鹿建森 王建民
(合肥水泥研究設(shè)計院固泰自動化有限公司，安徽 合肥 230051)
摘要：通過分析目前幾種常用的入窯生料計量控制系統(tǒng)的優(yōu)劣，針對日產(chǎn)5000噸及以上大中型水泥生產(chǎn)線入窯生料計量與定量給料的特點，開發(fā)一種新型入窯生料計量與定量給料系統(tǒng)——輪輻轉(zhuǎn)子入窯生料計量與定量給料系統(tǒng)，并對其組成、結(jié)構(gòu)、特點進行詳細(xì)的分析。最后詳細(xì)介紹了該系統(tǒng)在世界低能耗示范線——沂南中聯(lián)水泥有限公司4500t/d水泥生產(chǎn)線入窯生料計量與定量中的應(yīng)用情況。
關(guān)鍵詞：入窯生料，計量與定量給料，輪輻轉(zhuǎn)子，雙環(huán)控制，間隙可調(diào)鎖風(fēng)，可調(diào)節(jié)式重載支撐裝置
1 引言
2014年全國規(guī)模以上水泥產(chǎn)量24.7億多噸，全國擁有新型干法水泥生產(chǎn)線1700多條，并且隨著新型干法水泥生產(chǎn)工藝的現(xiàn)代化和生產(chǎn)線大型化，日產(chǎn)4000噸水泥以上的生產(chǎn)線所占比重越來越大，其中日產(chǎn)5000噸左右的水泥生產(chǎn)線約占60%左右。
水泥熟料煅燒的關(guān)鍵是穩(wěn)定水泥窯煅燒過程中生料、煤、風(fēng)這三個主要參量匹配的熱工制度，穩(wěn)定準(zhǔn)確的入窯生料定量給料是保證熟料產(chǎn)量質(zhì)量、產(chǎn)量以及熱工設(shè)備壽命的關(guān)鍵因素之一。近年來，與水泥生產(chǎn)工藝發(fā)展相匹配的裝備也逐步大型化、專業(yè)化和智能化，但是與入窯生料的計量與定量給料相關(guān)的裝備是一塊短板，還沿用傳統(tǒng)的方式，沒有適應(yīng)水泥產(chǎn)業(yè)發(fā)展的趨勢。本文作者擬通過分析目前幾種常用的預(yù)分解窯入窯生料計量控制系統(tǒng)的優(yōu)劣，針對日產(chǎn)5000噸及以上大型水泥生產(chǎn)線入窯生料計量與定量給料的特點，提出一種新型入窯生料計量與定量給料系統(tǒng)——輪輻轉(zhuǎn)子式入窯生料計量與定量給料系統(tǒng)，并對其組成、結(jié)構(gòu)、特點進行詳細(xì)的分析。最后詳細(xì)介紹了該系統(tǒng)在世界低能耗示范線——沂南中聯(lián)水泥有限公司4500t/d水泥生產(chǎn)線入窯生料計量與定量中的應(yīng)用情況。
2 生料的特性及對入窯生料計量與定量給料的要求
預(yù)分解窯的入窯生料在自然狀態(tài)下，具有一定的流態(tài)性和較小的休止角，比重大約在1.0t/m3左右。它流態(tài)性受到水分和氣流的影響極為強烈。水分的增加會使其流態(tài)性變差，表現(xiàn)在趨于粘聚并有較大的附著性，水分越大其附著性越強，流態(tài)性越差;而干燥或伴有氣流的生料的流動性極強，表現(xiàn)為物料趨于自溢，含氣量越大，其流動性越強。所以，存儲倉或過程倉中生料粉存儲的多少、充氣量的大小和氣流的速度對其的流動性影響都是非常大的，在一些氣源變化頻繁的場合，有些傳統(tǒng)的計量控制設(shè)備通常會產(chǎn)生波動，嚴(yán)重時會出現(xiàn)振蕩以至于無法工作，這就對定量喂料系統(tǒng)提出了更高的要求。因此，如何保生料在計量控制過程中的準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性、快速地響應(yīng)能力和長短期精度，是目前每個水泥生產(chǎn)企業(yè)所必須面對和解決的問題，也是對入窯生料計量與定量給料系統(tǒng)的基本要求。
