流给料机、科氏力粉体计量秤、新型输送泵及控制装置组成。稳流给料机安装在煤粉仓下方，其作用是给计量装置——科氏力粉体计量秤（以下简称“科氏力秤”）提供流量稳定的煤粉，故称之为“稳流给料机”。煤粉经稳流给料机进入科氏力秤，控制装置根据科氏力秤瞬时流量测定值与设定值比较结果反馈调节稳流给料机转速，使瞬时值始终跟踪设定值，从而实现对喂煤量的计量与控制。计量后的煤粉通过螺旋输送泵进入煤粉输送管道。 
２ 主要研究内容 
２．１ 科氏力秤的研制 
水泥厂煤粉计量与控制系统必须具备计量准确，喂煤量稳定、可调，响应速度快等功能，而这些功能的实现首先是建立在计量准确基础之上。科氏力秤是组成ＫＸＴ系统的关键设备，是通过自主创新研发的粉体物料计量装置，是本研究项目的技术核心。 
２．１．１ 计量原理 
科氏力秤应用科里奥利力学原理计量粉体物料的质量流量。 
在力学研究中，物体的运动需在某个确定的参照系中加以描述。本研究涉及的力学原理是以物体在均匀转动参照系中作相对运动为条件的。质点在均匀转动参照系中作相对径向运动时，受到的真实力由三部分组成，即惯性离心力、向心摩擦力和科里奥利力。科里奥利力是沿切向的。科里奥利力的矢量表达式为： 
Ｆｃ＝－２ｍω×ｖ′（１） 
式中：ω—转动角速度 
ｖ′—相对速度 
ｍ—质量 
由于质点是在均匀转动参照系中作径向运动，角速度ω不变，质点在任意一位置上的相对速度ｖ′为确定值（且不受质量影响）。因此，表达式中科里奥利力Ｆｃ的量值变化只与质量相关，通过测量Ｆｃ的量值即可获得物料的质量流量。 
２．１．２ 基本结构 
根据物体在均匀转动参照系中运动时受到科里奥利力作用的描述，科氏力秤内设有测量盘，测量盘上径向分布数块测量叶片，测量盘在电机驱动下匀速回转。需计量的物料落到测量盘中心，经过分料锥改变流向后，被叶片捕获，在离心力的作用下沿叶片向外缘运动。在运动过程中，物料受到了径向的摩擦力Ｆｒ和反向的离心力Ｆｘ，以及沿切向的科氏力Ｆｃ的作用，Ｆｃ引起一个反作用运动力矩Ｍ，而Ｆｒ、Ｆｘ对驱动轴不会产生反作用力矩。通过测量科里奥利力Ｆｃ对测量盘的作用力矩即可获得物料的质量流量。 
其计算公式为： 
Ｍ＝ＱωＲ２（２） 
式中：Ｍ—测量盘受到的力矩 
Ｑ—物料流量 
ω—角速度 
Ｒ—测量盘半径 
２．１．３ 重要技术参数的研究 
应用科里奥利力学原理计量粉体物料，首先是以物料在均匀转动参照系中径向运动为条件。因此，科氏力秤在理论上要符合下面两个基本条件：（１）测量盘转速必须是恒定的；（２）物料必须由测量盘中心向外径向运动。在理论上满足这些条件并不困难，关键是如何体现在zui佳结构设计上。根据计算公式Ｍ＝ＱωＲ２可知，必须确定测量盘有效转速范围，并从有效转速范围中优选出理想转速；必须确定测量盘理想半径，及测量叶片设置数量和尺寸等诸多相关技术参数。本研究在理论指导下，根据计算公式，通过大量实验研究，获得了经验公式，用以指导秤的结构设计。 
２．１．４ 测量盘理想转速的研究 
测量盘转速关系到物料的流速、流量、科氏力量值。测量盘转速研究是本项目的重要内容之一，是科氏力秤结构设计必不可少的技术参数。根据科氏力矢量表达式Ｆｃ＝－２ｍω×ｖ′，测量盘转速（或称作角速度ω）关系到质点相对速度ｖ′，决定了质点受到的科氏力Ｆｃ量值。转速慢，则相对速度低，物料流速慢，秤的计量能力受到限制；转速过快，高于转速上限（或称作zui高临界转速），科氏力Ｆｃ大于惯性离心力Ｆｘ，物料与测量盘同步运动，无法实现计量。 
