水泥廠粉體物料計(jì)量技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展

　　0、引言

　　現(xiàn)代水泥工業(yè)，以其特有的原料、產(chǎn)品和生產(chǎn)方式，使其與計(jì)量控制特別是粉狀物料的計(jì)量控制有著密不可分的聯(lián)系。水泥工業(yè)中粉體物料的計(jì)量控制涵蓋了現(xiàn)代電子稱重計(jì)量、現(xiàn)代控制系統(tǒng)工程理論和現(xiàn)代工藝流程設(shè)計(jì)等全方位的理論和知識。在現(xiàn)代新型干法水泥生產(chǎn)中，回轉(zhuǎn)窯窯尾生料粉輸送計(jì)量控制、窯頭和分解爐的煤粉輸送計(jì)量控制、PS、PF等水泥中粉煤灰添加的計(jì)量控制，以及在現(xiàn)代新型建材超細(xì)粉和添加劑的計(jì)量控制等等，對這些粉體物料的計(jì)量控制，無一不對水泥工業(yè)產(chǎn)品的產(chǎn)量、質(zhì)量起著至關(guān)重要的作用。因此如何保證粉狀物料在計(jì)量控制過程中的穩(wěn)定性、快速的響應(yīng)能力和長短期精度，是水泥行業(yè)發(fā)展至今一直所必須面對和解決的問題。

　　1、粉體特性、工藝流程與計(jì)量控制

　　由于通過研磨后的粉體物料與它在塊狀或散粒狀態(tài)下的物理特性有著很大的不同，因此了解粉體物料粉態(tài)下的基本物理特性以及了解現(xiàn)代水泥工藝過程對粉體物料倉儲、輸送的形式和特點(diǎn)，是粉體物料計(jì)量控制的一個(gè)重要的基礎(chǔ)。

　　在生產(chǎn)中，粉體物料常是貯存在料倉或料庫中，粉體物料在料倉中的貯存和卸出，都會導(dǎo)致粒子與粒子之間、粒子與倉壁材料之間的摩擦行為，從而構(gòu)成力學(xué)現(xiàn)象。對于倉內(nèi)整個(gè)粉體層而言，我們希望在卸出時(shí)能夠均勻地整體向下移動。這種流動形式稱為整體流，其特點(diǎn)是符合物料“先進(jìn)先出”的原則。

　　但是，大多數(shù)粉狀物料的流動性受到水分和充氣的影響。通常由于物料囤積吸附水分使得粉體物料的流動性變差，表現(xiàn)在物料趨于粘聚并有較大的附著性，水分越大其附著性越強(qiáng)，流動性越差，使得倉內(nèi)粉體層的流動區(qū)域常常呈現(xiàn)漏斗狀，即只有料倉中央部分形成料流，而其他區(qū)域的粉體或料流順序紊亂或停滯不動，產(chǎn)生先加入的物料后流出的“先進(jìn)后出”的現(xiàn)象，這種流動形式稱為漏斗流。漏斗流會引起偏析、沖料、結(jié)塊、下料容重變化等不良現(xiàn)象，這些現(xiàn)象均會造成計(jì)量精度的極大誤差。另一方面，干燥或伴有氣流的粉狀物料的流動性極強(qiáng)，表現(xiàn)為物料趨于自溢（自流性），含氣量越大，其流動性越強(qiáng)。

　　水泥工業(yè)中粉體物料的過程倉儲作為整個(gè)工藝流程的一個(gè)過渡環(huán)節(jié)，對粉體物料的計(jì)量控制往往直接串級在這個(gè)過渡環(huán)節(jié)之后。因此不僅從計(jì)量控制上而且從工藝流程的要求上，都要求保證過程倉內(nèi)粉體物料能夠順利卸料。過程倉內(nèi)粉體物料的流動性指標(biāo)是物料能否流經(jīng)過渡倉順利卸料的一個(gè)重要參數(shù)。通常經(jīng)過干燥的煤粉或粉煤灰基本不具有附著性，一個(gè)設(shè)計(jì)合理的過程卸料倉，間或輔以少量的倉側(cè)充氣進(jìn)行“破拱”，一般倉內(nèi)料拱無法形成，物料在倉內(nèi)的流動通常表現(xiàn)為整體流，這類物料的卸料可以由物料的重力通過倉底自然卸料。然而經(jīng)過研磨后的生料粉體，在常態(tài)下帶由一定的附著性，加之生料倉儲庫容較大，表現(xiàn)為過程倉儲時(shí)間較長，也就是實(shí)壓時(shí)間常數(shù)較大，一般來說其流動性能較差，對于這類流動性較差的粉體物料的卸料，在實(shí)際經(jīng)常采用庫側(cè)充氣破拱和庫底充氣助卸結(jié)合的方式，來保證倉內(nèi)物料的順利卸料。

