科氏力秤煤粉計量和控制系統(tǒng)的研究
１ 前言
“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)的高新技術(shù)產(chǎn)品，是科研人員歷時八年艱苦努力，依靠自己的聰明才智，通過技術(shù)創(chuàng)新取得的研究成果。沒有走引進消化的途徑，是真正意義上的自主創(chuàng)新。該項成果榮獲２００６年度國家建材科技進步一等獎。
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，同時使一氧化碳超標(biāo)，給窯尾收塵系統(tǒng)安全運行帶來隱患。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（煤品種、細度、水分等）適應(yīng)能力強的計量與控制系統(tǒng)，以期達到高產(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)。
?。耍兀钥剖狭Τ用悍塾嬃颗c控制系統(tǒng)（以下簡稱“ＫＸＴ系統(tǒng)”）由穩(wěn)流給料機、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”。煤粉經(jīng)穩(wěn)流給料機進入科氏力秤，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)流給料機轉(zhuǎn)速，使瞬時值始終跟蹤設(shè)定值，從而實現(xiàn)對喂煤量的計量與控制。計量后的煤粉通過螺旋輸送泵進入煤粉輸送管道。
２ 主要研究內(nèi)容
２．１ 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，而這些功能的實現(xiàn)首先是建立在計量準(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)的粉體物料計量裝置，是本研究項目的技術(shù)核心。
２．１．１ 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動為條件的。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。科里奧利力是沿切向的。科里奧利力的矢量表達式為：
Ｆｃ＝－２ｍω×ｖ′（１）
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)，通過精確測量Ｆｃ的量值即可獲得物料的質(zhì)量流量。
２．１．２ 基本結(jié)構(gòu)
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，科氏力秤內(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，Ｆｃ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。
其計算公式為：
Ｍ＝ＱωＲ２（２）
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
２．１．３ 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，通過大量實驗研究，獲得了經(jīng)驗公式，用以指導(dǎo)秤的結(jié)構(gòu)設(shè)計。
２．１．４ 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)科氏力矢量表達式Ｆｃ＝－２ｍω×ｖ′，測量盤轉(zhuǎn)速（或稱作角速度ω）關(guān)系到質(zhì)點相對速度ｖ′，決定了質(zhì)點受到的科氏力Ｆｃ量值。轉(zhuǎn)速慢，則相對速度低，物料流速慢，秤的計量能力受到限制；轉(zhuǎn)速過快，高于轉(zhuǎn)速上限（或稱作最高臨界轉(zhuǎn)速），科氏力Ｆｃ大于慣性離心力Ｆｘ，物料與測量盤同步運動，無法實現(xiàn)計量。
本項目在模擬試驗和理論分析基礎(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)性試驗中，通過實驗樣機分別對煤粉、粉煤灰、生料粉進行實物計量，在采樣分析基礎(chǔ)上獲得了測量盤理想轉(zhuǎn)速。
２．１．５ 測量盤理想半徑研究
質(zhì)點在測量盤上運動的相對位置不同，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，只有通過試驗研究方能建立起與科氏力秤優(yōu)化設(shè)計相符的經(jīng)驗公式。
如前所述，測量盤上設(shè)有徑向分布的測量葉片，落到測量盤中心的物料在分料錐作用下運動到葉片處，被葉片捕捉后，沿葉片向外徑向運動，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)?熏設(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，因為理想半徑由合理的有效半徑和無效半徑兩部分構(gòu)成。在反復(fù)實驗基礎(chǔ)上獲得了修正系數(shù)，推導(dǎo)并建立了經(jīng)驗計算公式，用以指導(dǎo)不同規(guī)格科氏力秤測量盤優(yōu)化設(shè)計。
２．１．６ 測量葉片數(shù)量及有效尺寸研究
測量盤上設(shè)有徑向測量葉片，根據(jù)測量盤理想半徑研究所確立的經(jīng)驗計算公式，可以計算并確定不同規(guī)格科氏力秤測量葉片長度。葉片數(shù)量和葉片高度取決于測量盤直徑。