3 水泥生產(chǎn)過程中入窯生料計量與定量給料系統(tǒng)的概況
考慮到入窯生料的特性，目前大多數(shù)水泥廠的窯尾喂料的工藝流程中，都設(shè)計有一個過程穩(wěn)流儲料倉，并且該穩(wěn)流儲料倉通常帶有倉重傳感器。水泥工業(yè)中窯尾生料的過程穩(wěn)流儲料倉是窯尾生料控制的一個比較重要的環(huán)節(jié)，入窯生料的計量和定量給料往往直接串接在這個工藝環(huán)節(jié)之后。因此不論是從生料的計量控制方面還是從工藝流程方面，都希望過程穩(wěn)流儲料倉內(nèi)的生料能夠穩(wěn)定地受控卸料。但是經(jīng)過研磨均化后的生料粉體，在常態(tài)下雖具有一定的流態(tài)性，但其流態(tài)性指標(biāo)并不足以保證其能夠以自身重力方式通過穩(wěn)流儲料倉自然卸料。因此除了在傳統(tǒng)工藝中采用螺旋喂料機方式的強制性卸料方式外，目前在實際中應(yīng)用中大多數(shù)采用倉底充氣助卸并結(jié)合倉側(cè)充氣破拱的自然卸料的方式來保證生料倉內(nèi)物料的卸料。
3.1 流量調(diào)節(jié)閥+流量計系統(tǒng)
采用流量調(diào)節(jié)閥和流量計組成的入窯生料計量與定量給料系統(tǒng)在我國的水泥工業(yè)中占有很大比例。流量計主要分為兩類，一類是固體流量計，另一類是科里奧利流量計。該系統(tǒng)的計量控制原理是通過流量計檢測出入窯生料的瞬時(或平均)流量，并將測量出的流量值與設(shè)定值比較，其偏差通過PID或其變種算法來調(diào)節(jié)流量閥門的開度，力求使入窯生料的實際流量與設(shè)定值保持一致。工藝系統(tǒng)組成如圖1所示。
1、穩(wěn)流倉 2、手動螺旋閘閥 3、氣動開關(guān)截止閥
4、流量調(diào)節(jié)閥 5、布風(fēng)斜槽 6、流量計
圖1 流量調(diào)節(jié)閥和流量計組成的入窯生料計量與定量給料系統(tǒng)
我們注意到這種系統(tǒng)存在兩個特點：流量測量環(huán)節(jié)(流量計)和流量調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)(流量調(diào)節(jié)閥)在物理空間的分離(通過布風(fēng)斜槽和導(dǎo)向斜槽來聯(lián)結(jié))，使的該系統(tǒng)在偏差調(diào)節(jié)上會出現(xiàn)一定的滯后現(xiàn)象;流量調(diào)節(jié)閥開度與流量大小的線性關(guān)系影響系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能。所以該系統(tǒng)存在兩個缺陷：其一是生料給定的穩(wěn)定性完全依賴于給料裝置，流量計完全是被動的，它僅僅是對來料進行計量;其二是當(dāng)發(fā)現(xiàn)通過流量計的生料流量偏離給定量時，生料實際已經(jīng)離開入窯生料定量喂料系統(tǒng)，這時調(diào)節(jié)給料裝置完全是事后補償，是一個純滯后的控制系統(tǒng)。
3.2 流量調(diào)節(jié)閥+密封皮帶式定量給料機系統(tǒng)
