李維美

河南豐博自動化有限公司，河南 鄭州 450001

科里奧利粉體定量給料秤計量系統(tǒng)的研發(fā)與應(yīng)用

李維美

河南豐博自動化有限公司，河南 鄭州 450001

從科里奧利粉體定量給料秤測量原理及特點出發(fā)，研發(fā)出FB-CRC型入窯煤粉計量控制系統(tǒng)、FB-CRM型入窯生料粉計量控制系統(tǒng)、FB-CCM（水泥）散裝秤計量控制系統(tǒng)等，實現(xiàn)對粉體物料的精準計量。

粉體物料 科里奧利 測量原理 計量技術(shù)

0 引言

在現(xiàn)代水泥工業(yè)中，物料的計量貫穿著整個生產(chǎn)過程，從各種原材料、燃料等物料入廠到水泥產(chǎn)品出廠，都離不開計量。根據(jù)其工藝特點，粉狀物料的計量準確性和控制穩(wěn)定性在整個計量過程中至關(guān)重要，直接影響著生產(chǎn)和產(chǎn)品質(zhì)量，那么針對不同的粉體物料選擇適合的計量設(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、水泥等粉體物料計量長期以來面臨計量不準的問題，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。

河南豐博自動化有限公司（以下簡稱豐博公司）針對粉體物料的特性，運用多項核心粉體技術(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量與控制。

1 科里奧利粉體定量給料秤測量原理及特點

1.1 科里奧利計量原理

質(zhì)點在均勻轉(zhuǎn)動參照系中作相對徑向運動時，受到的真實力由三部分組成，即慣性離心力、向心摩擦力和科里奧利力，見圖1。科里奧利力是沿切向的?？评飱W利力的矢量表達式為：

Fc=-2mω×v′

式中：ω—轉(zhuǎn)動角速度；

v′—相對速度；

m—質(zhì)量。

由于質(zhì)點是在均勻轉(zhuǎn)動參照系中作徑向運動，角速度ω不變，質(zhì)點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確流量。

圖1 科里奧利計量原理

根據(jù)物體在均勻轉(zhuǎn)動參照系中運動時受到科里奧利力作用的描述，科氏秤內(nèi)設(shè)有測量盤，測量盤上徑向分布數(shù)塊測量葉片，測量盤在電機驅(qū)動下勻速回轉(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葉片向外緣運動。在運動過程中，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。

M= m·ω·R2

1.2 科里奧利粉體定量給料秤特點

（1）計量精度≤±0.5%；

（2）控制精度≤±1%；

（3）系統(tǒng)不受正負氣壓影響；

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

（5）選用高精度稱重傳感器，精度達C3等級；

（6）取得了多項專利技術(shù)；

（7）秤密封好環(huán)保無揚塵；

（8）秤體高度≤1.5 m，節(jié)省空間，安裝簡便。

2 粉體物料計量方案

2.1 入窯煤粉計量

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, 對于這個環(huán)節(jié)來說, 操作的可靠性、運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)計的一個重要方面。

煤粉喂料所需的計量系統(tǒng)需要達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+噴流鎖風裝置，見圖2。

圖2 FB-CRC型入窯煤粉計量控制系統(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, 需要一個合適的可控制的預喂料機，即FB-CSF穩(wěn)流給料機。從氣力輸送管線的清潔氣體端到科里奧利流量計進口的旁路管線確保科立奧利流量計進、出口兩端保持微正差壓。因此, FB-CRC科里奧利流量計的測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。在此系統(tǒng)中, 帶垂直旋轉(zhuǎn)軸的是穩(wěn)流給料機，它是最適合于喂煤粉，作為可控的預喂料機。是在水平方向移動散粒狀物料，同時該喂料機將位于它上面的庫與輸送管線的壓力隔斷。大進口直徑與合適的攪拌機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)的實踐有力地證實了FBCRC科里奧利粉體定量給料秤達到的快速采集測量數(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際喂料速率信號不受外界干擾的影響, 例如：風或振動，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。這一點使得節(jié)約費用成為可能, 不僅減少了喂料螺旋泵的投資，而且降低了風機的功率，在實際生產(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?？諝獾臈l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致煤粉的不完全燃燒，所產(chǎn)生的一氧化碳將對窯尾收塵器的安全構(gòu)成危險。好的短期精度，能避免收塵器關(guān)機和環(huán)境污染，降低有害排放物超過限值的危險。

