科里奧利粉體定量給料秤計(jì)量系統(tǒng)的研發(fā)與應(yīng)用

李維美

河南豐博自動(dòng)化有限公司，河南 鄭州 450001

科里奧利粉體定量給料秤計(jì)量系統(tǒng)的研發(fā)與應(yīng)用

李維美

河南豐博自動(dòng)化有限公司，河南 鄭州 450001

從科里奧利粉體定量給料秤測(cè)量原理及特點(diǎn)出發(fā)，研發(fā)出FB-CRC型入窯煤粉計(jì)量控制系統(tǒng)、FB-CRM型入窯生料粉計(jì)量控制系統(tǒng)、FB-CCM（水泥）散裝秤計(jì)量控制系統(tǒng)等，實(shí)現(xiàn)對(duì)粉體物料的精準(zhǔn)計(jì)量。

粉體物料 科里奧利 測(cè)量原理 計(jì)量技術(shù)

0 引言

在現(xiàn)代水泥工業(yè)中，物料的計(jì)量貫穿著整個(gè)生產(chǎn)過程，從各種原材料、燃料等物料入廠到水泥產(chǎn)品出廠，都離不開計(jì)量。根據(jù)其工藝特點(diǎn)，粉狀物料的計(jì)量準(zhǔn)確性和控制穩(wěn)定性在整個(gè)計(jì)量過程中至關(guān)重要，直接影響著生產(chǎn)和產(chǎn)品質(zhì)量，那么針對(duì)不同的粉體物料選擇適合的計(jì)量設(shè)備可以為提高水泥產(chǎn)品質(zhì)量、降低消耗提供可靠的保障。

水泥生產(chǎn)中，煤粉、生料粉、粉煤灰、礦粉、水泥等粉體物料計(jì)量長期以來面臨計(jì)量不準(zhǔn)的問題，這成為了水泥企業(yè)降本增效的主要障礙之一。其原因主要是：粉體物料一般都具有容重小、流動(dòng)性好、易吸潮等特性，容易發(fā)生沖料和結(jié)拱。

河南豐博自動(dòng)化有限公司（以下簡(jiǎn)稱豐博公司）針對(duì)粉體物料的特性，運(yùn)用多項(xiàng)核心粉體技術(shù)專利，成功推出科里奧利粉體定量給料秤，成功應(yīng)用于多家水泥廠粉體物料的計(jì)量與控制。

1 科里奧利粉體定量給料秤測(cè)量原理及特點(diǎn)

1.1 科里奧利計(jì)量原理

質(zhì)點(diǎn)在均勻轉(zhuǎn)動(dòng)參照系中作相對(duì)徑向運(yùn)動(dòng)時(shí)，受到的真實(shí)力由三部分組成，即慣性離心力、向心摩擦力和科里奧利力，見圖1?？评飱W利力是沿切向的?？评飱W利力的矢量表達(dá)式為：

Fc=-2mω×v′

式中：ω—轉(zhuǎn)動(dòng)角速度；

v′—相對(duì)速度；

m—質(zhì)量。

由于質(zhì)點(diǎn)是在均勻轉(zhuǎn)動(dòng)參照系中作徑向運(yùn)動(dòng)，角速度ω不變，質(zhì)點(diǎn)在任意一位置上的相對(duì)速度v′為確定值（且不受質(zhì)量影響）。因此表達(dá)式中科里奧利力Fc的量值變化只與質(zhì)量相關(guān)。因此，通過精確測(cè)量Fc的量值即可獲得物料的準(zhǔn)確流量。

圖1 科里奧利計(jì)量原理

根據(jù)物體在均勻轉(zhuǎn)動(dòng)參照系中運(yùn)動(dòng)時(shí)受到科里奧利力作用的描述，科氏秤內(nèi)設(shè)有測(cè)量盤，測(cè)量盤上徑向分布數(shù)塊測(cè)量葉片，測(cè)量盤在電機(jī)驅(qū)動(dòng)下勻速回轉(zhuǎn)。需計(jì)量的物料落到測(cè)量盤中心，經(jīng)過分料錐改變流向后，被葉片捕獲，在離心力的作用下沿葉片向外緣運(yùn)動(dòng)。在運(yùn)動(dòng)過程中，物料受到了徑向的摩擦力Fr和反向的離心力Fx，以及沿切向的科氏力Fc的作用，F(xiàn)c引起一個(gè)反作用運(yùn)動(dòng)力矩M，而Fr、Fx對(duì)驅(qū)動(dòng)軸不會(huì)產(chǎn)生反作用力矩。通過測(cè)量科里奧利力Fc對(duì)測(cè)量盤的作用力矩即可獲得物料的質(zhì)量流量。

