KXT科氏力秤煤粉计量与控制系统的研究 

摘要:“KXT科氏力秤煤粉计量与控制系统”是合肥水泥研究设计院自主研发的高技术产品，是科研人员历时八年艰苦努力，靠自己的聪明才智，通过技术创新取得的研究成果。没有走引进消化的途径，是真正意义上的自主创新。该项成果分别荣获2006年度国家建材科技进步一等奖。

众所周知，在水泥生产过程中，煤粉计量与控制对稳定窑的热工制度，提高熟料的产、质量，降低能耗，提高自动化水平和管理水平起到极其重要的作用。窑系统喂煤量波动失控，会导致煤粉不完全燃烧，不仅造成能源浪费，同时使一氧化碳超标，给窑尾收尘系统安全运行带来隐患。因此，必须选用计量准确，喂煤量稳定、可调，响应速度快，对煤粉特性（煤种、细度、水分等）适应能力强的计量与控制系统，以期达到高产稳产、节约能源，降低成本的目标。本研究旨在开发具有国际先进水平，性能价格比高，有自主知识产权，为新型干法水泥生产线配套的入窑煤粉计量与控制系统。
 
KXT科氏力秤煤粉计量与控制系统（以下简称“KXT系统”）由稳流给料机、科氏力粉体计量秤、新型输送泵、及控制装置组成。稳流给料机安装在煤粉仓下方，其作用是给计量装置---科氏力粉体计量秤（以下简称“科氏力秤”）提供流量稳定的煤粉，故称之为“稳流给料机”。煤粉经稳流给料机进入科氏力秤，控制装置根据科氏力秤瞬时流量测定值与设定值比较结果反馈调节稳流给料机转速，使瞬时值始终跟踪设定值，从而实现对喂煤量的计量与控制。计量后的煤粉通过新型输送泵进入煤粉输送管道。
 
二、主要研究内容
 
（一）科氏力秤的研制
水泥厂煤粉计量与控制系统必须具备计量准确，喂煤量稳定、可调，响应速度快等功能，而这些功能的实现首先要建立在计量准确基础之上。科氏力秤是组成KXT系统的关键设备，是通过自主创新研发的粉体物料计量装置，是本研究项目的技术核心。
 
1、科氏力秤计量原理及基本结构
 
1.1 计量原理
科氏力秤应用科里奥利力学原理计量粉体物料的质量流量。
在力学研究中，物体的运动需在某个确定的参照系中加以描述。本研究涉及的力学原理是以物体在均匀转动参照系中作相对运动为条件的。质点在均匀转动参照系中作相对径向运动时，受到的真实力由三部分组成，即惯性离心力、向心摩擦力和科里奥利力。科里奥利力是沿切向的。科里奥利力的矢量表达式为：Fc=-2mω×v’，式中ω为转动角速度，v’为相对速度，m为质量。
 
由于质点是在均匀转动参照系中作径向运动，角速度ω不变，质点在任意一位置上的相对速度v’为确定值（且不受质量影响）。因此表达式中科里奥利力Fc的量值变化只与质量相关。因此，通过精确测量Fc的量值即可获得物料的准确流量。
 
1.2基本结构
根据物体在均匀转动参照系中运动时受到科里奥利力作用的描述，科氏力秤内设有测量盘，测量盘上径向设置数块测量叶片，如图6所示，测量盘在电机主轴的驱动下作高速回转。需计量的物料落到测量盘中心，经过分料锥改变流向后，被叶片捕获，在离心力的作用下沿径向向外缘运动。在运动过程中，物料受到了径向的摩擦力Fr和反向的离心力Fx，以及沿切向的科氏力Fc的作用，Fc引起一个反作用运动力矩M，而Fr、Fx对驱动轴不会产生反作用力矩。通过测量科里奥利力Fc对测量盘的作用力矩即可获得物料的质量流量。其计算公式为：
 
M = QωR2
 
式中：M---- 测量盘受到的力矩；
 
Q----- 物料流量；
 
ω---- 角速度；
 
R----- 测量盘半径。

 
         
                              图 7
 
2、科氏力秤核心技术研究与创新
 
2.1、重要技术参数的研究
应用科里奥利力学原理计量粉体物料，首先是以物料在均匀转动参照系中径向运动为条件。因此，科氏力秤在理论上要符合下面两个基本条件：（1）测量盘转速必须是恒定的；（2）物料必须由测量盘中心向外径向运动。在理论上满足这些条件并不困难，关键是如何体现在最佳结构设计上。根据计算公式M = QωR2可知 ：必须确定测量盘有效转速范围，并从有效转速范围中优选出理想转速；必须确定测量盘理想半径，及测量叶片设置数量和尺寸等诸多相关技术参数。本研究在理论指导下，根据计算公式，通过大量实验研究，获得了经验公式，用以指导秤的结构设计。
 
