水泥厂粉体物料计量技术的应用和发展

　　0、引言

　　现代水泥工业，以其特有的原料、产品和生产方式，使其与计量控制特别是粉状物料的计量控制有着密不可分的联系。水泥工业中粉体物料的计量控制涵盖了现代电子称重计量、现代控制系统工程理论和现代工艺流程设计等全方位的理论和知识。在现代新型干法水泥生产中，回转窑窑尾生料粉输送计量控制、窑头和分解炉的煤粉输送计量控制、PS、PF等水泥中粉煤灰添加的计量控制，以及在现代新型建材超细粉和添加剂的计量控制等等，对这些粉体物料的计量控制，无一不对水泥工业产品的产量、质量起着至关重要的作用。因此如何保证粉状物料在计量控制过程中的稳定性、快速的响应能力和长短期精度，是水泥行业发展至今一直所必须面对和解决的问题。

　　1、粉体特性、工艺流程与计量控制

　　由于通过研磨后的粉体物料与它在块状或散粒状态下的物理特性有着很大的不同，因此了解粉体物料粉态下的基本物理特性以及了解现代水泥工艺过程对粉体物料仓储、输送的形式和特点，是粉体物料计量控制的一个重要的基础。

　　在生产中，粉体物料常是贮存在料仓或料库中，粉体物料在料仓中的贮存和卸出，都会导致粒子与粒子之间、粒子与仓壁材料之间的摩擦行为，从而构成力学现象。对于仓内整个粉体层而言，我们希望在卸出时能够均匀地整体向下移动。这种流动形式称为整体流，其特点是符合物料“先进先出”的原则。

　　但是，大多数粉状物料的流动性受到水分和充气的影响。通常由于物料囤积吸附水分使得粉体物料的流动性变差，表现在物料趋于粘聚并有较大的附着性，水分越大其附着性越强，流动性越差，使得仓内粉体层的流动区域常常呈现漏斗状，即只有料仓中央部分形成料流，而其他区域的粉体或料流顺序紊乱或停滞不动，产生先加入的物料后流出的“先进后出”的现象，这种流动形式称为漏斗流。漏斗流会引起偏析、冲料、结块、下料容重变化等不良现象，这些现象均会造成计量精度的极大误差。另一方面，干燥或伴有气流的粉状物料的流动性极强，表现为物料趋于自溢（自流性），含气量越大，其流动性越强。

　　水泥工业中粉体物料的过程仓储作为整个工艺流程的一个过渡环节，对粉体物料的计量控制往往直接串级在这个过渡环节之后。因此不仅从计量控制上而且从工艺流程的要求上，都要求保证过程仓内粉体物料能够顺利卸料。过程仓内粉体物料的流动性指标是物料能否流经过渡仓顺利卸料的一个重要参数。通常经过干燥的煤粉或粉煤灰基本不具有附着性，一个设计合理的过程卸料仓，间或辅以少量的仓侧充气进行“破拱”，一般仓内料拱无法形成，物料在仓内的流动通常表现为整体流，这类物料的卸料可以由物料的重力通过仓底自然卸料。然而经过研磨后的生料粉体，在常态下带由一定的附着性，加之生料仓储库容较大，表现为过程仓储时间较长，也就是实压时间常数较大，一般来说其流动性能较差，对于这类流动性较差的粉体物料的卸料，在实际经常采用库侧充气破拱和库底充气助卸结合的方式，来保证仓内物料的顺利卸料。

　　由于粉体物料卸料方式的不同，造成了实际粉体物料在出仓时的流动性的巨大差异，也就是计量控制设备在受料时物料的流动性差异。对于需要充气助卸的粉体物料，充气量的大小和气流的速度对粉体物料的流动性影响都是非常之大的。在一些气源变化频繁的场合，有些传统的粉体计量控制设备通常会产生波动，严重时会出现振荡以至于无法工作。
为此，粉体计量控制的发展，也是我们从系统的角度对粉状物料的特性及其仓储、输送、工艺过程充分理解和认识的发展。

　　2、测量技术的发展与粉体物料的计量控制

　　计量控制的一个重要任务就是在单位时间内对物料质量进行测量。然而众所周知，质量是一个特征量，它无法直接测量，以往对质量的测量往往是通过物体在重力场下的重力测量而间接求得的。