采用密封皮帶式定量給料機這樣一個小慣性線性流量測控環(huán)節(jié)，取代流量計固體流量計或科里奧利流量計這樣一個單純的測量環(huán)節(jié)，將流量調(diào)節(jié)閥的精確調(diào)節(jié)下降為穩(wěn)流預(yù)給料的粗調(diào)環(huán)節(jié)，形成了一個由流量調(diào)節(jié)閥――穩(wěn)流粗調(diào)環(huán);密封皮帶式定量給料機――流量精調(diào)環(huán)，組成的一個粗、精雙回路調(diào)節(jié)系統(tǒng)來實現(xiàn)入窯生料的計量與定量給料。系統(tǒng)組成如圖2所示。
1、穩(wěn)流倉 2、手動螺旋閘閥 3、氣動開關(guān)截止閥
4、流量調(diào)節(jié)閥 5、布風(fēng)斜槽 6、密閉皮帶式定量給料機
圖2 流量調(diào)節(jié)閥和密封皮帶式定量給料機組成的入窯生料計量與定量給料系統(tǒng)
由流量調(diào)節(jié)閥門與密封皮帶式定量給料機負(fù)荷組成一個定性調(diào)節(jié)的負(fù)荷粗調(diào)環(huán)節(jié)，它的調(diào)節(jié)作用是在一定范圍內(nèi)保證定量給料機負(fù)荷的相對穩(wěn)定，避開了由于其非線性因素對整個計量控制系統(tǒng)的影響。充分利用定量給料機的小慣性和流量線性調(diào)節(jié)功能，避開了調(diào)節(jié)裝置的非線性和調(diào)節(jié)滯后對整個入窯生料系統(tǒng)的影響，起到細(xì)調(diào)的作用。
該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單，精度較好，投資較低，維護成本低，調(diào)校容易等特點。但是主要缺點有：一是生料粉比重輕，流動性好，易沖料，該系統(tǒng)的預(yù)給料一旦出現(xiàn)沖料現(xiàn)象，粉體定量給料機是不具備防沖料的功能，物料將會快速通過皮帶秤，進入下一級設(shè)備;二是皮帶秤不是全密封的計量設(shè)備，粉體物料從秤體的連接處漏料，造成環(huán)境污染;三是占用空間大;四是為了減少下料點物料的沖擊對計量的影響，粉體定量給料機一般比較長，皮帶拉伸極易造成皮帶跑偏，維護工作量大。
4 輪輻轉(zhuǎn)子式入窯生料計量與定量給料系統(tǒng)
4.1 系統(tǒng)組成
輪輻轉(zhuǎn)子式入窯生料計量與定量給料系統(tǒng)主要由穩(wěn)流倉1、手動螺旋閘閥2、氣動開關(guān)截止閥3、流量調(diào)節(jié)閥4、輪輻轉(zhuǎn)子計量裝置8及電氣控制單元等組成。
存儲在穩(wěn)流倉1中的生料粉在倉底充氣助卸并結(jié)合倉側(cè)充氣破拱的幫助下卸出，通過手動螺旋閘閥2、氣動開關(guān)截止閥3、流量調(diào)節(jié)閥4和布風(fēng)斜槽5組成的預(yù)給料系統(tǒng)進入輪輻轉(zhuǎn)子計量裝置8，生料粉在輪輻轉(zhuǎn)子的帶動下，由進料點經(jīng)過稱重區(qū)帶到出料點9，進入下級輸送裝置(圖3所示)。采用預(yù)給料的粗調(diào)環(huán)節(jié)，串級一個定量計量的精調(diào)環(huán)節(jié)，將計量與控制在輸出時合二為一的雙閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，提高了系統(tǒng)的計量精度和穩(wěn)定性。
1、穩(wěn)流倉 2、手動螺旋閘閥 3、氣動開關(guān)截止閥 4、流量調(diào)節(jié)閥 5、布風(fēng)斜槽
6、轉(zhuǎn)接溜子 7、進口軟連接 8、輪輻轉(zhuǎn)子計量裝置 9、下料接口
圖3 輪輻轉(zhuǎn)子式入窯生料計量與定量給料系統(tǒng)
4.2 穩(wěn)流倉