2.2、 测量盘理想转速的研究
测量盘转速关系到物料的流速、流量，科氏力量值。测量盘转速研究是本项目的重要内容之一，是科氏力秤结构设计必不可少的技术参数。根据科氏力矢量表达式Fc=-2mω×v’，测量盘转速（或称作角速度ω）关系到质点相对速度v’，决定了质点受到的科氏力Fc量值。
 
本项目在模拟试验和理论分析基础上，首先确定了测量盘有效转速范围。但有效转速研究只解决了角速度ω的取值范围，不能为设计提供具体参数和依据。为了获得理想转速参数，在半工业性试验中，通过实验样机分别对煤粉、粉煤灰、生料粉进行实物计量，在采样分析基础上获得了测量盘理想转速。
 
2.3、 测量盘理想半径研究
质点在测量盘上运动的相对位置不同，受到的科氏力量值也不同，因此，测量盘半径与科氏力Fc的量值相关，测量盘理想半径研究关系到科氏力秤结构的合理尺寸、计量能力，传感器量程、功率配置、结构优化、及系列化设计。理论公式不可能提供测量盘理想半径，只有通过试验研究方能建立起与科氏力秤优化设计相符的经验公式。
 
如前所述，测量盘上设有径向测量叶片，落到测量盘中心的物料在分料锥作用下运动到叶片处，被叶片捕捉后，沿叶片向外径向运动，并受到科氏力作用。鉴于物料被叶片捕捉后才受到科氏力作用，故从受力角度，测量盘应分为有效测量区和无效测量区,设有测量叶片部分为有效测量区。物料在无效测量区没有受到科氏力作用，也可称之为测量盲区。因此，测量盘半径应分为有效半径和无效半径两部分，有效半径与叶片长度相等。这使测量盘理想半径研究变得较为复杂，因为理想半径由合理的有效半径和无效半径两部分构成。在反复实验基础上获得了修正系数，推导并建立了经验计算公式，用以指导不同规格科氏力秤测量盘优化设计。
 
（二）稳流给料装置的研制
喂煤量稳定可调是新型干法生产线喂煤系统的基本要求，本项目将稳定给料技术与装置的研制放到重要位置，摒弃了以往重视计量技术，忽视给料装置的理念。首先有针对性分析了物料特性和工艺条件对给料机性能影响和要求。给料装置设在煤粉仓底部，煤粉仓内料位变化、煤粉仓进料时料流冲击力均会影响给料稳定性。煤粉细度细，水分低，容重小，流动性好，尤其是无烟煤烧成工艺，煤粉细度通常在1%以下，使稳定给料变得更为困难。煤粉水分对稳定给料有一定影响。水分偏大会带来煤粉起拱、沾料、下料不畅等问题。尤其在雨季，或回转窑点火升温期间，很多水泥厂煤粉水分不符合工艺条件要求。因此，给料机结构设计要考虑在水分偏高时的适应能力。水泥烧成系统压力变化也会间接影响给料机下料稳定性。系统工况不正常时，输煤管道压力有时会发生波动，严重时会导致给料机下料不畅或无法运行。
 
1、稳流给料机结构研究及工作原理
通过物料特性和工艺条件研究分析，本项目采取与传统给料装置完全不同的设计方案，研制开发了全新结构的给料装置---- WD型水平回转式稳流给料机（以下简称“稳流给料机”）。稳流给料机结构见示意图。
如图所示，稳流给料机由减压仓（1）、均压仓（2）、稳流腔（3）组成。减压仓内设有减压装置，使进入均压仓内的物料不受仓压影响。均压仓内设有搅器（4），使物料充分活化，避免物料起拱、沾壁、消除物料死区。由于均压仓内料压均匀，为物料在相同容重条件下进入转子腔创造了条件。稳流腔内设有水平回转分格轮，每转一周输送相同容积的物料。稳流给料机由轴装式减速机和电机驱动，采用变频器调节电机转速，变频器受控于PLC。PLC根据瞬时流量检测值与流量设定值比较结果，实时调控给料机转速，使瞬时流量始终跟踪设定流量，实现定量给料目的。
减压仓、均压仓、稳流腔的进料口和出料口均呈180°错位布置，物料在稳流给料机内经迷宫式流动方能离开给料机。此外，转子腔水平回转分格轮叶片上采用了弹性密封材料，实现零间隙。因此，有效解决了高流动性物料在料压变化和自重力作用下产生跑料、冲料问题。
 
2、稳流给料机技术性能
---- 给料均匀稳定，不受仓压，物料特