本项目在模拟试验和理论分析基础上，首先确定了测量盘有效转速范围。但有效转速研究只解决了角速度ω的取值范围，不能为设计提供具体参数和依据。为了获得理想转速参数，在半工业性试验中，通过实验样机分别对煤粉、粉煤灰、生料粉进行实物计量，在采样分析基础上获得了测量盘理想转速。 
２．１．５ 测量盘理想半径研究 
质点在测量盘上运动的相对位置不同，受到的科氏力量值也不同，因此，测量盘半径与科氏力Ｆｃ的量值相关，测量盘理想半径研究关系到科氏力秤结构的合理尺寸、计量能力，传感器量程、功率配置、结构优化及系列化设计。理论公式不可能提供测量盘理想半径，只有通过试验研究方能建立起与科氏力秤优化设计相符的经验公式。 
如前所述，测量盘上设有径向分布的测量叶片，落到测量盘中心的物料在分料锥作用下运动到叶片处，被叶片捕捉后，沿叶片向外径向运动，并受到科氏力作用。鉴于物料被叶片捕捉后才受到科氏力作用，故从受力角度，测量盘应分为有效测量区和无效测量区?熏设有测量叶片部分为有效测量区。物料在无效测量区没有受到科氏力作用，也可称之为测量盲区。因此，测量盘半径应分为有效半径和无效半径两部分，有效半径与叶片长度相等。这使测量盘理想半径研究变得较为复杂，因为理想半径由合理的有效半径和无效半径两部分构成。在反复实验基础上获得了修正系数，推导并建立了经验计算公式，用以指导不同规格科氏力秤测量盘优化设计。 
２．１．６ 测量叶片数量及有效尺寸研究 
测量盘上设有径向测量叶片，根据测量盘理想半径研究所确立的经验计算公式，可以计算并确定不同规格科氏力秤测量叶片长度。叶片数量和叶片高度取决于测量盘直径。 
２．２ 稳流给料装置的研制 
２．２．１ 稳流给料机的作用和性能要求 
喂煤量稳定可调是新型干法生产线喂煤系统的基本要求，本项目将稳定给料技术与装置的研制放到重要位置，摒弃了以往重视计量技术，忽视给料装置的理念，有针对性地分析了物料特性和工艺条件对给料机性能的影响和要求。给料装置设在煤粉仓底部，煤粉仓内料位变化、煤粉仓进料时料流冲击力、煤粉细度等均是稳定给料的影响因素。煤粉细度细，水分低，容重小，流动性好，尤其是无烟煤烧成工艺，煤粉细度通常在１％以下，使稳定给料变得更为困难。煤粉水分对稳定给料有一定影响。水分偏大会带来煤粉起拱、沾料、下料不畅等问题。尤其在雨季，或回转窑点火升温期间，很多水泥厂煤粉水分不符合工艺条件要求。因此，给料机结构设计要考虑在水分偏高时的适应能力。水泥烧成系统压力变化也会间接影响给料机下料稳定性。系统工况不正常时，输煤管道压力有时会发生波动，严重时会导致给料机下料不畅或无法运行。 
２．２．２ 稳流给料机结构研究及工作原理 
通过物料特性和工艺条件研究分析，本项目采取与传统给料装置完全不同的设计方案，研制开发了全新结构的给料装置——ＷＤ型水平回转式稳流给料机（以下简称“稳流给料机”）。稳流给料机由减压仓、均压仓和稳流腔组成。减压仓内设有减压装置，使进入均压仓内的物料不受仓压影响。均压仓内设有搅器，使物料充分活化，避免物料起拱、沾壁、消除物料死区。由于均压仓内料压均匀，为物料在相同容重条件下进入转子腔创造了条件。稳流腔内设有水平回转分格轮，每转一周输送相同容积的物料。稳流给料机由轴装式减速机和电机驱动，采用变频器调节电机转速，变频器受控于ＰＬＣ。ＰＬＣ根据瞬时流量检测值与流量设定值比较结果，实时调控给料机转速，使瞬时流量始终跟踪设定流量，实现定量给料目的。 