均化庫通過充氣達(dá)到均化生料的效果，所以帶氣生料粉的流動性較強，而且均化庫的庫容大、庫壓高，所以出庫的生料粉流量不易準(zhǔn)確控制。為此，生料粉在實現(xiàn)定量給料前，首先要進行穩(wěn)流處理，在均化庫卸料到定量給料裝置之前，一般設(shè)有穩(wěn)流倉。目前最常見的工藝方案是采用稱重中間倉，通過適當(dāng)控制均化庫的卸料，使稱重倉內(nèi)的生料保持在一定的料位范圍，這是一個相對獨立的系統(tǒng)。無論采用何種形式的生料計量和定量給料設(shè)備，保持穩(wěn)流倉內(nèi)一定的生料量，對于穩(wěn)定生料計量和減少給料系統(tǒng)波動都具有舉足輕重的作用。同時稱重倉還能用于下級入窯生料定量喂料系統(tǒng)的標(biāo)定，經(jīng)過穩(wěn)流處理的生料粉進入生料定量喂料系統(tǒng)的給料裝置。
4.3 預(yù)給料設(shè)備
預(yù)給料設(shè)備主要包括手動螺旋閘閥、氣動開關(guān)截止閥、流量調(diào)節(jié)閥。手動螺旋閘閥保證設(shè)備檢修時，長時間可靠的物料通斷;氣動開關(guān)截止閥在生產(chǎn)過程中保證物料的快速通斷，便于中央控制室操控;流量調(diào)節(jié)閥用于物料流量的快速實時調(diào)節(jié)。
由于采用的預(yù)給料僅作為定性的粗調(diào)環(huán)節(jié)，對預(yù)給料的要求就比較寬松。同時，工藝生產(chǎn)過程決定了入窯生料的給料要求調(diào)節(jié)量程大和響應(yīng)速度快，因此我們采用流量調(diào)節(jié)閥作為預(yù)給料調(diào)節(jié)設(shè)備，有效解決了預(yù)給料線性調(diào)節(jié)問題，完全滿足系統(tǒng)的預(yù)給料要求。
4.4 輪輻轉(zhuǎn)子計量裝置
輪輻轉(zhuǎn)子計量裝置的主要部件由殼體9、輪輻轉(zhuǎn)子4、驅(qū)動裝置2、懸掛裝置3、稱重裝置6、框架1等組成。其基本原理是利用密封的輪輻轉(zhuǎn)子抑制生料粉的自流動，生料粉的運動完全由這個密封的輪輻轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速來決定，通過調(diào)整輪輻轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速來決定喂料量的大小。轉(zhuǎn)子殼體9懸掛在一個稱重軸O-O上，該軸位于進料口7和出料口5的中間線上。第3點是通過荷重傳感器計量刀口8，計量刀口上有稱重裝置6，可以稱量輪輻轉(zhuǎn)子4內(nèi)生料粉的重量。生料粉經(jīng)預(yù)給料單元落入輪輻轉(zhuǎn)子的扇區(qū)中，變頻調(diào)速電機通過減速箱和主軸驅(qū)動輪輻轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。隨著輪輻轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動，粉體填充到輪輻轉(zhuǎn)子的各扇區(qū)中，當(dāng)充有粉體的扇區(qū)轉(zhuǎn)到出料口處時，落入下級工藝設(shè)備。
1 框架 2 驅(qū)動裝置 3 懸掛裝置 4 輪輻轉(zhuǎn)子 5 出料口
6 稱重裝置 7進料口 8 計量刀口 9殼體
圖4 輪輻轉(zhuǎn)子計量裝置結(jié)構(gòu)
輪輻轉(zhuǎn)子計量裝置的主要特點敘述如下：
直接測量轉(zhuǎn)子內(nèi)的物料質(zhì)量，計量精度不受氣流、物料特性的影響。
