科里奥利喂煤计量系统的应用

　　连续准确稳定地对回转窑(包括分解炉)进行喂煤，是稳定窑的热工制度，降低煤耗，提高熟料产质量，保证设备安全和连续稳定运转的关键因素。因此，给煤计量控制装置必须具有稳定、准确、可靠、动作迅速等特性。但是因煤粉流动性好，锁风要求较高，及易结露、起拱、塌库等，导致流量计量控制较为困难，影响了窑的工况。目前，我国水泥企业的煤粉计量和定量控制中，双管螺旋输送机的应用较为普遍，其技术和设备都较为陈旧落后，不能满足长期连续、均匀稳定喂煤的要求。　新建或改建厂在入窑煤粉给料计量设计中应用了调速定量给料秤、冲击式固体流量计、转子秤、失重秤等，基本满足了入窑煤粉的计量控制。由于上述计量控制装置已有不少文献进行了介绍，在此仅对科里奥利喂煤计量系统作一介绍。
1　科里奥利原理
　　质量微粒m在以角速度ω转动的系统中除受到离心力FZ和摩擦力FR外，还受到垂直于其运动方向的惯性力FC的作用，通过测量这个力，可测得质量m，这就是科里奥利原理，如图1所示。

图1　科里奥利原理示意
　　随着传感检测技术和电子技术的发展，使得测力和速度处理等变得简单容易。因此科里奥利原理在测量散状物料中得到了广泛应用。
　　测量原理的实现需要一个以恒定速度转动的旋转测量圆盘(测轮)，其基本结构如图2所示。由电机拖动的测轮被叶片分成数个导流槽，散状物料由测轮中心上方进入测轮，经过锥形的转向装置后，形成散料流，进入导向叶片之间的导流槽中，并被以恒定角速度ω旋转着的导向叶片虏获，物料因离心力FZ的作用而向测轮外边缘运动，直至离开测轮被抛出。通过对物料所受科里奥利力FC的测量可得到物料的流量，工程中是通过测量FC对测轮的反作用力矩而测得物料流量的，这个力矩由测轮的驱动电机来补偿(离心力FZ和摩擦力FR都不能在测轮径向上产生力矩)。其计算式为：M=mωR2
式中：M──测轮所受力矩，N·m；
　　　m──物料流量，t/h；
　　　ω──测轮角速度，1/s；
　　　R──测轮半径，m。

图2　测轮的基本结构示意
2　科里奥利质量流量计基本结构型式
　　在实际生产应用中，科里奥利质量流量计仅作为计量控制设备，一般需采用电动阀门、螺旋输送机或叶轮给料机等作预给料设备。
　　为适应生料、煤粉和煤粉灰等不同物料对秤体的磨损及不同的生产工艺条件，测轮驱动电机及秤体可有不同的布置方案。如图3(a、b)分别是生料喂料及煤粉喂料系统的秤体和驱动电机布置，料粉进入秤体后，被秤体中心的锥形转向装置分散，落入不同的导流槽，从而进行流量控制及计量。图3a结构优点是结构紧凑，便于调整及维护，电机散热好；缺点是电机出轴过长，进料时会对测轮产生冲击。图3b结构优点是抗来料冲击能力强，缺点是测轮转轴需加装辅助支承。
　　在喂煤系统中，根据生产需要，可以是一个料仓配备一套计量系统，也可以是一个料仓配两套计量系统，分别去窑头及分解炉(如图4a、b所示)。