M= m·ω·R2

1.2 科里奧利粉體定量給料秤特點(diǎn)

（1）計(jì)量精度≤±0.5%；

（2）控制精度≤±1%；

（3）系統(tǒng)不受正負(fù)氣壓影響；

（4）齒輪組傳力機(jī)構(gòu)，內(nèi)部采用氣密封，有效解決了秤體零點(diǎn)漂移的問題；

（5）選用高精度稱重傳感器，精度達(dá)C3等級(jí)；

（6）取得了多項(xiàng)專利技術(shù)；

（7）秤密封好環(huán)保無揚(yáng)塵；

（8）秤體高度≤1.5 m，節(jié)省空間，安裝簡(jiǎn)便。

2 粉體物料計(jì)量方案

2.1 入窯煤粉計(jì)量

熟料的燒成工段是水泥廠生產(chǎn)流程中最重要的工藝環(huán)節(jié)之一, 對(duì)于這個(gè)環(huán)節(jié)來說, 操作的可靠性、運(yùn)行的高效性以及減少產(chǎn)生的污染至關(guān)重要?？紤]到現(xiàn)行環(huán)保法律所規(guī)定的一氧化碳和氮氧化合物排放量的限值， 一次能量（燃料） 和二次能量（ 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)）的低消耗以及工藝過程的安全管理都需要精確地制成用于回轉(zhuǎn)窯中燃燒的燃料——空氣混合物。燃料喂料系統(tǒng)是僅次于氣力輸送系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個(gè)重要方面。

煤粉喂料所需的計(jì)量系統(tǒng)需要達(dá)到瞬間極弱振蕩性和長期穩(wěn)定性，除了這些要求以外, 合適的煤粉喂料系統(tǒng)必須設(shè)計(jì)成能夠很容易地與工廠形成一體化并且易于維修，才能確保操作可靠性高。

豐博公司FB-CRC型入窯煤粉計(jì)量控制系統(tǒng)-科里奧利粉體定量給料秤的組成是：穩(wěn)流給料裝置+科里奧利粉體質(zhì)量流量計(jì)+噴流鎖風(fēng)裝置，見圖2。

圖2 FB-CRC型入窯煤粉計(jì)量控制系統(tǒng)

根據(jù)入窯煤粉的物料特性及工藝流程布置，為了調(diào)節(jié)散粒狀物料的流量, 需要一個(gè)合適的可控制的預(yù)喂料機(jī)，即FB-CSF穩(wěn)流給料機(jī)。從氣力輸送管線的清潔氣體端到科里奧利流量計(jì)進(jìn)口的旁路管線確?？屏W利流量計(jì)進(jìn)、出口兩端保持微正差壓。因此, FB-CRC科里奧利流量計(jì)的測(cè)量單元能直接喂至輸送管線上，螺旋泵就不需要了。

該系統(tǒng)已成功應(yīng)用, 它大大地簡(jiǎn)化了煤粉喂料的工藝及降低了整體安裝高度, 真正體現(xiàn)了FB-CRC科里奧利粉體定量給料秤的優(yōu)點(diǎn)。在此系統(tǒng)中, 帶垂直旋轉(zhuǎn)軸的是穩(wěn)流給料機(jī)，它是最適合于喂煤粉，作為可控的預(yù)喂料機(jī)。是在水平方向移動(dòng)散粒狀物料，同時(shí)該喂料機(jī)將位于它上面的庫與輸送管線的壓力隔斷。大進(jìn)口直徑與合適的攪拌機(jī)作用下避免了散粒狀物料的起拱，并平均地向各室填料。

遼寧某公司等企業(yè)的實(shí)踐有力地證實(shí)了FBCRC科里奧利粉體定量給料秤達(dá)到的快速采集測(cè)量數(shù)據(jù)保證了喂料的高短期精度和長期穩(wěn)定精度。與其它喂料原理不同，F(xiàn)B-CRC科里奧利粉體定量給料秤的實(shí)際喂料速率信號(hào)不受外界干擾的影響, 例如：風(fēng)或振動(dòng)，具有極高的穩(wěn)定性。就窯的控制而論，該抗外界干擾性能可使窯得到更高的操作可靠性。直接喂料到輸送管線，無需喂料螺旋輸送泵，使得輸送管線上的壓力將大大降低。這一點(diǎn)使得節(jié)約費(fèi)用成為可能, 不僅減少了喂料螺旋泵的投資，而且降低了風(fēng)機(jī)的功率，在實(shí)際生產(chǎn)中二次能量降低了1/3。

