KXT科氏力秤煤粉計量與控制系統(tǒng)的研究
“KXT科氏力秤煤粉計量與控制系統(tǒng)”是合肥水泥研究設(shè)計院自主研發(fā)的高技術(shù)產(chǎn)品，是科研人員歷時八年艱苦努力，靠自己的聰明才智，通過技術(shù)創(chuàng)新取得的研究成果。沒有走引進(jìn)消化的途徑，是真正意義上的自主創(chuàng)新。該項成果分別榮獲2006年度國家建材科技進(jìn)步一等獎。......
眾所周知，在水泥生產(chǎn)過程中，煤粉計量與控制對穩(wěn)定窯的熱工制度，提高熟料的產(chǎn)、質(zhì)量，降低能耗，提高自動化水平和管理水平起到極其重要的作用。窯系統(tǒng)喂煤量波動失控，會導(dǎo)致煤粉不完全燃燒，不僅造成能源浪費(fèi)，同時使一氧化碳超標(biāo)，給窯尾收塵系統(tǒng)安全運(yùn)行帶來隱患。因此，必須選用計量準(zhǔn)確，喂煤量穩(wěn)定、可調(diào)，響應(yīng)速度快，對煤粉特性（煤種、細(xì)度、水分等）適應(yīng)能力強(qiáng)的計量與控制系統(tǒng)，以期達(dá)到高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)、節(jié)約能源，降低成本的目標(biāo)。本研究旨在開發(fā)具有國際先進(jìn)水平，性能價格比高，有自主知識產(chǎn)權(quán)，為新型干法水泥生產(chǎn)線配套的入窯煤粉計量與控制系統(tǒng)。
KXT科氏力秤煤粉計量與控制系統(tǒng)（以下簡稱“KXT系統(tǒng)”）由穩(wěn)流給料機(jī)、科氏力粉體計量秤、新型輸送泵、及控制裝置組成。穩(wěn)流給料機(jī)安裝在煤粉倉下方，其作用是給計量裝置---科氏力粉體計量秤（以下簡稱“科氏力秤”）提供流量穩(wěn)定的煤粉，故稱之為“穩(wěn)流給料機(jī)”。煤粉經(jīng)穩(wěn)流給料機(jī)進(jìn)入科氏力秤，控制裝置根據(jù)科氏力秤瞬時流量測定值與設(shè)定值比較結(jié)果反饋調(diào)節(jié)穩(wěn)流給料機(jī)轉(zhuǎn)速，使瞬時值始終跟蹤設(shè)定值，從而實(shí)現(xiàn)對喂煤量的計量與控制。計量后的煤粉通過新型輸送泵進(jìn)入煤粉輸送管道。
二、主要研究內(nèi)容
（一）科氏力秤的研制
水泥廠煤粉計量與控制系統(tǒng)必須具備計量準(zhǔn)確，喂煤量穩(wěn)定、可調(diào)，響應(yīng)速度快等功能，而這些功能的實(shí)現(xiàn)首先要建立在計量準(zhǔn)確基礎(chǔ)之上。科氏力秤是組成KXT系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，是通過自主創(chuàng)新研發(fā)的粉體物料計量裝置，是本研究項目的技術(shù)核心。
1、科氏力秤計量原理及基本結(jié)構(gòu)
1.1 計量原理
科氏力秤應(yīng)用科里奧利力學(xué)原理計量粉體物料的質(zhì)量流量。
在力學(xué)研究中，物體的運(yùn)動需在某個確定的參照系中加以描述。本研究涉及的力學(xué)原理是以物體在均勻轉(zhuǎn)動參照系中作相對運(yùn)動為條件的。質(zhì)點(diǎn)在均勻轉(zhuǎn)動參照系中作相對徑向運(yùn)動時，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。科里奧利力是沿切向的。科里奧利力的矢量表達(dá)式為：Fc=-2mω×v’，式中ω為轉(zhuǎn)動角速度，v’為相對速度，m為質(zhì)量。
由于質(zhì)點(diǎn)是在均勻轉(zhuǎn)動參照系中作徑向運(yùn)動，角速度ω不變，質(zhì)點(diǎn)在任意一位置上的相對速度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，通過精確測量Fc的量值即可獲得物料的準(zhǔn)確流量。
1.2基本結(jié)構(gòu)
