鹿建森 王建民
(合肥水泥研究設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的優劣，針對日產5000噸及以上大中型水泥生產線入窯生料計量與定量給料的特點，開發一種新型入窯生料計量與定量給料系統——輪輻轉子入窯生料計量與定量給料系統，并對其組成、結構、特點進行詳細的分析。最后詳細介紹了該系統在世界低能耗示范線——沂南中聯水泥有限公司4500t/d水泥生產線入窯生料計量與定量中的應用情況。
關鍵詞：入窯生料，計量與定量給料，輪輻轉子，雙環控制，間隙可調鎖風，可調節式重載支撐裝置
1 引言
2014年全國規模以上水泥產量24.7億多噸，全國擁有新型干法水泥生產線1700多條，并且隨著新型干法水泥生產工藝的現代化和生產線大型化，日產4000噸水泥以上的生產線所占比重越來越大，其中日產5000噸左右的水泥生產線約占60%左右。
水泥熟料煅燒的關鍵是穩定水泥窯煅燒過程中生料、煤、風這三個主要參量匹配的熱工制度，穩定準確的入窯生料定量給料是保證熟料產量質量、產量以及熱工設備壽命的關鍵因素之一。近年來，與水泥生產工藝發展相匹配的裝備也逐步大型化、專業化和智能化，但是與入窯生料的計量與定量給料相關的裝備是一塊短板，還沿用傳統的方式，沒有適應水泥產業發展的趨勢。本文作者擬通過分析目前幾種常用的預分解窯入窯生料計量控制系統的優劣，針對日產5000噸及以上大型水泥生產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——輪輻轉子式入窯生料計量與定量給料系統，并對其組成、結構、特點進行詳細的分析。最后詳細介紹了該系統在世界低能耗示范線——沂南中聯水泥有限公司4500t/d水泥生產線入窯生料計量與定量中的應用情況。
2 生料的特性及對入窯生料計量與定量給料的要求
預分解窯的入窯生料在自然狀態下，具有一定的流態性和較小的休止角，比重大約在1.0t/m3左右。它流態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性變差，表現在趨于粘聚并有較大的附著性，水分越大其附著性越強，流態性越差;而干燥或伴有氣流的生料的流動性極強，表現為物料趨于自溢，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，有些傳統的計量控制設備通常會產生波動，嚴重時會出現振蕩以至于無法工作，這就對定量喂料系統提出了更高的要求。因此，如何保生料在計量控制過程中的準確性、穩定性、快速地響應能力和長短期精度，是目前每個水泥生產企業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的基本要求。
3 水泥生產過程中入窯生料計量與定量給料系統的概況
考慮到入窯生料的特性，目前大多數水泥廠的窯尾喂料的工藝流程中，都設計有一個過程穩流儲料倉，并且該穩流儲料倉通常帶有倉重傳感器。水泥工業中窯尾生料的過程穩流儲料倉是窯尾生料控制的一個比較重要的環節，入窯生料的計量和定量給料往往直接串接在這個工藝環節之后。因此不論是從生料的計量控制方面還是從工藝流程方面，都希望過程穩流儲料倉內的生料能夠穩定地受控卸料。但是經過研磨均化后的生料粉體，在常態下雖具有一定的流態性，但其流態性指標并不足以保證其能夠以自身重力方式通過穩流儲料倉自然卸料。因此除了在傳統工藝中采用螺旋喂料機方式的強制性卸料方式外，目前在實際中應用中大多數采用倉底充氣助卸并結合倉側充氣破拱的自然卸料的方式來保證生料倉內物料的卸料。
3.1 流量調節閥+流量計系統
采用流量調節閥和流量計組成的入窯生料計量與定量給料系統在我國的水泥工業中占有很大比例。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定值比較，其偏差通過PID或其變種算法來調節流量閥門的開度，力求使入窯生料的實際流量與設定值保持一致。工藝系統組成如圖1所示。
1、穩流倉 2、手動螺旋閘閥 3、氣動開關截止閥
4、流量調節閥 5、布風斜槽 6、流量計
圖1 流量調節閥和流量計組成的入窯生料計量與定量給料系統
我們注意到這種系統存在兩個特點：流量測量環節(流量計)和流量調節環節(流量調節閥)在物理空間的分離(通過布風斜槽和導向斜槽來聯結)，使的該系統在偏差調節上會出現一定的滯后現象;流量調節閥開度與流量大小的線性關系影響系統的穩態性能。所以該系統存在兩個缺陷：其一是生料給定的穩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;其二是當發現通過流量計的生料流量偏離給定量時，生料實際已經離開入窯生料定量喂料系統，這時調節給料裝置完全是事后補償，是一個純滯后的控制系統。
3.2 流量調節閥+密封皮帶式定量給料機系統