２．２ 穩(wěn)流給料裝置的研制
２．２．１ 穩(wěn)流給料機的作用和性能要求
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，有針對性地分析了物料特性和工藝條件對給料機性能的影響和要求。給料裝置設(shè)在煤粉倉底部，煤粉倉內(nèi)料位變化、煤粉倉進料時料流沖擊力、煤粉細度等均是穩(wěn)定給料的影響因素。煤粉細度細，水分低，容重小，流動性好，尤其是無煙煤燒成工藝，煤粉細度通常在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，嚴重時會導(dǎo)致給料機下料不暢或無法運行。
２．２．２ 穩(wěn)流給料機結(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（以下簡稱“穩(wěn)流給料機”）。穩(wěn)流給料機由減壓倉、均壓倉和穩(wěn)流腔組成。減壓倉內(nèi)設(shè)有減壓裝置，使進入均壓倉內(nèi)的物料不受倉壓影響。均壓倉內(nèi)設(shè)有攪器，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)流給料機由軸裝式減速機和電機驅(qū)動，采用變頻器調(diào)節(jié)電機轉(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，實時調(diào)控給料機轉(zhuǎn)速，使瞬時流量始終跟蹤設(shè)定流量，實現(xiàn)定量給料目的。
減壓倉、均壓倉、穩(wěn)流腔的進料口和出料口均呈１８０°錯位布置，物料在穩(wěn)流給料機內(nèi)經(jīng)迷宮式流動方能離開給料機。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。
２．３ 新型螺旋泵的研制
２．３．１ 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)壓力的前提下，將科氏力秤計量后的煤粉快速、均勻地送入輸煤管道中。當(dāng)管道內(nèi)壓力變化或輸送風(fēng)壓力波動時，螺旋泵必須具備有效阻斷煤粉返竄，出料不暢性能，為計量設(shè)備提供正常工作條件。
２．３．２ 新型螺旋泵技術(shù)特點
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)用于泵的設(shè)計與制造過程，螺旋葉片使用壽命高出堆焊技術(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，從而很好地解決了料栓合理的密實度問題；設(shè)手動黃油泵，運動件潤滑加油簡便易行。新型螺旋輸送泵綜合了傳統(tǒng)螺旋泵和富樂泵的合理成分，增加了獨特的創(chuàng)新技術(shù)，性能可靠，結(jié)構(gòu)新穎，維護簡單，運行費用低，滿足計量與控制系統(tǒng)要求。
２．４ 系統(tǒng)控制
２．４．１ 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)流給料機轉(zhuǎn)速，使瞬時值始終跟蹤設(shè)定值，計量后的煤粉通過螺旋輸送泵進入煤粉輸送管道。ＫＸＴ系統(tǒng)采用ＰＬＣ控制，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完成運算、判定、補償、設(shè)定、調(diào)節(jié)、顯示等任務(wù)，同時實時顯示過程動態(tài)圖形。
２．４．２ 系統(tǒng)功能
?。耍兀钥刂葡到y(tǒng)以控制柜為核心，構(gòu)成一個完整獨立的控制單元，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、本機操作方式），零點自動校正功能，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)定功能等。
３ 項目完成的技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)
·計量準(zhǔn)確度±０．５％
·控制準(zhǔn)確度±１％
·適應(yīng)物料水份≤２％
·物料最小細度＜ １％（４９００孔篩篩余）
·耐磨件使用壽命≥３．５年
·與窯系統(tǒng)同步安全運轉(zhuǎn)率１００％
·計量過程基本不受煤粉倉倉壓變化、煤粉細度、煤粉水分、輸煤管道壓力變化等因素的影響。
４ 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，實現(xiàn)了高準(zhǔn)確度快速計量與控制，運行穩(wěn)定可靠，其主要技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)達到國外同類設(shè)備先進水平，全部部件實現(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。迄今，已有３２０多套ＫＸＴ煤粉計量系統(tǒng)在國內(nèi)外７００～５０００ｔ／ｄ新型干法水泥生產(chǎn)線上運行，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)品長期依賴進口的格局。ＫＸＴ科氏力秤煤粉計量系統(tǒng)已出口３０余臺套，開創(chuàng)了我國煤粉計量技術(shù)與裝備出口的先河。