大半扇區(qū)單點直接稱重技術(shù)，秤懸掛軸線偏離秤體中心，產(chǎn)生重力偏心力矩，秤體本身自重的偏心力矩為重力初始載荷，在轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動下，物料對軸線產(chǎn)生偏心載荷，這種重力載荷傳輸?shù)椒Q重傳感器上，形成荷重信號。荷重信號經(jīng)過處理與轉(zhuǎn)速PID運算、折算成處理量信號與給定值進行比較運算，得出預(yù)給料的閥門實時開度值，從而實現(xiàn)跟蹤閉環(huán)調(diào)節(jié)。
可調(diào)節(jié)式重載支撐裝置，克服了現(xiàn)有同類轉(zhuǎn)子秤的支撐裝置(彈簧片或刀口支撐))在大載荷條件下靈敏度下降和稱重軸線不可調(diào)整等不足，可調(diào)節(jié)式重載支撐裝置不僅保證大載荷支撐條件下旋轉(zhuǎn)靈敏度，而且可調(diào)整支點位置，保證稱重軸線，從而保證在大給料量程時計量精度，最大量程可達(dá)到800m3/h。
獨特的輪輻轉(zhuǎn)子密封鎖風(fēng)形式和支撐方式。高精度加工的輪輻轉(zhuǎn)子和密封板行形成閉空間，抑制生料粉的自流動，采用可調(diào)節(jié)式間隙鎖風(fēng)技術(shù)，而非普通轉(zhuǎn)子秤的毛氈密封，阻尼小，磨損小，不需要更換毛氈，可在線調(diào)整;轉(zhuǎn)子支撐采用主軸鎖緊，支撐在減速機上的懸空支撐方式，而非普通轉(zhuǎn)子秤的轉(zhuǎn)子直接支撐在殼體上的方式，摩擦小，使用壽命長。
可整體拆卸式具有預(yù)判功能的密封技術(shù)。軸承的密封采用密封支架形式的結(jié)構(gòu)，容易更換密封件，共采取五道密封措施和觀測孔結(jié)合的形式，在軸承最后一道密封前設(shè)置觀測孔，當(dāng)前面四道密封件損壞，粉體從觀測孔流出秤體外面，提醒維修工更換密封件，從而保證了軸承的終身使用壽命。
自動校正式軸頭連接。驅(qū)動軸和分格轉(zhuǎn)子采用獨特的軸頭連接，相比鍵連接的強度要高，壽命要長。該結(jié)構(gòu)能隨著轉(zhuǎn)子和密封板的磨損而自動調(diào)整，因而從結(jié)構(gòu)上保證了設(shè)備的長壽命。
該裝置完全密閉，解決了同類產(chǎn)品現(xiàn)場易漏料現(xiàn)象;獨特內(nèi)部結(jié)構(gòu)，配合流量閥控制解決了易跑沖料現(xiàn)象。在遇到窯況不好時，系統(tǒng)響應(yīng)快速能及時加減料。
帶預(yù)期控制功能的自動控制系統(tǒng)。系統(tǒng)將任何時刻通過分格轉(zhuǎn)子稱重區(qū)的粉體重量都由稱重裝置計量下來，通過預(yù)期控制原理，該系統(tǒng)可對任何波動給予校正以提高精確度。通過對瞬時粉體的不間斷稱量，采用積分分離的PID算法，連續(xù)監(jiān)視和控制轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，從而保證了系統(tǒng)的控制精度。
系統(tǒng)可靠性高、抗干擾能力強，保證了運行的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，計量控制范圍寬，有效地穩(wěn)定了生料入窯喂料量，調(diào)校容易。稱重采用一次杠桿，零點非常穩(wěn)定，標(biāo)定調(diào)校后基本不需經(jīng)常標(biāo)定，運行一直非常穩(wěn)定準(zhǔn)確。
