眾所周知，在水泥生產(chǎn)過程中，煤粉計(jì)量與控制對(duì)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(dòng)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(dòng)失控，會(huì)導(dǎo)致煤粉不完全燃燒，不僅造成能源浪費(fèi)，同時(shí)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(jì)量準(zhǔn)確，喂煤量穩(wěn)定、可調(diào)，響應(yīng)速度快，對(duì)煤粉特性（煤種、細(xì)度、水分等）適應(yīng)能力強(qiáng)的計(jì)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(jià)格比高，有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，為新型干法水泥生產(chǎn)線配套的入窯煤粉計(jì)量與控制系統(tǒng)。

 

KXT科氏力秤煤粉計(jì)量與控制系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱“KXT系統(tǒng)”）由穩(wěn)流給料機(jī)、科氏力粉體計(jì)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(jì)量裝置---科氏力粉體計(jì)量秤（以下簡(jiǎn)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(shí)流量測(cè)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(shí)值始終跟蹤設(shè)定值，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)喂煤量的計(jì)量與控制。計(jì)量后的煤粉通過新型輸送泵進(jìn)入煤粉輸送管道。

 

 

水泥廠煤粉計(jì)量與控制系統(tǒng)必須具備計(jì)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(jì)量準(zhǔn)確基礎(chǔ)之上?？剖狭Τ邮墙M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(jì)量裝置，是本研究項(xiàng)目的技術(shù)核心。

 

 

科氏力秤應(yīng)用科里奧利力學(xué)原理計(jì)量粉體物料的質(zhì)量流量。

在力學(xué)研究中，物體的運(yùn)動(dòng)需在某個(gè)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(dòng)參照系中作相對(duì)運(yùn)動(dòng)為條件的。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。科里奧利力是沿切向的?？评飱W利力的矢量表達(dá)式為：Fc=-2mω×v’，式中ω為轉(zhuǎn)動(dòng)角速度，v’為相對(duì)速度，m為質(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。

 

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，科氏力秤內(nèi)設(shè)有測(cè)量盤，測(cè)量盤上徑向設(shè)置數(shù)塊測(cè)量葉片，如圖6所示，測(cè)量盤在電機(jī)主軸的驅(qū)動(dòng)下作高速回轉(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徑向向外緣運(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。其計(jì)算公式為：

 

M = QωR²

 

式中：M---- 測(cè)量盤受到的力矩；

 

Q----- 物料流量；

 

ω---- 角速度；

 

R----- 測(cè)量盤半徑。

 

        

                              圖 7

 

 

應(yīng)用科里奧利力學(xué)原理計(jì)量粉體物料，首先是以物料在均勻轉(zhuǎn)動(dòng)參照系中徑向運(yùn)動(dòng)為條件。因此，科氏力秤在理論上要符合下面兩個(gè)基本條件：（1）測(cè)量盤轉(zhuǎn)速必須是恒定的；（2）物料必須由測(cè)量盤中心向外徑向運(yùn)動(dòng)。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(jì)上。根據(jù)計(jì)算公式M = QωR²可知 ：必須確定測(cè)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(cè)量盤理想半徑，及測(cè)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(jì)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(jì)。

 

測(cè)量盤轉(zhuǎn)速關(guān)系到物料的流速、流量，科氏力量值。測(cè)量盤轉(zhuǎn)速研究是本項(xiàng)目的重要內(nèi)容之一，是科氏力秤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(cè)量盤轉(zhuǎn)速（或稱作角速度ω）關(guān)系到質(zhì)點(diǎn)相對(duì)速度v’，決定了質(zhì)點(diǎn)受到的科氏力Fc量值。

 

本項(xiàng)目在模擬試驗(yàn)和理論分析基礎(chǔ)上，首先確定了測(cè)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(jì)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(duì)煤粉、粉煤灰、生料粉進(jìn)行實(shí)物計(jì)量，在采樣分析基礎(chǔ)上獲得了測(cè)量盤理想轉(zhuǎn)速。

 

質(zhì)點(diǎn)在測(cè)量盤上運(yùn)動(dòng)的相對(duì)位置不同，受到的科氏力量值也不同，因此，測(cè)量盤半徑與科氏力Fc的量值相關(guān)，測(cè)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(jì)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(jì)。理論公式不可能提供測(cè)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(jì)相符的經(jīng)驗(yàn)公式。

 

如前所述，測(cè)量盤上設(shè)有徑向測(cè)量葉片，落到測(cè)量盤中心的物料在分料錐作用下運(yùn)動(dòng)到葉片處，被葉片捕捉后，沿葉片向外徑向運(yùn)動(dòng)，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(cè)量盤應(yīng)分為有效測(cè)量區(qū)和無效測(cè)量區(qū),設(shè)有測(cè)量葉片部分為有效測(cè)量區(qū)。物料在無效測(cè)量區(qū)沒有受到科氏力作用，也可稱之為測(cè)量盲區(qū)。因此，測(cè)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(cè)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(jì)算公式，用以指導(dǎo)不同規(guī)格科氏力秤測(cè)量盤優(yōu)化設(shè)計(jì)。