　　物料的计量控制如翻斗秤、失重秤、调速定量秤等绝大部分的计量设备（衡器）的测量模型多建立于杠杆原理，然而其模型，都是建立在静力平衡的基础之上。也有采用射线测量技术，其实际上只能测量物料流的载荷密度。在实际工业生产中，我们遇到的大多数的过程计量都是在物料运动过程中实现的，对此通常我们只能通过其他手段来降低运动过程对静力平衡的影响或者用定性方法给予一定的补偿。采用这种以静代动的测量方法虽然可以解决大多工业过程计量问题，但从根本上说它无法解决动摩擦、本机谐振及其它振动问题对于测量的影响，因此严格意义上说就是没有从根本上解决动态测量的问题。

　　近年来国外的一些学者为从根本上解决动态测量这一问题，开展了大量的研究工作。其基本思想就是解决用工程动力学来代替工程静力学建立测量模型。因为动是绝对的，静只是动的一个特例。根据牛顿第二定律F=ma如果能够测得力F和加速度a，即可求得物体的质量m的大小，这是一个不受被测物体是静态还是动态而且是一个不受重力场g大小影响的质量测量方法，这种测量方法被称为动态质量测量方法。尽管动态质量测量尚处于研究阶段，但其测量理论已然确立，随着研究的深入和发展，未来的动态测量衡器将会给称重测量带来一场革命。德国申克公司、美国EI公司CentriFlow Meter都有基于动态质量测量原理而建模的相关产品。

　　目前也有用于气固两相混合物的流量计量设备的产品开发，所有新型计量设备的研发都给我们提供一个新的平台，从而使粉体控制系统不断向前发展。

　　3、粉体计量控制系统的构成

　　粉体计量控制系统发展至今其系统组成主要由过程（称重）仓、（预）给料单元、计量单元、输送及电气控制单元组成。当然也有将给料、计量结合在一起新型测控装置面世。

　　3.1 （预）给料单元

　　现阶段（预）给料单元的设备有阀门、钢性（或弹性）叶轮机、管式螺旋给料机、胶带给料机、溢流螺旋给料机、转子式给料机等。

　　阀门装置简单，在大流量的条件下，它的设备重量和动力配置较其它装置小得多。但是阀门适于控制的线性范围比较小，它的控制要求与液体流量计量的要求类似，因此，仓内粉体物料必须处理为“类液体”，其“粘度”必须保持恒定，从而工艺上要求最好有一个较好的流态化仓作为储存环节。由于阀门自身的对于储料单元的料压变化十分敏感，它的截面选择应合适，其工作段就维持在阀门截面面积与流量线性关系较好的一段。同时，由于阀门的开度往往是非线性的，因此必须使计量与控制之间的时间滞后尽可能地短，从而阀门利用它可以快速开启的特点，随着计量装置的反馈信号快速调整阀门的开度，通过有效地控制阀门的截面积，达到稳定流量的目的。

　　叶轮给料机作为给料设备时，轴承的游隙，壳体与叶片之间的间隙，往往造成大量的空气泄漏导致计量系统正常状态的破坏。如果不能采用特殊的密封材料或特殊的结构设计使叶片与壳体间的磨损得到补偿，将导致控制品质的恶化。则在实际使用中又会受到很大限制。

　　实际应用中为了提高管式螺旋给料机的锁料性，管式螺旋给料机的长径比应大于8:1，最好为10:1，其螺旋叶与管壁的间隙应小于1.5mm，在工艺设计时，可视条件，将管式螺旋给料机的轴线沿料流运动方向上仰，最大可达25。为了控制管式螺旋给料机的长度并加大进料口的面积，相比之下，双管螺旋给料机有着明显的技术优势。为了有效抑制窜料，管式螺旋给料机的进料螺旋应为变径或变距螺旋，使其进料口处呈现整体截面下料，增加其可控性。

　　由于粉料与胶带间的相对运动对计量造成的影响及防尘对环境的影响，因此胶带给料机通常需要采用计量仓作为储料单元，秤体密封或给料面密封，且应用于自然休止角大于25的粉体物料，如白生料的流量控制，但通常不能应用于黑生料和煤粉的流量控制。有部分厂家采用了宽胶带和裙边胶带，在一定程度上扩展了胶带给料机的应用范围。