精確的短期喂料, 已具備控制窯內(nèi)僅有少量過剩空氣的條件。因此，要加熱的空氣總量將降到最低, 熱平衡更好。煤粉流量的過喂料常導(dǎo)致煤粉的不完全燃燒，所產(chǎn)生的一氧化碳將對(duì)窯尾收塵器的安全構(gòu)成危險(xiǎn)。好的短期精度，能避免收塵器關(guān)機(jī)和環(huán)境污染，降低有害排放物超過限值的危險(xiǎn)。

2.2 生料粉的計(jì)量

預(yù)分解窯是當(dāng)前水泥工業(yè)中最主要的窯型。水泥熟料煅燒的關(guān)鍵是穩(wěn)定水泥窯煅燒過程中料、煤、風(fēng)這三個(gè)主要參量匹配的熱工制度。窯系統(tǒng)的用煤量取決于窯系統(tǒng)生料的喂料量，窯系統(tǒng)的用風(fēng)量取決于系統(tǒng)的用煤量，而窯系統(tǒng)的生料喂料量又取決于窯內(nèi)實(shí)際的煅燒狀況。因此穩(wěn)定燒成系統(tǒng)的熱工制度，是增加窯的產(chǎn)量、提高熟料質(zhì)量、降低系統(tǒng)能耗的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

如果把窯的煅燒過程看作一個(gè)控制系統(tǒng)時(shí)，系統(tǒng)的核心就是我們的窯操人員，而喂料系統(tǒng)、喂煤系統(tǒng)和風(fēng)量調(diào)節(jié)系統(tǒng)僅僅是整個(gè)窯系統(tǒng)的子系統(tǒng)。對(duì)于整個(gè)窯煅燒過程這樣一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)來說，即使一個(gè)非常熟練的窯操人員，要穩(wěn)定這樣一個(gè)非線性、多變量、強(qiáng)耦合、時(shí)變和滯后的復(fù)雜系統(tǒng)——尤其是子系統(tǒng)的自身的穩(wěn)定性較差時(shí)，也是非常吃力的。我們?cè)賮砜匆豢从绊懜G煅燒系統(tǒng)穩(wěn)定性的三個(gè)主要參量：入窯生料量、窯（含爐）系統(tǒng)的喂煤量以及窯（爐）系統(tǒng)的用風(fēng)量。入窯生料量的大小決定了這個(gè)窯的產(chǎn)量，它受制于窯的設(shè)計(jì)和窯內(nèi)實(shí)際煅燒情況，其參考輸入是由窯操人員根據(jù)操作過程的實(shí)際情況來決定的。窯（爐）的喂煤量是由入窯生料量的多少?zèng)Q定的，它提供了窯煅燒的能源。窯系統(tǒng)的風(fēng)量取決于窯（爐）的喂煤量，它提供煤粉燃燒所必須的氧氣。從控制的角度大致可以這樣認(rèn)為，窯（爐）喂煤系統(tǒng)是入窯生料系統(tǒng)的隨動(dòng)系統(tǒng)，其參考輸入（喂煤的設(shè)定量）是入窯生料量的時(shí)間函數(shù)；而用風(fēng)系統(tǒng)是喂煤系統(tǒng)的隨動(dòng)系統(tǒng)，其參考輸入是喂煤量的時(shí)間函數(shù)。由此我們可以看出，即使不考慮窯系統(tǒng)各參量的非線性、耦合、時(shí)變等復(fù)雜因素，入窯生料系統(tǒng)的高準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性是窯系統(tǒng)穩(wěn)定的極為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)和至關(guān)重要的節(jié)點(diǎn)，同時(shí)也是穩(wěn)定熟料質(zhì)量和成本進(jìn)一步優(yōu)化的關(guān)鍵。

豐博公司FB-CRM型入窯生料粉計(jì)量控制系統(tǒng)方案-科里奧利粉體定量給料秤：流量調(diào)節(jié)閥＋科里奧利粉體質(zhì)量流量計(jì)，見圖3。

圖3 入窯生料粉計(jì)量控制系統(tǒng)方案

系統(tǒng)由手動(dòng)開關(guān)閥、兩組氣動(dòng)開關(guān)調(diào)節(jié)閥作為控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)，科里奧利粉體質(zhì)量流量計(jì)作為流量檢測(cè)反饋機(jī)構(gòu)組成一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)。