　　由于粉體物料卸料方式的不同，造成了實(shí)際粉體物料在出倉時(shí)的流動性的巨大差異，也就是計(jì)量控制設(shè)備在受料時(shí)物料的流動性差異。對于需要充氣助卸的粉體物料，充氣量的大小和氣流的速度對粉體物料的流動性影響都是非常之大的。在一些氣源變化頻繁的場合，有些傳統(tǒng)的粉體計(jì)量控制設(shè)備通常會產(chǎn)生波動，嚴(yán)重時(shí)會出現(xiàn)振蕩以至于無法工作。
為此，粉體計(jì)量控制的發(fā)展，也是我們從系統(tǒng)的角度對粉狀物料的特性及其倉儲、輸送、工藝過程充分理解和認(rèn)識的發(fā)展。

　　2、測量技術(shù)的發(fā)展與粉體物料的計(jì)量控制

　　計(jì)量控制的一個(gè)重要任務(wù)就是在單位時(shí)間內(nèi)對物料質(zhì)量進(jìn)行測量。然而眾所周知，質(zhì)量是一個(gè)特征量，它無法直接測量，以往對質(zhì)量的測量往往是通過物體在重力場下的重力測量而間接求得的。

　　物料的計(jì)量控制如翻斗秤、失重秤、調(diào)速定量秤等絕大部分的計(jì)量設(shè)備（衡器）的測量模型多建立于杠桿原理，然而其模型，都是建立在靜力平衡的基礎(chǔ)之上。也有采用射線測量技術(shù)，其實(shí)際上只能測量物料流的載荷密度。在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中，我們遇到的大多數(shù)的過程計(jì)量都是在物料運(yùn)動過程中實(shí)現(xiàn)的，對此通常我們只能通過其他手段來降低運(yùn)動過程對靜力平衡的影響或者用定性方法給予一定的補(bǔ)償。采用這種以靜代動的測量方法雖然可以解決大多工業(yè)過程計(jì)量問題，但從根本上說它無法解決動摩擦、本機(jī)諧振及其它振動問題對于測量的影響，因此嚴(yán)格意義上說就是沒有從根本上解決動態(tài)測量的問題。

　　近年來國外的一些學(xué)者為從根本上解決動態(tài)測量這一問題，開展了大量的研究工作。其基本思想就是解決用工程動力學(xué)來代替工程靜力學(xué)建立測量模型。因?yàn)閯邮墙^對的，靜只是動的一個(gè)特例。根據(jù)牛頓第二定律F=ma如果能夠測得力F和加速度a，即可求得物體的質(zhì)量m的大小，這是一個(gè)不受被測物體是靜態(tài)還是動態(tài)而且是一個(gè)不受重力場g大小影響的質(zhì)量測量方法，這種測量方法被稱為動態(tài)質(zhì)量測量方法。盡管動態(tài)質(zhì)量測量尚處于研究階段，但其測量理論已然確立，隨著研究的深入和發(fā)展，未來的動態(tài)測量衡器將會給稱重測量帶來一場革命。德國申克公司、美國EI公司CentriFlow Meter都有基于動態(tài)質(zhì)量測量原理而建模的相關(guān)產(chǎn)品。

　　目前也有用于氣固兩相混合物的流量計(jì)量設(shè)備的產(chǎn)品開發(fā)，所有新型計(jì)量設(shè)備的研發(fā)都給我們提供一個(gè)新的平臺，從而使粉體控制系統(tǒng)不斷向前發(fā)展。