图3　秤体与驱动电机布置方案

图4　两种煤粉喂料系统方案
3　科里奥利喂煤计量系统简介
　　图5为申克公司应用科里奥利原理开发的一种煤粉喂料计量系统。煤粉由煤粉仓进入叶轮给料机时，首先经过内置搅拌器，被充分流态化，使其畅通，由叶轮给料机实现稳定喂料，进入科里奥利质量流量计被计量后进入煤粉输送管道，输送至窑头或分解炉。测得的流量信号(实际值)输入MULTICONT测控系统，实际值与设定值在系统中进行比较，及时输出反馈信号，调节叶轮给料机转速，实现稳定喂料。
　　煤粉由流量计流出后，经过一段弯管进入输煤管道，由于喷嘴两边的正负压差(喷嘴位置需在安装调试时确定)，这样煤粉可以较容易地被输送。同时，从喷嘴靠风机端引出一条正压管线，对叶轮给料机内施加一个小的气压(叶轮给料机与流量计出料管间压差约5000Pa)，使下料更为顺畅，净风的风压仅需50000Pa即可将煤粉送出，不需设螺旋泵。叶轮与外壳间隙仅0.2mm，被煤粉填充，可以保持叶轮给料机上下的压差，保证下料流畅及稳定。该喂煤系统的叶轮给料机与煤粉仓出料管之间用法兰联接，流量计与叶轮给料机出料管之间、流量计出料管与煤粉输送管线之间也用法兰联接，无需其它安装支架，安装高度低，安装和折卸维修方便；密封性能好，保持煤粉仓下的环境。
图5　煤粉喂料计量系统
　　该系统有以下特点：
　　1)由于物料与测轮间的摩擦或不同速度的物料层间的摩擦对测量结果几乎没有影响，故该方法与其它力学方法(如冲板流量计、溜槽流量计)测物料流量相比，受外界干扰能力强，计量精度高。
　　2)长期及短期精度高，尤其是短期精度高(10s内精度可达0.5%)，对窑内热工制度的稳定有利。
　　3)设备间只用法兰螺栓联接，结构简单，安装维护方便。
　　4)喷嘴的应用，可使流量计出口处无需使用螺旋泵等锁风松紧装置，并可降低风机功率。
4　应用情况
　　1993年，德国兰德霍夫水泥公司在750t/d的Φ4.2m×70m立波尔窑生产线改造中首次应用该系统代替失重秤喂煤系统，获得成功。它使喂煤更加稳定，喂料量标准偏差减小，减少了煤粉输送动力损耗，稳定了窑热工制度，减小了NOX的排放。两种喂煤系统情况对比见表1。
表1　两种喂煤系统对比

　　由于该系统效果好，该公司又在3200t/d生产线的入窑煤粉计量中应用了科里奥利喂煤计量系统，并且因其长期、短期精度高，运行稳定而受到水泥行业的重视。目前，该煤粉喂料系统已在我国宁国、英德、三德等水泥企业使用。
　　1995年广东南华水泥有限公司(英德水泥厂)新建5号窑时，应用了两套申克公司科里奥利喂料计量控制系统，实现对窑尾分解炉和窑头喷煤管煤粉的计量及控制。该窑为Φ3.5m×47m湿磨干烧窑，日产熟料1700t/d，配套煤磨型号Φ2.8m×5m+3m，生产能力16～17t/h。秤体型号都是MULTICOR-40K，搅拌器、叶轮给料机及科里奥利质量流量计所配电机功率分别是：2.2kW、3kW和0.37kW。1997年11月8日正式投入使用，工作正常，计量准确，控制可靠。其简单工艺流程如图6，实际生产数据见表2及表3。


图6　煤粉喂料系统工艺流程简图
表2　某日生产实际数据

注：表中为1998年10月20日科里奥利喂煤系统采集的实际生产数据，由于煤质波动差异，吨熟料的实际用煤量的波动也较大。
　　工艺流程是：从煤磨制备的煤粉进入1、2号煤粉仓(85m3，可对煤粉进行称重计量，以便成本核算)，经搅拌器搅拌后，由叶轮给料机喂入科里奥利质量流量计，流量计下端带有力矩传感器及速度传感器，测得扭力与转速信号，输入MULTICONT系统，计算出实际流量，实现流量计量；并且与设定值进行比较，调节叶轮转速(变频调速)，实现流量控制。
　　其电气自控系统主要由数据测量与采集单元、控制单元和执行单元三部分组成。采集的力矩、速度和仓重信号先在数据测量和采集单元内处理，由一根电缆传送至控制单元，减少了信号干扰、电缆成本及维护费用。控制单元由PLC控制，其接口模件为串行通讯接口，由通讯电缆连至中央控制室，实现远程控制；机旁的编程器可以进行现场程序设计。执行单元就是通过控制搅拌器、叶轮给料机和流量计电机的运转，实现对煤粉的计量和流量控制。
　　存在的问题：使用以来，有时煤粉中含有颗粒物料，卡在叶轮和外壳间，致使流量计机械卡死，引起数次电气跳闸保护，并且有2次使流量计配套0.37kW电机烧坏，因此除加强煤粉制备中的技术管理外，拟在以后增大电机功率。