根據(jù)物體在均勻轉(zhuǎn)動參照系中運(yùn)動時受到科里奧利力作用的描述，科氏力秤內(nèi)設(shè)有測量盤，測量盤上徑向設(shè)置數(shù)塊測量葉片，如圖6所示，測量盤在電機(jī)主軸的驅(qū)動下作高速回轉(zhuǎn)。需計量的物料落到測量盤中心，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徑向向外緣運(yùn)動。在運(yùn)動過程中，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引起一個反作用運(yùn)動力矩M，而Fr、Fx對驅(qū)動軸不會產(chǎn)生反作用力矩。通過測量科里奧利力Fc對測量盤的作用力矩即可獲得物料的質(zhì)量流量。其計算公式為：
M = QωR2
式中：M---- 測量盤受到的力矩；
Q----- 物料流量；
ω---- 角速度；
R----- 測量盤半徑。
圖 7
2、科氏力秤核心技術(shù)研究與創(chuàng)新
2.1、重要技術(shù)參數(shù)的研究
應(yīng)用科里奧利力學(xué)原理計量粉體物料，首先是以物料在均勻轉(zhuǎn)動參照系中徑向運(yùn)動為條件。因此，科氏力秤在理論上要符合下面兩個基本條件：（1）測量盤轉(zhuǎn)速必須是恒定的；（2）物料必須由測量盤中心向外徑向運(yùn)動。在理論上滿足這些條件并不困難，關(guān)鍵是如何體現(xiàn)在最佳結(jié)構(gòu)設(shè)計上。根據(jù)計算公式M = QωR2可知 ：必須確定測量盤有效轉(zhuǎn)速范圍，并從有效轉(zhuǎn)速范圍中優(yōu)選出理想轉(zhuǎn)速；必須確定測量盤理想半徑，及測量葉片設(shè)置數(shù)量和尺寸等諸多相關(guān)技術(shù)參數(shù)。本研究在理論指導(dǎo)下，根據(jù)計算公式，通過大量實(shí)驗(yàn)研究，獲得了經(jīng)驗(yàn)公式，用以指導(dǎo)秤的結(jié)構(gòu)設(shè)計。
2.2、 測量盤理想轉(zhuǎn)速的研究
測量盤轉(zhuǎn)速關(guān)系到物料的流速、流量，科氏力量值。測量盤轉(zhuǎn)速研究是本項目的重要內(nèi)容之一，是科氏力秤結(jié)構(gòu)設(shè)計必不可少的技術(shù)參數(shù)。根據(jù)科氏力矢量表達(dá)式Fc=-2mω×v’，測量盤轉(zhuǎn)速（或稱作角速度ω）關(guān)系到質(zhì)點(diǎn)相對速度v’，決定了質(zhì)點(diǎn)受到的科氏力Fc量值。
本項目在模擬試驗(yàn)和理論分析基礎(chǔ)上，首先確定了測量盤有效轉(zhuǎn)速范圍。但有效轉(zhuǎn)速研究只解決了角速度ω的取值范圍，不能為設(shè)計提供具體參數(shù)和依據(jù)。為了獲得理想轉(zhuǎn)速參數(shù)，在半工業(yè)性試驗(yàn)中，通過實(shí)驗(yàn)樣機(jī)分別對煤粉、粉煤灰、生料粉進(jìn)行實(shí)物計量，在采樣分析基礎(chǔ)上獲得了測量盤理想轉(zhuǎn)速。
2.3、 測量盤理想半徑研究
質(zhì)點(diǎn)在測量盤上運(yùn)動的相對位置不同，受到的科氏力量值也不同，因此，測量盤半徑與科氏力Fc的量值相關(guān)，測量盤理想半徑研究關(guān)系到科氏力秤結(jié)構(gòu)的合理尺寸、計量能力，傳感器量程、功率配置、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、及系列化設(shè)計。理論公式不可能提供測量盤理想半徑，只有通過試驗(yàn)研究方能建立起與科氏力秤優(yōu)化設(shè)計相符的經(jīng)驗(yàn)公式。