 

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(xiàng)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(jì)量技術(shù)，忽視給料裝置的理念。首先有針對(duì)性分析了物料特性和工藝條件對(duì)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(shí)料流沖擊力均會(huì)影響給料穩(wěn)定性。煤粉細(xì)度細(xì)，水分低，容重小，流動(dòng)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(duì)穩(wěn)定給料有一定影響。水分偏大會(huì)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(jì)要考慮在水分偏高時(shí)的適應(yīng)能力。水泥燒成系統(tǒng)壓力變化也會(huì)間接影響給料機(jī)下料穩(wěn)定性。系統(tǒng)工況不正常時(shí)，輸煤管道壓力有時(shí)會(huì)發(fā)生波動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致給料機(jī)下料不暢或無法運(yùn)行。

 

通過物料特性和工藝條件研究分析，本項(xiàng)目采取與傳統(tǒng)給料裝置完全不同的設(shè)計(jì)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(jiǎn)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(dòng)，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(shí)流量檢測(cè)值與流量設(shè)定值比較結(jié)果，實(shí)時(shí)調(diào)控給料機(jī)轉(zhuǎn)速，使瞬時(shí)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(cuò)位布置，物料在穩(wěn)流給料機(jī)內(nèi)經(jīng)迷宮式流動(dòng)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(dòng)性物料在料壓變化和自重力作用下產(chǎn)生跑料、沖料問題。

 

---- 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(jiǎn)單。

 

 

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(jì)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(dòng)時(shí)，螺旋泵必需能有效阻斷煤粉返竄，出料不暢性能，為計(jì)量設(shè)備提供正常工作條件。

 

新型螺旋泵采用簡(jiǎn)單的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，采用變節(jié)距螺旋設(shè)計(jì)，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(duì)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(shí)產(chǎn)權(quán)的耐磨材料技術(shù)，應(yīng)用于泵的設(shè)計(jì)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(dòng)黃油泵，運(yùn)動(dòng)件潤滑加油簡(jiǎn)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(jiǎn)單，運(yùn)行費(fèi)用低，滿足計(jì)量與控制系統(tǒng)要求。

 

 

控制裝置根據(jù)科氏力秤瞬時(shí)流量測(cè)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(shí)值始終跟蹤設(shè)定值，計(jì)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(hào)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(hào)（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(shí)實(shí)時(shí)顯示過程動(dòng)態(tài)圖形。

 

KXT控制系統(tǒng)以控制柜為核心，構(gòu)成一個(gè)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(jì)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(dòng)調(diào)節(jié)功能；操作功能（中控自動(dòng)方式、中控手動(dòng)方式、本機(jī)操作方式），零點(diǎn)自動(dòng)校正功能，自動(dòng)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。

 

對(duì)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(dòng)調(diào)節(jié)，定量給料軟件

 

3.2 系統(tǒng)操作軟件

 

3.3 計(jì)量秤零點(diǎn)自動(dòng)校正軟件

 

3.4 自動(dòng)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(jì)軟件

 

3.8 人機(jī)界面（觸摸屏）軟件。

 

 

---- 計(jì)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(jì)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。

 

 

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(jì)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(jì)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(jì)量與控制系統(tǒng)。

 

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(jì)量與控制系統(tǒng)取代進(jìn)口溜槽式流量計(jì)。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(xiàng)目選用KXT科氏力秤煤粉計(jì)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(jì)量與控制系統(tǒng)，取代進(jìn)口沖板流量計(jì)。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(jì)量與控制系統(tǒng)，取代進(jìn)口沖板流量計(jì)。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(jì)量與控制系統(tǒng)，取代原計(jì)量設(shè)備。

 

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(dòng)性好。采用KXT科氏力秤煤粉計(jì)量與控制系統(tǒng)均取得良好使用效果。

 

湖北華新水泥公司（西藏項(xiàng)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(jì)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(jì)量準(zhǔn)確、運(yùn)行可靠。

 

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(jì)量領(lǐng)域，基于該原理的KXT科氏力秤煤粉計(jì)量與控制系統(tǒng)性價(jià)比高，實(shí)現(xiàn)了高準(zhǔn)確度快速計(jì)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(jì)量設(shè)備正式走向國際市場(chǎng)。能滿足5000t/d水泥熟料生產(chǎn)線煤粉計(jì)量需要。迄今，260多套KXT煤粉計(jì)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(chǎng)占有率逐年上升，打破了我國水泥工業(yè)煤粉計(jì)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(jì)量系統(tǒng)已出口26臺(tái)套，開創(chuàng)了我國煤粉計(jì)量控制技術(shù)與裝備出口的先河。