　　3、粉體計(jì)量控制系統(tǒng)的構(gòu)成

　　粉體計(jì)量控制系統(tǒng)發(fā)展至今其系統(tǒng)組成主要由過程（稱重）倉、（預(yù)）給料單元、計(jì)量單元、輸送及電氣控制單元組成。當(dāng)然也有將給料、計(jì)量結(jié)合在一起新型測控裝置面世。

　　3.1 （預(yù)）給料單元

　　現(xiàn)階段（預(yù)）給料單元的設(shè)備有閥門、鋼性（或彈性）葉輪機(jī)、管式螺旋給料機(jī)、膠帶給料機(jī)、溢流螺旋給料機(jī)、轉(zhuǎn)子式給料機(jī)等。

　　閥門裝置簡單，在大流量的條件下，它的設(shè)備重量和動力配置較其它裝置小得多。但是閥門適于控制的線性范圍比較小，它的控制要求與液體流量計(jì)量的要求類似，因此，倉內(nèi)粉體物料必須處理為“類液體”，其“粘度”必須保持恒定，從而工藝上要求最好有一個(gè)較好的流態(tài)化倉作為儲存環(huán)節(jié)。由于閥門自身的對于儲料單元的料壓變化十分敏感，它的截面選擇應(yīng)合適，其工作段就維持在閥門截面面積與流量線性關(guān)系較好的一段。同時(shí)，由于閥門的開度往往是非線性的，因此必須使計(jì)量與控制之間的時(shí)間滯后盡可能地短，從而閥門利用它可以快速開啟的特點(diǎn)，隨著計(jì)量裝置的反饋信號快速調(diào)整閥門的開度，通過有效地控制閥門的截面積，達(dá)到穩(wěn)定流量的目的。

　　葉輪給料機(jī)作為給料設(shè)備時(shí)，軸承的游隙，殼體與葉片之間的間隙，往往造成大量的空氣泄漏導(dǎo)致計(jì)量系統(tǒng)正常狀態(tài)的破壞。如果不能采用特殊的密封材料或特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使葉片與殼體間的磨損得到補(bǔ)償，將導(dǎo)致控制品質(zhì)的惡化。則在實(shí)際使用中又會受到很大限制。

　　實(shí)際應(yīng)用中為了提高管式螺旋給料機(jī)的鎖料性，管式螺旋給料機(jī)的長徑比應(yīng)大于8:1，最好為10:1，其螺旋葉與管壁的間隙應(yīng)小于1.5mm，在工藝設(shè)計(jì)時(shí)，可視條件，將管式螺旋給料機(jī)的軸線沿料流運(yùn)動方向上仰，最大可達(dá)25。為了控制管式螺旋給料機(jī)的長度并加大進(jìn)料口的面積，相比之下，雙管螺旋給料機(jī)有著明顯的技術(shù)優(yōu)勢。為了有效抑制竄料，管式螺旋給料機(jī)的進(jìn)料螺旋應(yīng)為變徑或變距螺旋，使其進(jìn)料口處呈現(xiàn)整體截面下料，增加其可控性。

　　由于粉料與膠帶間的相對運(yùn)動對計(jì)量造成的影響及防塵對環(huán)境的影響，因此膠帶給料機(jī)通常需要采用計(jì)量倉作為儲料單元，秤體密封或給料面密封，且應(yīng)用于自然休止角大于25的粉體物料，如白生料的流量控制，但通常不能應(yīng)用于黑生料和煤粉的流量控制。有部分廠家采用了寬膠帶和裙邊膠帶，在一定程度上擴(kuò)展了膠帶給料機(jī)的應(yīng)用范圍。

　　溢流螺旋給料機(jī)是管式螺旋給料機(jī)的變型，其出料口向上開并有一定高度的溢流斗，依靠出料口處旋向相反的螺旋葉片的擠壓，溢流出溢流斗。但其動力消耗較大，對塊狀物料和結(jié)露比較敏感，因而只有在特殊條件下才考慮它的應(yīng)用。