如前所述，測量盤上設(shè)有徑向測量葉片，落到測量盤中心的物料在分料錐作用下運(yùn)動到葉片處，被葉片捕捉后，沿葉片向外徑向運(yùn)動，并受到科氏力作用。鑒于物料被葉片捕捉后才受到科氏力作用，故從受力角度，測量盤應(yīng)分為有效測量區(qū)和無效測量區(qū),設(shè)有測量葉片部分為有效測量區(qū)。物料在無效測量區(qū)沒有受到科氏力作用，也可稱之為測量盲區(qū)。因此，測量盤半徑應(yīng)分為有效半徑和無效半徑兩部分，有效半徑與葉片長度相等。這使測量盤理想半徑研究變得較為復(fù)雜，因?yàn)槔硐氚霃接珊侠淼挠行О霃胶蜔o效半徑兩部分構(gòu)成。在反復(fù)實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上獲得了修正系數(shù)，推導(dǎo)并建立了經(jīng)驗(yàn)計算公式，用以指導(dǎo)不同規(guī)格科氏力秤測量盤優(yōu)化設(shè)計。
（二）穩(wěn)流給料裝置的研制
喂煤量穩(wěn)定可調(diào)是新型干法生產(chǎn)線喂煤系統(tǒng)的基本要求，本項目將穩(wěn)定給料技術(shù)與裝置的研制放到重要位置，摒棄了以往重視計量技術(shù)，忽視給料裝置的理念。首先有針對性分析了物料特性和工藝條件對給料機(jī)性能影響和要求。給料裝置設(shè)在煤粉倉底部，煤粉倉內(nèi)料位變化、煤粉倉進(jìn)料時料流沖擊力均會影響給料穩(wěn)定性。煤粉細(xì)度細(xì)，水分低，容重小，流動性好，尤其是無煙煤燒成工藝，煤粉細(xì)度通常在1%以下，使穩(wěn)定給料變得更為困難。煤粉水分對穩(wěn)定給料有一定影響。水分偏大會帶來煤粉起拱、沾料、下料不暢等問題。尤其在雨季，或回轉(zhuǎn)窯點(diǎn)火升溫期間，很多水泥廠煤粉水分不符合工藝條件要求。因此，給料機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計要考慮在水分偏高時的適應(yīng)能力。水泥燒成系統(tǒng)壓力變化也會間接影響給料機(jī)下料穩(wěn)定性。系統(tǒng)工況不正常時，輸煤管道壓力有時會發(fā)生波動，嚴(yán)重時會導(dǎo)致給料機(jī)下料不暢或無法運(yùn)行。
1、穩(wěn)流給料機(jī)結(jié)構(gòu)研究及工作原理
通過物料特性和工藝條件研究分析，本項目采取與傳統(tǒng)給料裝置完全不同的設(shè)計方案，研制開發(fā)了全新結(jié)構(gòu)的給料裝置---- WD型水平回轉(zhuǎn)式穩(wěn)流給料機(jī)（以下簡稱“穩(wěn)流給料機(jī)”）。穩(wěn)流給料機(jī)結(jié)構(gòu)見示意圖。
如圖所示，穩(wěn)流給料機(jī)由減壓倉（1）、均壓倉（2）、穩(wěn)流腔（3）組成。減壓倉內(nèi)設(shè)有減壓裝置，使進(jìn)入均壓倉內(nèi)的物料不受倉壓影響。均壓倉內(nèi)設(shè)有攪器（4），使物料充分活化，避免物料起拱、沾壁、消除物料死區(qū)。由于均壓倉內(nèi)料壓均勻，為物料在相同容重條件下進(jìn)入轉(zhuǎn)子腔創(chuàng)造了條件。穩(wěn)流腔內(nèi)設(shè)有水平回轉(zhuǎn)分格輪，每轉(zhuǎn)一周輸送相同容積的物料。穩(wěn)流給料機(jī)由軸裝式減速機(jī)和電機(jī)驅(qū)動，采用變頻器調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，變頻器受控于PLC。PLC根據(jù)瞬時流量檢測值與流量設(shè)定值比較結(jié)果，實(shí)時調(diào)控給料機(jī)轉(zhuǎn)速，使瞬時流量始終跟蹤設(shè)定流量，實(shí)現(xiàn)定量給料目的。
減壓倉、均壓倉、穩(wěn)流腔的進(jìn)料口和出料口均呈180°錯位布置，物料在穩(wěn)流給料機(jī)內(nèi)經(jīng)迷宮式流動方能離開給料機(jī)。此外，轉(zhuǎn)子腔水平回轉(zhuǎn)分格輪葉片上采用了彈性密封材料，實(shí)現(xiàn)零間隙。因此，有效解決了高流動性物料在料壓變化和自重力作用下產(chǎn)生跑料、沖料問題。
2、穩(wěn)流給料機(jī)技術(shù)性能