科里奧利質(zhì)量流量計(jì)是真正的質(zhì)量計(jì)量流量計(jì)，由驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、扭矩測(cè)量機(jī)構(gòu)、測(cè)量輪等組成，測(cè)量輪實(shí)現(xiàn)對(duì)科里奧利力的檢測(cè)，科里奧利力的大小實(shí)時(shí)反映了物料的質(zhì)量流量，與物料的密度無關(guān)，并且科里奧利力不受上下游氣壓影響，零點(diǎn)不受外界影響，計(jì)量精度可達(dá)到≤±0.5%，準(zhǔn)確的計(jì)量提高系統(tǒng)反饋輸入準(zhǔn)確度，提高控制回路的控制響應(yīng)準(zhǔn)確度，整體提高系統(tǒng)的控制精度（控制誤差可達(dá)到≤±1.0%）。

綜上所述，開關(guān)調(diào)節(jié)閥+科里奧利質(zhì)量流量計(jì)系統(tǒng)是目前生料入窯計(jì)量控制的理想方案。入窯生料粉喂料穩(wěn)定是燒成系統(tǒng)熱工制度穩(wěn)定的基礎(chǔ)，同時(shí)也是穩(wěn)定熟料質(zhì)量和降低成本的關(guān)鍵。

2.3 散裝成品水泥的計(jì)量

在水泥生產(chǎn)線中，水泥散裝環(huán)節(jié)自動(dòng)化和智能化程度低，工人工作環(huán)境最差。散裝環(huán)節(jié)目前普遍以人工操作為主，存在效率低、受人為因素干擾大、工人勞動(dòng)強(qiáng)度高、安全事故頻發(fā)等諸多問題。同時(shí)導(dǎo)致的后果有：

（1）由于散裝與計(jì)量環(huán)節(jié)分離且計(jì)量與控制手段落后，導(dǎo)致裝車難以精確定量，為避免超載，單車重復(fù)裝卸的情況較為普遍，特別在道路限載檢查嚴(yán)格地區(qū)，這種現(xiàn)象格外突出；

（2）粗放控制和管理帶來的二次揚(yáng)塵污染和資源浪費(fèi)等問題，成為制約水泥廠綠色發(fā)展的主要問題之一。

豐博公司FB-CCM（水泥）散裝秤計(jì)量控制方案，同生料粉計(jì)量系統(tǒng)類似，即氣動(dòng)流量控制閥＋科里奧利粉體質(zhì)量流量計(jì)。

2.4 其他計(jì)量控制

水泥中粉煤灰添加的計(jì)量控制，以及在現(xiàn)代新型建材超細(xì)粉和添加劑的計(jì)量控制等，同入窯煤粉計(jì)量方案類似，除去底部的噴流鎖風(fēng)裝置，便是該方案系統(tǒng)，即FB-CMF型科里奧利粉體定量給料機(jī)秤：穩(wěn)流給料裝置+科里奧利粉體質(zhì)量流量計(jì)（方案圖見煤粉計(jì)量部分）。

3 結(jié)束語

綜上所述，在設(shè)計(jì)中選擇好適合物料的計(jì)量設(shè)備，避免一切不利于物料通過計(jì)量設(shè)備的因素，才能保證計(jì)量的精確和穩(wěn)定，從而為全廠生產(chǎn)連續(xù)、穩(wěn)定、高質(zhì)量的熟料和水泥提供保障。

隨著計(jì)量設(shè)備技術(shù)的發(fā)展，影響粉體計(jì)量精度的原因除計(jì)量設(shè)備本身外，還有儲(chǔ)料單元和控制單元，三者密不可分，是一個(gè)有機(jī)的整體，是保證粉體物料流量計(jì)量的必要條件。粉狀物料基本單元及輸送環(huán)節(jié)中的物料的變化都會(huì)對(duì)流量產(chǎn)生影響。所以，粉體計(jì)量控制是一個(gè)系統(tǒng)工程，它不僅要靠調(diào)節(jié)裝置的改善和控制軟件的優(yōu)化來不斷提高系統(tǒng)的調(diào)節(jié)品質(zhì)，同時(shí)它還跟系統(tǒng)工藝有密不可分的聯(lián)系。只有從系統(tǒng)工程的角度出發(fā)，才能把握好粉體計(jì)量控制的發(fā)展方向，滿足現(xiàn)代水泥工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)的需要。

2016-06-12）

TQ172.4

B

1008-0473(2016)06-0010-03

10.16008/j.cnki.1008-0473.2016.06.004