　　溢流螺旋给料机是管式螺旋给料机的变型，其出料口向上开并有一定高度的溢流斗，依靠出料口处旋向相反的螺旋叶片的挤压，溢流出溢流斗。但其动力消耗较大，对块状物料和结露比较敏感，因而只有在特殊条件下才考虑它的应用。

　　转子式给料机是一些工业国家应用于煤粉给料的设备，其原理如同几个上下叠加、进出口相接的盘式给料机。其流量的变化主要依据给料机的转速的变化而改变，消除了仓压及窜料的影响，流量非常稳定。但是这种给料机功耗较高，磨耗较大，维修费用高。近年来国内外部分厂家从改变结构和耐磨材质入手，降低了功耗和磨耗，大大延长了维修周期，在水泥工厂的煤粉流量计量上取得了很大的成功。

　　3.2  计量单元

　　近年来计量设备的发展很快，主要有以下几 种：①减量式计量仓；②间歇式斗式秤；③板式流量计、科里奥利流量计；④螺旋电子秤；⑤电子胶带秤；⑥核子秤；⑦转子秤；⑧用于气固两相混合物的流量计量设备。

　　以上几种计量设备除间歇式斗式秤控制比较困难，气固两相流量计量国内应用较少外，其余的在我国的水泥厂都有应用。

　　减量式计量仓：减量式计量仓采用静态计量的方法连续计量仓重的减少量，其精度高，但设备较大，而且在进出料同时进行时无法计算，在小型工厂中很少应用，在大中型工厂多用它与其它计量设备配合使用，作为高精度的稳压仓或其它计量设备的标定仓。

　　间歇式斗式秤：间歇式斗式仓实际上是双列的小容量计量仓，由于双列间的切换在自动化控制上可靠性较差，在我国的水泥厂应用很少。

　　板式流量计（冲板式、溜板式）：其体积较小，价格较低，故障率较低，使用较可靠，在计量上基本不存在时间滞后，但其精度稍差，受物料的条件（如水分、充气状态等）的影响，计量会出现漂移。因此多用于定值控制、控制值变化不太频繁的场合，以及大流量的计量控制系统。在大流量控制系统通常设置计量仓，以加强冲板式流量计在运转条件下的标定。

　　科里奥利流量计：其测量的效应是由物料经过旋转着的测轮被输送时出现的科式力而引起的，所以它必须解决两个关键问题：力矩的精确测量和获得恒定转速的方法。随着现代科技水平的发展，特别是传感器技术和计算机应用技术迅猛发展，这些问题得到很好地解决，使得科式测量装置在水泥工业中获得广泛的应用。与其他力学方法（如冲板系统，溜槽系统）相比，它有不受物料性质影响等独特的优点。

　　螺旋电子秤：在计量物料比较稳定的条件下，精度较高，线性度较好，但其是在物料流速恒定或与荷重呈较好的线性关系的条件下设计出来的，因此当不满足上述条件时，其精度就受到影响。另外，自身皮重较大随震动会造成零点的漂移，粉尘的沉积和物料在叶片上的粘结也会造成零点的漂移，因此在管理上也有较高的要求。

　　胶带电子秤：对于荷重的计量精度高。但其在荷重计量过程中对于胶带和物料之间的相对运动毫无限制，为了控制粉体物料与胶带之间的运动，要求物料的自然堆积角不小于25，要求储料单元料压非常稳定，对其储仓排气也有较高的要求。

　　核子秤：该种秤通过射线穿透物料时的强度衰减，间接测量物料流的载荷密度，由于属于无接触计量，安装简单。但其实际上只能计量物料流的载荷密度，而对物料流速则无计量手段，因此只能使用在流速恒定或流速呈一定规律，流速与控制参数呈线性关系，或流速与载荷密度呈线性关系的物料流的流量计量系统中。

　　转子秤：该种秤采用盘内的格式叶片推动或限制物料流的流动，因此物料流的流速与其控制参数（转子的转速）呈现良好的线性关系；它采用环状天平的原理，计量精度高。而且转子盘对于支点轴是对称的，叶片旋转过程中对于支点轴也是对称的，因此盘上物料沉积，叶片上物料粘附均不会影响其计量精度。进出料口与支点在同一轴承线上，故进出料口的正负压差也不会对计量产生太大的影响。德国的PFISTER公司的转子秤将通常的计量与控制分由两个设备承担的方式，改为将计量和控制设备置于一体，变通常的控制于计量之后的时间滞后控制为流量的前置控制，不但提高了计量精度，更是大大提高了粉体流量的控制精度。