减压仓、均压仓、稳流腔的进料口和出料口均呈１８０°错位布置，物料在稳流给料机内经迷宫式流动方能离开给料机。此外，转子腔水平回转分格轮叶片上采用了弹性密封材料，实现零间隙。因此，有效解决了高流动性物料在料压变化和自重力作用下产生跑料、冲料问题。 
２．３ 新型螺旋泵的研制 
２．３．１ 螺旋泵在系统中的作用 
螺旋泵在系统中起到输送和锁风作用，在有效克服输煤管道系统压力的前提下，将科氏力秤计量后的煤粉快速、均匀地送入输煤管道中。当管道内压力变化或输送风压力波动时，螺旋泵必须具备有效阻断煤粉返窜，出料不畅性能，为计量设备提供正常工作条件。 
２．３．２ 新型螺旋泵技术特点 
新型螺旋泵采用简单的传动结构，采用变节距螺旋设计，应用喷射器原理，使泵出料端工作氛围基本呈负压状态，有效解决了输煤管道系统压力变化对螺旋泵出料带来的影响； 轴端密封采取气体密封、油封、机械密封相结合的技术方案，满足了耐油、耐高温、耐磨要求，密封性能优越；将有自主知识产权的耐磨材料技术用于泵的设计与制造过程，螺旋叶片使用寿命高出堆焊技术２倍以上；采用外置可调式配重，可以根据不同的工况条件，改变阻尼阀的受力大小，从而很好地解决了料栓合理的密实度问题；设手动黄油泵，运动件润滑加油简便易行。新型螺旋输送泵综合了传统螺旋泵和富乐泵的合理成分，增加了独特的创新技术，性能可靠，结构新颖，维护简单，运行费用低，满足计量与控制系统要求。 
２．４ 系统控制 
２．４．１ 控制原理 
控制装置根据科氏力秤瞬时流量测定值与设定值比较结果反馈调节稳流给料机转速，使瞬时值始终跟踪设定值，计量后的煤粉通过螺旋输送泵进入煤粉输送管道。ＫＸＴ系统采用ＰＬＣ控制，传感器采集的信号传输至变送器，经变送器处理，转换成ＰＬＣ能够接受的标准信号（４～２０ｍＡ），满足与ＰＬＣ通讯要求。由ＰＬＣ完成运算、判定、补偿、设定、调节、显示等任务，同时实时显示过程动态图形。 
２．４．２ 系统功能 
ＫＸＴ控制系统以控制柜为核心，构成一个完整独立的控制单元，即可受控于用户中央控制室（或称ＤＣＳ系统），也可通过控制柜本身完成煤粉计量与控制所需的全部功能。控制柜内集中了与控制有关的电气设备，如ＰＬＣ、人－机界面（触摸屏）、变送器、变频器、断路器、接触器、隔离变压器、电源 target=_blank>开关电源、继电器等。系统功能包括： 自动调节功能，操作功能（中控自动方式、中控手动方式、本机操作方式），零点自动校正功能，自动标定功能，显示功能，通信功能，参数修改和密码设定功能等。 
３ 项目完成的技术经济指标 
·计量准确度±０．５％ 
·控制准确度±１％ 
·适应物料水份≤２％ 
·物料zui小细度＜ １％（４９００孔筛筛余） 
·耐磨件使用寿命≥３．５年 
·与窑系统同步安全运转率１００％ 
·计量过程基本不受煤粉仓仓压变化、煤粉细度、煤粉水分、输煤管道压力变化等因素的影响。 
４ 结束语 
本研究在国内将科里奥利力学原理应用于粉体物料计量领域，基于该原理的ＫＸＴ科氏力秤煤粉计量与控制系统性价比高，实现了高准确度快速计量与控制，运行稳定可靠，其主要技术经济指标达到国外同类设备先进水平，全部部件实现了国产化，已批量出口，标志着我国煤粉计量设备正式走向国际市场。迄今，已有３２０多套ＫＸＴ煤粉计量系统在国内外７００～５０００ｔ／ｄ新型干法水泥生产线上运行，产品遍布全国，市场占有率逐年上升，打破了我国水泥工业煤粉计量技术产品长期依赖进口的格局。ＫＸＴ科氏力秤煤粉计量系统已出口３０余台套，开创了我国煤粉计量技术与装备出口的先河。