---- 給料均勻穩(wěn)定，不受倉壓，物料特性影響；
---- 適應(yīng)工藝系統(tǒng)壓力變化能力強(qiáng)；
---- 給料量穩(wěn)定可調(diào)；
---- 結(jié)構(gòu)合理，性能可靠，維護(hù)簡單。
（三）新型螺旋泵的研制
1、螺旋泵在系統(tǒng)中的作用
螺旋泵在系統(tǒng)中起到輸送和鎖風(fēng)作用，在有效克服輸煤管道系統(tǒng)壓力前提下，將科氏力秤計量后的煤粉快速、均勻的送入輸煤管道中。當(dāng)管道內(nèi)壓力變化或輸送風(fēng)壓力波動時，螺旋泵必需能有效阻斷煤粉返竄，出料不暢性能，為計量設(shè)備提供正常工作條件。
2、新型螺旋泵技術(shù)特點(diǎn)
新型螺旋泵采用簡單的傳動結(jié)構(gòu)，采用變節(jié)距螺旋設(shè)計，應(yīng)用噴射器原理，使泵出料端工作氛圍基本呈負(fù)壓狀態(tài)，有效解決了輸煤管道系統(tǒng)壓力變化對螺旋泵出料帶來的影響；軸端密封采取氣體密封、油封、機(jī)械密封相結(jié)合的技術(shù)方案，滿足了耐油、耐高溫、耐磨要求，密封性能優(yōu)越；將有自主知識產(chǎn)權(quán)的耐磨材料技術(shù)，應(yīng)用于泵的設(shè)計與制造過程，達(dá)到在同等輸送能力條件下，螺旋葉片使用壽命高出“富樂泵”堆焊技術(shù)2倍以上；采用外置可調(diào)式配重，可以根據(jù)不同的工況條件，改變阻尼閥的受力大小，從而很好的解決了料栓合理的密實(shí)度問題；設(shè)手動黃油泵，運(yùn)動件潤滑加油簡便易行。新型螺旋輸送泵綜合了傳統(tǒng)螺旋泵和引進(jìn)富樂泵的合理成分，增加了獨(dú)特的創(chuàng)新技術(shù)，性能可靠，結(jié)構(gòu)新穎，維護(hù)簡單，運(yùn)行費(fèi)用低，滿足計量與控制系統(tǒng)要求。
（四）、系統(tǒng)控制
1、控制原理
控制裝置根據(jù)科氏力秤瞬時流量測定值與設(shè)定值比較結(jié)果反饋調(diào)節(jié)穩(wěn)流給料機(jī)轉(zhuǎn)速，使瞬時值始終跟蹤設(shè)定值，計量后的煤粉通過新型輸送泵進(jìn)入煤粉輸送管道。KXT系統(tǒng)采用PLC控制（可編程控制器），傳感器采集的信號傳輸至變送器，經(jīng)變送器處理，轉(zhuǎn)換成PLC能夠接受的標(biāo)準(zhǔn)信號（4～20mA），滿足與PLC通訊要求。由PLC完成運(yùn)算、判定、補(bǔ)償、設(shè)定、調(diào)節(jié)、顯示等任務(wù)，同時實(shí)時顯示過程動態(tài)圖形。
2、系統(tǒng)功能
KXT控制系統(tǒng)以控制柜為核心，構(gòu)成一個完整獨(dú)立的控制單元，即可受控于用戶中央控制室（或稱DCS系統(tǒng)），也可通過控制柜本身完成煤粉計量與控制所需的全部功能?？刂乒駜?nèi)集中了與控制有關(guān)的電氣設(shè)備，如PLC、人-機(jī)界面（觸摸屏）、變送器、變頻器、斷路器、接觸器、隔離變壓器、開關(guān)電源、繼電器等。系統(tǒng)功能包括： 自動調(diào)節(jié)功能；操作功能（中控自動方式、中控手動方式、本機(jī)操作方式），零點(diǎn)自動校正功能，自動標(biāo)定功能，顯示功能，通信功能，參數(shù)修改和密碼設(shè)定功能。
3、應(yīng)用控制軟件
對應(yīng)KXT系統(tǒng)控制功能，開發(fā)了下述應(yīng)用控制軟件：
3.1 自動調(diào)節(jié)，定量給料軟件
3.2 系統(tǒng)操作軟件
3.3 計量秤零點(diǎn)自動校正軟件
3.4 自動標(biāo)定軟件
3.5 顯示軟件
3.6 參數(shù)修改和密碼設(shè)定軟件
3.7 產(chǎn)量累計軟件
3.8 人機(jī)界面（觸摸屏）軟件。
三、項目完成的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)