　　用于气固两相混合物的流量计量设备：其计量原理是在粉体物料的气力输送过程中，通过气体流量计量和输送含尘气体的浓度计量来实现粉体物料流量的计量。德国的Endress+ Hauser公司曾进行过工业性试验，但由于计量精度尚存在一些问题，至今少有应用。

　　4、几种典型应用

　　初期的粉体物料系统只有给料环节，谈不上计量，更谈不上回路控制，一路发展而来，系统组态越来越成熟，控制越来越丰富，以下是几种场合的典型应用。

　　4.1带位置控制预给料单元（V型）

　　位置控制预给料单元为：电动流量调节阀，气动流量截止阀。此种方式在我国的水泥工业中入窑生料的计量中应用广泛，其大多的控制方式是根据计量单元检测出粉体物料的瞬时（或平均）流量与设定流量的偏差通过PID或其变种算法来调节电动流量阀，使物料的流量与设定值保持一致。然而由于此类调节装置对仓压及粉体流动性敏感，往往导致调节时严重的非线性，甚至可能出现调节失控现象。从计量控制的角度上看由于调节装置与计量装置的分离，造成流量计测量出的偏差在调节时物理上的时滞，并且如果物料流动性由于外部因素的干扰而产生变化时，其滞后时间往往亦将发生变化，使得系统在调节时除了考虑调节装置非线性，还将考虑它的时变性。

图1带位置控制预给料装置（V型）

　　4.2带速度控制预给料单元（S型）

　　速度控制预给料单元主要指螺旋喂料机、叶轮给料机等。前面已经提过，设备本身的加工精度及运转中的磨损造成它的线性度不是很好，这种情况下，预给料单元最好仅作为粗调环节，通过计量单元的反馈来及时抑制它的非线性和时滞特性，使系统的精度指标和快速响应等指标能得到一定的改善，但它无法抑制仓内生料存储的多少、仓充气量的大小和气流的速度对其的流动性影响等诸多外界因素的影响。

　　这种配置在粉煤灰计量的场合应用较多。

图2带速度控制预给料装置（S型）

　　4.3带线性控制预给料单元（L型）

　　线性控制预给料单元主要指转子式给料机等。它采用多层多分格式结构，密封性能好，能有效的抑制仓内变化对其的流动性的影响，一般分为四层，第一层是承压部，在受料的同时减少仓压对下级的影响；第二层是打散部，使物料通过这部分后不受仓压变化的影响，同时抑制粉状物体的自流动；第三层是均压部，使物料在这一层保持密度相对稳定；第四层是计量部，粉体物料的运动由这层密封的分隔转子的转速来决定，通过调整分隔转子的转速来决定喂料量的大小（即容积式计量），由此可以看出在保证物料容重一定时，喂料量与这个转子的转速成线性关系。如果计量单元为转子秤则该系统在粉体控制上具有很高的计量精度和相当稳定性；如果将转子式给料机和转子秤更换为一台特制的转子秤，转子秤的出料口直接与粉体气力输送系统相连，用作粉体物料的流量计量与控制，这就是德国菲斯特（PFISTER）公司转子秤系统。由于该系统一改通常的流量控制系统的时间滞后系统为计量于控制之前的前置（PRECONT）控制系统，消除了时间控制系统通常存在的流量周期性波动现象，大大提高了流量控制精度。这种方式在喂煤系统上有着广泛的应用。

　　这种配置多应用在入窑煤粉计量控制的场合。

图3带线性控制预给料装置（L型）

　　5、结束语

　　随着计量设备技术的发展，影响粉体计量精度的原因已不再集中在计量设备本身。粉状物料的计量控制系统是有机的整体，储料单元、计量单元、控制单元是三个密不可分的基本单元，是保证粉体物料的流量计量的充要条件。粉状物料基本单元及输送环节中的物料的变化都会对流量产生影响。所以，粉体计量控制是一个系统工程，它不仅要靠调节装置的改善和控制软件的优化来不断提高系统的调节品质，同时它还跟系统工艺有密不可分的联系，只有从系统工程的角度出发，才能把握好粉体计量控制的发展方向，满足现代水泥工业自动化大生产的要求。