　　轉(zhuǎn)子式給料機(jī)是一些工業(yè)國家應(yīng)用于煤粉給料的設(shè)備，其原理如同幾個(gè)上下疊加、進(jìn)出口相接的盤式給料機(jī)。其流量的變化主要依據(jù)給料機(jī)的轉(zhuǎn)速的變化而改變，消除了倉壓及竄料的影響，流量非常穩(wěn)定。但是這種給料機(jī)功耗較高，磨耗較大，維修費(fèi)用高。近年來國內(nèi)外部分廠家從改變結(jié)構(gòu)和耐磨材質(zhì)入手，降低了功耗和磨耗，大大延長了維修周期，在水泥工廠的煤粉流量計(jì)量上取得了很大的成功。

　　3.2  計(jì)量單元

　　近年來計(jì)量設(shè)備的發(fā)展很快，主要有以下幾 種：①減量式計(jì)量倉；②間歇式斗式秤；③板式流量計(jì)、科里奧利流量計(jì)；④螺旋電子秤；⑤電子膠帶秤；⑥核子秤；⑦轉(zhuǎn)子秤；⑧用于氣固兩相混合物的流量計(jì)量設(shè)備。

　　以上幾種計(jì)量設(shè)備除間歇式斗式秤控制比較困難，氣固兩相流量計(jì)量國內(nèi)應(yīng)用較少外，其余的在我國的水泥廠都有應(yīng)用。

　　減量式計(jì)量倉：減量式計(jì)量倉采用靜態(tài)計(jì)量的方法連續(xù)計(jì)量倉重的減少量，其精度高，但設(shè)備較大，而且在進(jìn)出料同時(shí)進(jìn)行時(shí)無法計(jì)算，在小型工廠中很少應(yīng)用，在大中型工廠多用它與其它計(jì)量設(shè)備配合使用，作為高精度的穩(wěn)壓倉或其它計(jì)量設(shè)備的標(biāo)定倉。

　　間歇式斗式秤：間歇式斗式倉實(shí)際上是雙列的小容量計(jì)量倉，由于雙列間的切換在自動化控制上可靠性較差，在我國的水泥廠應(yīng)用很少。

　　板式流量計(jì)（沖板式、溜板式）：其體積較小，價(jià)格較低，故障率較低，使用較可靠，在計(jì)量上基本不存在時(shí)間滯后，但其精度稍差，受物料的條件（如水分、充氣狀態(tài)等）的影響，計(jì)量會出現(xiàn)漂移。因此多用于定值控制、控制值變化不太頻繁的場合，以及大流量的計(jì)量控制系統(tǒng)。在大流量控制系統(tǒng)通常設(shè)置計(jì)量倉，以加強(qiáng)沖板式流量計(jì)在運(yùn)轉(zhuǎn)條件下的標(biāo)定。

　　科里奧利流量計(jì)：其測量的效應(yīng)是由物料經(jīng)過旋轉(zhuǎn)著的測輪被輸送時(shí)出現(xiàn)的科式力而引起的，所以它必須解決兩個(gè)關(guān)鍵問題：力矩的精確測量和獲得恒定轉(zhuǎn)速的方法。隨著現(xiàn)代科技水平的發(fā)展，特別是傳感器技術(shù)和計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)迅猛發(fā)展，這些問題得到很好地解決，使得科式測量裝置在水泥工業(yè)中獲得廣泛的應(yīng)用。與其他力學(xué)方法（如沖板系統(tǒng)，溜槽系統(tǒng)）相比，它有不受物料性質(zhì)影響等獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。

　　螺旋電子秤：在計(jì)量物料比較穩(wěn)定的條件下，精度較高，線性度較好，但其是在物料流速恒定或與荷重呈較好的線性關(guān)系的條件下設(shè)計(jì)出來的，因此當(dāng)不滿足上述條件時(shí)，其精度就受到影響。另外，自身皮重較大隨震動會造成零點(diǎn)的漂移，粉塵的沉積和物料在葉片上的粘結(jié)也會造成零點(diǎn)的漂移，因此在管理上也有較高的要求。