“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)的高新技術(shù)產(chǎn)品，是科研人員歷時八年艱苦努力，依靠自己的聰明才智，通過技術(shù)創(chuàng)新取得的研究成果。沒有走引進消化的途徑，是真正意義上的自主創(chuàng)新。該項成果榮獲２００６年度國家建材科技進步一等獎。
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，同時使一氧化碳超標(biāo)，給窯尾收塵系統(tǒng)安全運行帶來隱患。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（煤品種、細度、水分等）適應(yīng)能力強的計量與控制系統(tǒng)，以期達到高產(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)。
?。耍兀钥剖狭Τ用悍塾嬃颗c控制系統(tǒng)（以下簡稱“ＫＸＴ系統(tǒng)”）由穩(wěn)流給料機、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”。煤粉經(jīng)穩(wěn)流給料機進入科氏力秤，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)流給料機轉(zhuǎn)速，使瞬時值始終跟蹤設(shè)定值，從而實現(xiàn)對喂煤量的計量與控制。計量后的煤粉通過螺旋輸送泵進入煤粉輸送管道。
２ 主要研究內(nèi)容
２．１ 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，而這些功能的實現(xiàn)首先是建立在計量準(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)的粉體物料計量裝置，是本研究項目的技術(shù)核心。
２．１．１ 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動為條件的。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。科里奧利力是沿切向的。科里奧利力的矢量表達式為：
Ｆｃ＝－２ｍω×ｖ′（１）
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)，通過精確測量Ｆｃ的量值即可獲得物料的質(zhì)量流量。
２．１．２ 基本結(jié)構(gòu)
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，科氏力秤內(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，Ｆｃ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。
其計算公式為：
Ｍ＝ＱωＲ２（２）
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
２．１．３ 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，通過大量實驗研究，獲得了經(jīng)驗公式，用以指導(dǎo)秤的結(jié)構(gòu)設(shè)計。
２．１．４ 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)科氏力矢量表達式Ｆｃ＝－２ｍω×ｖ′，測量盤轉(zhuǎn)速（或稱作角速度ω）關(guān)系到質(zhì)點相對速度ｖ′，決定了質(zhì)點受到的科氏力Ｆｃ量值。轉(zhuǎn)速慢，則相對速度低，物料流速慢，秤的計量能力受到限制；轉(zhuǎn)速過快，高于轉(zhuǎn)速上限（或稱作最高臨界轉(zhuǎn)速），科氏力Ｆｃ大于慣性離心力Ｆｘ，物料與測量盤同步運動，無法實現(xiàn)計量。
本項目在模擬試驗和理論分析基礎(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)性試驗中，通過實驗樣機分別對煤粉、粉煤灰、生料粉進行實物計量，在采樣分析基礎(chǔ)上獲得了測量盤理想轉(zhuǎn)速。
２．１．５ 測量盤理想半徑研究
質(zhì)點在測量盤上運動的相對位置不同，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，只有通過試驗研究方能建立起與科氏力秤優(yōu)化設(shè)計相符的經(jīng)驗公式。
如前所述，測量盤上設(shè)有徑向分布的測量葉片，落到測量盤中心的物料在分料錐作用下運動到葉片處，被葉片捕捉后，沿葉片向外徑向運動，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)?熏設(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，因為理想半徑由合理的有效半徑和無效半徑兩部分構(gòu)成。在反復(fù)實驗基礎(chǔ)上獲得了修正系數(shù)，推導(dǎo)并建立了經(jīng)驗計算公式，用以指導(dǎo)不同規(guī)格科氏力秤測量盤優(yōu)化設(shè)計。
２．１．６ 測量葉片數(shù)量及有效尺寸研究
測量盤上設(shè)有徑向測量葉片，根據(jù)測量盤理想半徑研究所確立的經(jīng)驗計算公式，可以計算并確定不同規(guī)格科氏力秤測量葉片長度。葉片數(shù)量和葉片高度取決于測量盤直徑。
２．２ 穩(wěn)流給料裝置的研制