2.2 生料粉的計量

預分解窯是當前水泥工業(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、風這三個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控制系統(tǒng)時，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)和風量調(diào)節(jié)系統(tǒng)僅僅是整個窯系統(tǒng)的子系統(tǒng)。對于整個窯煅燒過程這樣一個復雜系統(tǒng)來說，即使一個非常熟練的窯操人員，要穩(wěn)定這樣一個非線性、多變量、強耦合、時變和滯后的復雜系統(tǒng)——尤其是子系統(tǒng)的自身的穩(wěn)定性較差時，也是非常吃力的。我們再來看一看影響窯煅燒系統(tǒng)穩(wěn)定性的三個主要參量：入窯生料量、窯（含爐）系統(tǒng)的喂煤量以及窯（爐）系統(tǒng)的用風量。入窯生料量的大小決定了這個窯的產(chǎn)量，它受制于窯的設(shè)計和窯內(nèi)實際煅燒情況，其參考輸入是由窯操人員根據(jù)操作過程的實際情況來決定的。窯（爐）的喂煤量是由入窯生料量的多少決定的，它提供了窯煅燒的能源。窯系統(tǒng)的風量取決于窯（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為，窯（爐）喂煤系統(tǒng)是入窯生料系統(tǒng)的隨動系統(tǒng)，其參考輸入（喂煤的設(shè)定量）是入窯生料量的時間函數(shù)；而用風系統(tǒng)是喂煤系統(tǒng)的隨動系統(tǒng)，其參考輸入是喂煤量的時間函數(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、時變等復雜因素，入窯生料系統(tǒng)的高準確性和穩(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，同時也是穩(wěn)定熟料質(zhì)量和成本進一步優(yōu)化的關(guān)鍵。

豐博公司FB-CRM型入窯生料粉計量控制系統(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，見圖3。

圖3 入窯生料粉計量控制系統(tǒng)方案

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

科里奧利質(zhì)量流量計是真正的質(zhì)量計量流量計，由驅(qū)動機構(gòu)、扭矩測量機構(gòu)、測量輪等組成，測量輪實現(xiàn)對科里奧利力的檢測，科里奧利力的大小實時反映了物料的質(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，零點不受外界影響，計量精度可達到≤±0.5%，準確的計量提高系統(tǒng)反饋輸入準確度，提高控制回路的控制響應(yīng)準確度，整體提高系統(tǒng)的控制精度（控制誤差可達到≤±1.0%）。

綜上所述，開關(guān)調(diào)節(jié)閥+科里奧利質(zhì)量流量計系統(tǒng)是目前生料入窯計量控制的理想方案。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 散裝成品水泥的計量

在水泥生產(chǎn)線中，水泥散裝環(huán)節(jié)自動化和智能化程度低，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、工人勞動強度高、安全事故頻發(fā)等諸多問題。同時導致的后果有：

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

（2）粗放控制和管理帶來的二次揚塵污染和資源浪費等問題，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）散裝秤計量控制方案，同生料粉計量系統(tǒng)類似，即氣動流量控制閥＋科里奧利粉體質(zhì)量流量計。

2.4 其他計量控制

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

3 結(jié)束語

綜上所述，在設(shè)計中選擇好適合物料的計量設(shè)備，避免一切不利于物料通過計量設(shè)備的因素，才能保證計量的精確和穩(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。

隨著計量設(shè)備技術(shù)的發(fā)展，影響粉體計量精度的原因除計量設(shè)備本身外，還有儲料單元和控制單元，三者密不可分，是一個有機的整體，是保證粉體物料流量計量的必要條件。粉狀物料基本單元及輸送環(huán)節(jié)中的物料的變化都會對流量產(chǎn)生影響。所以，粉體計量控制是一個系統(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)，才能把握好粉體計量控制的發(fā)展方向，滿足現(xiàn)代水泥工業(yè)自動化生產(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