　　膠帶電子秤：對于荷重的計(jì)量精度高。但其在荷重計(jì)量過程中對于膠帶和物料之間的相對運(yùn)動毫無限制，為了控制粉體物料與膠帶之間的運(yùn)動，要求物料的自然堆積角不小于25，要求儲料單元料壓非常穩(wěn)定，對其儲倉排氣也有較高的要求。

　　核子秤：該種秤通過射線穿透物料時(shí)的強(qiáng)度衰減，間接測量物料流的載荷密度，由于屬于無接觸計(jì)量，安裝簡單。但其實(shí)際上只能計(jì)量物料流的載荷密度，而對物料流速則無計(jì)量手段，因此只能使用在流速恒定或流速呈一定規(guī)律，流速與控制參數(shù)呈線性關(guān)系，或流速與載荷密度呈線性關(guān)系的物料流的流量計(jì)量系統(tǒng)中。

　　轉(zhuǎn)子秤：該種秤采用盤內(nèi)的格式葉片推動或限制物料流的流動，因此物料流的流速與其控制參數(shù)（轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速）呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系；它采用環(huán)狀天平的原理，計(jì)量精度高。而且轉(zhuǎn)子盤對于支點(diǎn)軸是對稱的，葉片旋轉(zhuǎn)過程中對于支點(diǎn)軸也是對稱的，因此盤上物料沉積，葉片上物料粘附均不會影響其計(jì)量精度。進(jìn)出料口與支點(diǎn)在同一軸承線上，故進(jìn)出料口的正負(fù)壓差也不會對計(jì)量產(chǎn)生太大的影響。德國的PFISTER公司的轉(zhuǎn)子秤將通常的計(jì)量與控制分由兩個(gè)設(shè)備承擔(dān)的方式，改為將計(jì)量和控制設(shè)備置于一體，變通常的控制于計(jì)量之后的時(shí)間滯后控制為流量的前置控制，不但提高了計(jì)量精度，更是大大提高了粉體流量的控制精度。

　　用于氣固兩相混合物的流量計(jì)量設(shè)備：其計(jì)量原理是在粉體物料的氣力輸送過程中，通過氣體流量計(jì)量和輸送含塵氣體的濃度計(jì)量來實(shí)現(xiàn)粉體物料流量的計(jì)量。德國的Endress+ Hauser公司曾進(jìn)行過工業(yè)性試驗(yàn)，但由于計(jì)量精度尚存在一些問題，至今少有應(yīng)用。

　　4、幾種典型應(yīng)用

　　初期的粉體物料系統(tǒng)只有給料環(huán)節(jié)，談不上計(jì)量，更談不上回路控制，一路發(fā)展而來，系統(tǒng)組態(tài)越來越成熟，控制越來越豐富，以下是幾種場合的典型應(yīng)用。

　　4.1帶位置控制預(yù)給料單元（V型）

　　位置控制預(yù)給料單元為：電動流量調(diào)節(jié)閥，氣動流量截止閥。此種方式在我國的水泥工業(yè)中入窯生料的計(jì)量中應(yīng)用廣泛，其大多的控制方式是根據(jù)計(jì)量單元檢測出粉體物料的瞬時(shí)（或平均）流量與設(shè)定流量的偏差通過PID或其變種算法來調(diào)節(jié)電動流量閥，使物料的流量與設(shè)定值保持一致。然而由于此類調(diào)節(jié)裝置對倉壓及粉體流動性敏感，往往導(dǎo)致調(diào)節(jié)時(shí)嚴(yán)重的非線性，甚至可能出現(xiàn)調(diào)節(jié)失控現(xiàn)象。從計(jì)量控制的角度上看由于調(diào)節(jié)裝置與計(jì)量裝置的分離，造成流量計(jì)測量出的偏差在調(diào)節(jié)時(shí)物理上的時(shí)滯，并且如果物料流動性由于外部因素的干擾而產(chǎn)生變化時(shí)，其滯后時(shí)間往往亦將發(fā)生變化，使得系統(tǒng)在調(diào)節(jié)時(shí)除了考慮調(diào)節(jié)裝置非線性，還將考慮它的時(shí)變性。