２．２．１ 穩(wěn)流給料機的作用和性能要求
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，有針對性地分析了物料特性和工藝條件對給料機性能的影響和要求。給料裝置設(shè)在煤粉倉底部，煤粉倉內(nèi)料位變化、煤粉倉進料時料流沖擊力、煤粉細度等均是穩(wěn)定給料的影響因素。煤粉細度細，水分低，容重小，流動性好，尤其是無煙煤燒成工藝，煤粉細度通常在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，嚴重時會導(dǎo)致給料機下料不暢或無法運行。
２．２．２ 穩(wěn)流給料機結(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（以下簡稱“穩(wěn)流給料機”）。穩(wěn)流給料機由減壓倉、均壓倉和穩(wěn)流腔組成。減壓倉內(nèi)設(shè)有減壓裝置，使進入均壓倉內(nèi)的物料不受倉壓影響。均壓倉內(nèi)設(shè)有攪器，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)流給料機由軸裝式減速機和電機驅(qū)動，采用變頻器調(diào)節(jié)電機轉(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，實時調(diào)控給料機轉(zhuǎn)速，使瞬時流量始終跟蹤設(shè)定流量，實現(xiàn)定量給料目的。
減壓倉、均壓倉、穩(wěn)流腔的進料口和出料口均呈１８０°錯位布置，物料在穩(wěn)流給料機內(nèi)經(jīng)迷宮式流動方能離開給料機。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。
２．３ 新型螺旋泵的研制
２．３．１ 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)壓力的前提下，將科氏力秤計量后的煤粉快速、均勻地送入輸煤管道中。當(dāng)管道內(nèi)壓力變化或輸送風(fēng)壓力波動時，螺旋泵必須具備有效阻斷煤粉返竄，出料不暢性能，為計量設(shè)備提供正常工作條件。
２．３．２ 新型螺旋泵技術(shù)特點
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)用于泵的設(shè)計與制造過程，螺旋葉片使用壽命高出堆焊技術(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，從而很好地解決了料栓合理的密實度問題；設(shè)手動黃油泵，運動件潤滑加油簡便易行。新型螺旋輸送泵綜合了傳統(tǒng)螺旋泵和富樂泵的合理成分，增加了獨特的創(chuàng)新技術(shù)，性能可靠，結(jié)構(gòu)新穎，維護簡單，運行費用低，滿足計量與控制系統(tǒng)要求。
２．４ 系統(tǒng)控制
２．４．１ 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)流給料機轉(zhuǎn)速，使瞬時值始終跟蹤設(shè)定值，計量后的煤粉通過螺旋輸送泵進入煤粉輸送管道。ＫＸＴ系統(tǒng)采用ＰＬＣ控制，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完成運算、判定、補償、設(shè)定、調(diào)節(jié)、顯示等任務(wù)，同時實時顯示過程動態(tài)圖形。
２．４．２ 系統(tǒng)功能
?。耍兀钥刂葡到y(tǒng)以控制柜為核心，構(gòu)成一個完整獨立的控制單元，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、本機操作方式），零點自動校正功能，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)定功能等。
３ 項目完成的技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)
·計量準(zhǔn)確度±０．５％
·控制準(zhǔn)確度±１％
·適應(yīng)物料水份≤２％
·物料最小細度＜ １％（４９００孔篩篩余）
·耐磨件使用壽命≥３．５年
·與窯系統(tǒng)同步安全運轉(zhuǎn)率１００％
·計量過程基本不受煤粉倉倉壓變化、煤粉細度、煤粉水分、輸煤管道壓力變化等因素的影響。
４ 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，實現(xiàn)了高準(zhǔn)確度快速計量與控制，運行穩(wěn)定可靠，其主要技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)達到國外同類設(shè)備先進水平，全部部件實現(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。迄今，已有３２０多套ＫＸＴ煤粉計量系統(tǒng)在國內(nèi)外７００～５０００ｔ／ｄ新型干法水泥生產(chǎn)線上運行，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)品長期依賴進口的格局。ＫＸＴ科氏力秤煤粉計量系統(tǒng)已出口３０余臺套，開創(chuàng)了我國煤粉計量技術(shù)與裝備出口的先河。
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