輪輻轉(zhuǎn)子計量裝置通過了安徽省計量科學(xué)研究院和安徽省產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗研究院的檢測，符合相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)規(guī)范的要求。以本裝置為主要成果的科研項目項目已通過省級科技成果鑒定，鑒定結(jié)論為總體技術(shù)達(dá)到同類系統(tǒng)的國際先進水平。
5 輪輻轉(zhuǎn)子式入窯生料計量與定量給料系統(tǒng)應(yīng)用分析
輪輻轉(zhuǎn)子式入窯生料計量與定量給料系統(tǒng)研制成功后投入多條日產(chǎn)5000噸左右熟料水泥生產(chǎn)線運行，如新泰中聯(lián)泰豐水泥有限公司、沂南中聯(lián)水泥有限公司、山東魯碧建材有限公司等。其中沂南中聯(lián)水泥有限公司是世界500強企業(yè)中國建材集團旗下的中國聯(lián)合水泥集團有限公司的控股子公司，總投資7.28億已建成帶9MW純低溫余熱發(fā)電的4500t/d熟料生產(chǎn)線，并于2013年5月正式投產(chǎn)，是一條世界低能耗示范線。其入窯生料采用輪輻轉(zhuǎn)子入窯生料計量與定量給料系統(tǒng)工藝，自運行投產(chǎn)以來，無任何故障，計量準(zhǔn)確、定量給料穩(wěn)定。下文以該應(yīng)用工藝為例，就應(yīng)用情況以及運行考核指標(biāo)進行分析。
a) 系統(tǒng)工藝
該水泥有限公司4500t/d入窯生料計量采用我公司輪輻轉(zhuǎn)子式入窯生料計量與定量給料系，投入使用后，運行穩(wěn)定、計量準(zhǔn)確，生料投料量穩(wěn)定在380t/h左右，熟料產(chǎn)量突破5500t/d。該公司生料定量給料系統(tǒng)工藝流程如圖5所示。
該生料計量與定量給料系統(tǒng)由主路和旁路組成。穩(wěn)流倉、手動閘板閥、氣動開關(guān)截止閥、電動流量調(diào)節(jié)閥、布風(fēng)斜槽、PWF1930輪輻轉(zhuǎn)子計量裝置和控制系統(tǒng)組成主路，用于入窯生料的計量與定量給料，由固體流量計等設(shè)備組成旁路系統(tǒng)作為備用。
1、穩(wěn)流倉 2、手動螺旋閘閥 3、氣動開關(guān)截止閥 4、電動流量調(diào)節(jié)閥
5、布風(fēng)斜槽 6、轉(zhuǎn)接溜子 7、輪輻轉(zhuǎn)子計量裝置 8、下料溜子 9、固體流量計
圖5 PWF1930輪輻轉(zhuǎn)子式入窯生料計量與定量給料系統(tǒng)工藝圖
b) 應(yīng)用考核
在運行曲線圖中，輪輻轉(zhuǎn)子秤的給定和反饋曲線基本重合，黃色曲線為提升機電流1反饋，青色曲線為提升機電流2反饋，由圖中曲線可知整個喂料流量跟蹤穩(wěn)定、快速，提升機電流比較穩(wěn)定。此外，該控制系統(tǒng)具有遠(yuǎn)程診斷功能，我們可監(jiān)控喂料系統(tǒng)使用情況，即時提供技術(shù)支持，系統(tǒng)運行實物和曲線圖如圖6所示。
圖6 PWF1930輪輻轉(zhuǎn)子式入窯生料計量與定量給料系統(tǒng)現(xiàn)場實物和運行曲線圖
6 結(jié)束語
輪輻轉(zhuǎn)子式入窯生料計量與定量給料系研制成功，并成功應(yīng)用于日產(chǎn)5000噸熟料生產(chǎn)線的入窯生料定量給料，改變了大型水泥生產(chǎn)線入窯生料計量依賴沖量計的歷史，產(chǎn)品系列化后可應(yīng)用于各種規(guī)格水泥生產(chǎn)線的入窯生料的計量與定量給料。
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