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節，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節，將流量調節閥的精確調節下降為穩流預給料的粗調環節，形成了一個由流量調節閥――穩流粗調環;密封皮帶式定量給料機――流量精調環，組成的一個粗、精雙回路調節系統來實現入窯生料的計量與定量給料。系統組成如圖2所示。
1、穩流倉 2、手動螺旋閘閥 3、氣動開關截止閥
4、流量調節閥 5、布風斜槽 6、密閉皮帶式定量給料機
圖2 流量調節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
由流量調節閥門與密封皮帶式定量給料機負荷組成一個定性調節的負荷粗調環節，它的調節作用是在一定范圍內保證定量給料機負荷的相對穩定，避開了由于其非線性因素對整個計量控制系統的影響。充分利用定量給料機的小慣性和流量線性調節功能，避開了調節裝置的非線性和調節滯后對整個入窯生料系統的影響，起到細調的作用。
該系統具有結構簡單，精度較好，投資較低，維護成本低，調校容易等特點。但是主要缺點有：一是生料粉比重輕，流動性好，易沖料，該系統的預給料一旦出現沖料現象，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，進入下一級設備;二是皮帶秤不是全密封的計量設備，粉體物料從秤體的連接處漏料，造成環境污染;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 輪輻轉子式入窯生料計量與定量給料系統
4.1 系統組成
輪輻轉子式入窯生料計量與定量給料系統主要由穩流倉1、手動螺旋閘閥2、氣動開關截止閥3、流量調節閥4、輪輻轉子計量裝置8及電氣控制單元等組成。
存儲在穩流倉1中的生料粉在倉底充氣助卸并結合倉側充氣破拱的幫助下卸出，通過手動螺旋閘閥2、氣動開關截止閥3、流量調節閥4和布風斜槽5組成的預給料系統進入輪輻轉子計量裝置8，生料粉在輪輻轉子的帶動下，由進料點經過稱重區帶到出料點9，進入下級輸送裝置(圖3所示)。采用預給料的粗調環節，串級一個定量計量的精調環節，將計量與控制在輸出時合二為一的雙閉環調節系統，提高了系統的計量精度和穩定性。
1、穩流倉 2、手動螺旋閘閥 3、氣動開關截止閥 4、流量調節閥 5、布風斜槽
6、轉接溜子 7、進口軟連接 8、輪輻轉子計量裝置 9、下料接口
圖3 輪輻轉子式入窯生料計量與定量給料系統
4.2 穩流倉
均化庫通過充氣達到均化生料的效果，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確控制。為此，生料粉在實現定量給料前，首先要進行穩流處理，在均化庫卸料到定量給料裝置之前，一般設有穩流倉。目前最常見的工藝方案是采用稱重中間倉，通過適當控制均化庫的卸料，使稱重倉內的生料保持在一定的料位范圍，這是一個相對獨立的系統。無論采用何種形式的生料計量和定量給料設備，保持穩流倉內一定的生料量，對于穩定生料計量和減少給料系統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的標定，經過穩流處理的生料粉進入生料定量喂料系統的給料裝置。
4.3 預給料設備
預給料設備主要包括手動螺旋閘閥、氣動開關截止閥、流量調節閥。手動螺旋閘閥保證設備檢修時，長時間可靠的物料通斷;氣動開關截止閥在生產過程中保證物料的快速通斷，便于中央控制室操控;流量調節閥用于物料流量的快速實時調節。
由于采用的預給料僅作為定性的粗調環節，對預給料的要求就比較寬松。同時，工藝生產過程決定了入窯生料的給料要求調節量程大和響應速度快，因此我們采用流量調節閥作為預給料調節設備，有效解決了預給料線性調節問題，完全滿足系統的預給料要求。
4.4 輪輻轉子計量裝置
輪輻轉子計量裝置的主要部件由殼體9、輪輻轉子4、驅動裝置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子的轉速來決定，通過調整輪輻轉子的轉速來決定喂料量的大小。轉子殼體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，可以稱量輪輻轉子4內生料粉的重量。生料粉經預給料單元落入輪輻轉子的扇區中，變頻調速電機通過減速箱和主軸驅動輪輻轉子轉動。隨著輪輻轉子的轉動，粉體填充到輪輻轉子的各扇區中，當充有粉體的扇區轉到出料口處時，落入下級工藝設備。
1 框架 2 驅動裝置 3 懸掛裝置 4 輪輻轉子 5 出料口
6 稱重裝置 7進料口 8 計量刀口 9殼體
圖4 輪輻轉子計量裝置結構
輪輻轉子計量裝置的主要特點敘述如下：
直接測量轉子內的物料質量，計量精度不受氣流、物料特性的影響。