---- 計量準(zhǔn)確度±0.5%
---- 控制準(zhǔn)確度±1%
---- 適應(yīng)物料水份 ≤2%
---- 允許物料細(xì)度 ＜ 1%（（4900孔篩篩余）
---- 耐磨件使用壽命 ≥3.5年
---- 與窯系統(tǒng)同步安全運(yùn)轉(zhuǎn)率100%
---- 計量過程基本不受煤粉倉倉壓變化、煤粉細(xì)度、煤粉水分、輸煤管道壓力變化影響。
四、KXT系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例
1、用于新線建設(shè)
內(nèi)蒙古烏蘭水泥公司四條2500t/d新型干法水泥生產(chǎn)線均選用KXT科氏力秤煤粉計量與控制系統(tǒng)。2005年10月，該公司一條5000t/d新線也簽約選用KXT科氏力秤煤粉計量與控制系統(tǒng)；北京金隅水泥公司，河南汝州天瑞集團(tuán)水泥公司3200t/d新型干法水泥生產(chǎn)線均選用KXT科氏力秤煤粉計量與控制系統(tǒng)。
2、用于老廠改造
內(nèi)蒙古烏蘭水泥公司前期建設(shè)的2500t/d新型干法水泥生產(chǎn)線用KXT科氏力秤煤粉計量與控制系統(tǒng)取代進(jìn)口溜槽式流量計。湖北華新水泥公司經(jīng)考察后，2000t/d水泥生產(chǎn)線喂煤改造項目選用KXT科氏力秤煤粉計量與控制系統(tǒng)，取代進(jìn)口轉(zhuǎn)子秤。唐山啟新水泥公司2000t/d水泥生產(chǎn)線改造選用KXT科氏力秤煤粉計量與控制系統(tǒng)，取代進(jìn)口沖板流量計。南京三龍水泥公司1200t/d水泥生產(chǎn)線改造選用KXT科氏力秤煤粉計量與控制系統(tǒng)，取代進(jìn)口沖板流量計。山東三水世紀(jì)創(chuàng)新水泥公司2000t/d水泥生產(chǎn)線改造選用KXT科氏力秤煤粉計量與控制系統(tǒng)，取代原計量設(shè)備。
3、用于無煙煤煅燒工藝
遼寧遼陽冀東水公司、贛州圣塔水泥公司、廣州廣英水泥公司、遼陽恒威水泥公司等1500--2500t/d生產(chǎn)線均采用無煙煤煅燒工藝，煤粉細(xì)度小于1%，流動性好。采用KXT科氏力秤煤粉計量與控制系統(tǒng)均取得良好使用效果。
4、高寒地區(qū)應(yīng)用實(shí)例
湖北華新水泥公司（西藏項目）1500t/h干法生產(chǎn)線建于海拔3500m，最低氣溫-30℃的藏南地區(qū)，選用KXT科氏力秤煤粉計量與控制系統(tǒng)，使用結(jié)果表明，科氏力秤適應(yīng)高海拔高寒工況，喂煤穩(wěn)定、計量準(zhǔn)確、運(yùn)行可靠。
五、結(jié)束語
本研究在國內(nèi)首次將科里奧利力學(xué)原理應(yīng)用于粉體物料計量領(lǐng)域，基于該原理的KXT科氏力秤煤粉計量與控制系統(tǒng)性價比高，實(shí)現(xiàn)了高準(zhǔn)確度快速計量與控制，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，其主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)達(dá)到國外同類設(shè)備先進(jìn)水平，全部部件實(shí)現(xiàn)了國產(chǎn)化，已批量出口，標(biāo)志著我國煤粉計量設(shè)備正式走向國際市場。能滿足5000t/d水泥熟料生產(chǎn)線煤粉計量需要。迄今，260多套KXT煤粉計量系統(tǒng)在國內(nèi)外700～6500t/d新型干法水泥生產(chǎn)線上運(yùn)行，產(chǎn)品遍布全國，市場占有率逐年上升，打破了我國水泥工業(yè)煤粉計量技術(shù)產(chǎn)品長期依賴進(jìn)口的格局。KXT科氏力秤煤粉計量系統(tǒng)已出口26臺套，開創(chuàng)了我國煤粉計量控制技術(shù)與裝備出口的先河。
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