圖1帶位置控制預(yù)給料裝置（V型）

　　4.2帶速度控制預(yù)給料單元（S型）

　　速度控制預(yù)給料單元主要指螺旋喂料機(jī)、葉輪給料機(jī)等。前面已經(jīng)提過，設(shè)備本身的加工精度及運(yùn)轉(zhuǎn)中的磨損造成它的線性度不是很好，這種情況下，預(yù)給料單元最好僅作為粗調(diào)環(huán)節(jié)，通過計(jì)量單元的反饋來及時(shí)抑制它的非線性和時(shí)滯特性，使系統(tǒng)的精度指標(biāo)和快速響應(yīng)等指標(biāo)能得到一定的改善，但它無法抑制倉內(nèi)生料存儲的多少、倉充氣量的大小和氣流的速度對其的流動性影響等諸多外界因素的影響。

　　這種配置在粉煤灰計(jì)量的場合應(yīng)用較多。

圖2帶速度控制預(yù)給料裝置（S型）

　　4.3帶線性控制預(yù)給料單元（L型）

　　線性控制預(yù)給料單元主要指轉(zhuǎn)子式給料機(jī)等。它采用多層多分格式結(jié)構(gòu)，密封性能好，能有效的抑制倉內(nèi)變化對其的流動性的影響，一般分為四層，第一層是承壓部，在受料的同時(shí)減少倉壓對下級的影響；第二層是打散部，使物料通過這部分后不受倉壓變化的影響，同時(shí)抑制粉狀物體的自流動；第三層是均壓部，使物料在這一層保持密度相對穩(wěn)定；第四層是計(jì)量部，粉體物料的運(yùn)動由這層密封的分隔轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速來決定，通過調(diào)整分隔轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速來決定喂料量的大小（即容積式計(jì)量），由此可以看出在保證物料容重一定時(shí)，喂料量與這個(gè)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速成線性關(guān)系。如果計(jì)量單元為轉(zhuǎn)子秤則該系統(tǒng)在粉體控制上具有很高的計(jì)量精度和相當(dāng)穩(wěn)定性；如果將轉(zhuǎn)子式給料機(jī)和轉(zhuǎn)子秤更換為一臺特制的轉(zhuǎn)子秤，轉(zhuǎn)子秤的出料口直接與粉體氣力輸送系統(tǒng)相連，用作粉體物料的流量計(jì)量與控制，這就是德國菲斯特（PFISTER）公司轉(zhuǎn)子秤系統(tǒng)。由于該系統(tǒng)一改通常的流量控制系統(tǒng)的時(shí)間滯后系統(tǒng)為計(jì)量于控制之前的前置（PRECONT）控制系統(tǒng)，消除了時(shí)間控制系統(tǒng)通常存在的流量周期性波動現(xiàn)象，大大提高了流量控制精度。這種方式在喂煤系統(tǒng)上有著廣泛的應(yīng)用。

　　這種配置多應(yīng)用在入窯煤粉計(jì)量控制的場合。

圖3帶線性控制預(yù)給料裝置（L型）

　　5、結(jié)束語

　　隨著計(jì)量設(shè)備技術(shù)的發(fā)展，影響粉體計(jì)量精度的原因已不再集中在計(jì)量設(shè)備本身。粉狀物料的計(jì)量控制系統(tǒng)是有機(jī)的整體，儲料單元、計(jì)量單元、控制單元是三個(gè)密不可分的基本單元，是保證粉體物料的流量計(jì)量的充要條件。粉狀物料基本單元及輸送環(huán)節(jié)中的物料的變化都會對流量產(chǎn)生影響。所以，粉體計(jì)量控制是一個(gè)系統(tǒng)工程，它不僅要靠調(diào)節(jié)裝置的改善和控制軟件的優(yōu)化來不斷提高系統(tǒng)的調(diào)節(jié)品質(zhì)，同時(shí)它還跟系統(tǒng)工藝有密不可分的聯(lián)系，只有從系統(tǒng)工程的角度出發(fā)，才能把握好粉體計(jì)量控制的發(fā)展方向，滿足現(xiàn)代水泥工業(yè)自動化大生產(chǎn)的要求。