大半扇區單點直接稱重技術，秤懸掛軸線偏離秤體中心，產生重力偏心力矩，秤體本身自重的偏心力矩為重力初始載荷，在轉子的轉動下，物料對軸線產生偏心載荷，這種重力載荷傳輸到稱重傳感器上，形成荷重信號。荷重信號經過處理與轉速PID運算、折算成處理量信號與給定值進行比較運算，得出預給料的閥門實時開度值，從而實現跟蹤閉環調節。
可調節式重載支撐裝置，克服了現有同類轉子秤的支撐裝置(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整等不足，可調節式重載支撐裝置不僅保證大載荷支撐條件下旋轉靈敏度，而且可調整支點位置，保證稱重軸線，從而保證在大給料量程時計量精度，最大量程可達到800m3/h。
獨特的輪輻轉子密封鎖風形式和支撐方式。高精度加工的輪輻轉子和密封板行形成閉空間，抑制生料粉的自流動，采用可調節式間隙鎖風技術，而非普通轉子秤的毛氈密封，阻尼小，磨損小，不需要更換毛氈，可在線調整;轉子支撐采用主軸鎖緊，支撐在減速機上的懸空支撐方式，而非普通轉子秤的轉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判功能的密封技術。軸承的密封采用密封支架形式的結構，容易更換密封件，共采取五道密封措施和觀測孔結合的形式，在軸承最后一道密封前設置觀測孔，當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。驅動軸和分格轉子采用獨特的軸頭連接，相比鍵連接的強度要高，壽命要長。該結構能隨著轉子和密封板的磨損而自動調整，因而從結構上保證了設備的長壽命。
該裝置完全密閉，解決了同類產品現場易漏料現象;獨特內部結構，配合流量閥控制解決了易跑沖料現象。在遇到窯況不好時，系統響應快速能及時加減料。
帶預期控制功能的自動控制系統。系統將任何時刻通過分格轉子稱重區的粉體重量都由稱重裝置計量下來，通過預期控制原理，該系統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，連續監視和控制轉子的轉速，從而保證了系統的控制精度。
系統可靠性高、抗干擾能力強，保證了運行的穩定性和準確性，計量控制范圍寬，有效地穩定了生料入窯喂料量，調校容易。稱重采用一次杠桿，零點非常穩定，標定調校后基本不需經常標定，運行一直非常穩定準確。
輪輻轉子計量裝置通過了安徽省計量科學研究院和安徽省產品質量監督檢驗研究院的檢測，符合相關的標準和技術規范的要求。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，鑒定結論為總體技術達到同類系統的國際先進水平。
5 輪輻轉子式入窯生料計量與定量給料系統應用分析
輪輻轉子式入窯生料計量與定量給料系統研制成功后投入多條日產5000噸左右熟料水泥生產線運行，如新泰中聯泰豐水泥有限公司、沂南中聯水泥有限公司、山東魯碧建材有限公司等。其中沂南中聯水泥有限公司是世界500強企業中國建材集團旗下的中國聯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純低溫余熱發電的4500t/d熟料生產線，并于2013年5月正式投產，是一條世界低能耗示范線。其入窯生料采用輪輻轉子入窯生料計量與定量給料系統工藝，自運行投產以來，無任何故障，計量準確、定量給料穩定。下文以該應用工藝為例，就應用情況以及運行考核指標進行分析。
a) 系統工藝
該水泥有限公司4500t/d入窯生料計量采用我公司輪輻轉子式入窯生料計量與定量給料系，投入使用后，運行穩定、計量準確，生料投料量穩定在380t/h左右，熟料產量突破5500t/d。該公司生料定量給料系統工藝流程如圖5所示。
該生料計量與定量給料系統由主路和旁路組成。穩流倉、手動閘板閥、氣動開關截止閥、電動流量調節閥、布風斜槽、PWF1930輪輻轉子計量裝置和控制系統組成主路，用于入窯生料的計量與定量給料，由固體流量計等設備組成旁路系統作為備用。
1、穩流倉 2、手動螺旋閘閥 3、氣動開關截止閥 4、電動流量調節閥
5、布風斜槽 6、轉接溜子 7、輪輻轉子計量裝置 8、下料溜子 9、固體流量計
圖5 PWF1930輪輻轉子式入窯生料計量與定量給料系統工藝圖
b) 應用考核
在運行曲線圖中，輪輻轉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定、快速，提升機電流比較穩定。此外，該控制系統具有遠程診斷功能，我們可監控喂料系統使用情況，即時提供技術支持，系統運行實物和曲線圖如圖6所示。
圖6 PWF1930輪輻轉子式入窯生料計量與定量給料系統現場實物和運行曲線圖
6 結束語
輪輻轉子式入窯生料計量與定量給料系研制成功，并成功應用于日產5000噸熟料生產線的入窯生料定量給料，改變了大型水泥生產線入窯生料計量依賴沖量計的歷史，產品系列化后可應用于各種規格水泥生產線的入窯生料的計量與定量給料。
參考文獻
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