科里奥利粉体定量给料秤计量系统的研发与应用

中图分类号：TQ 72.4 文献标识码：B 文章编号： 008-0473(20 6)06-00 0-03 DOI 编码： 0. 6008/ki. 008-0473.20 6.06.004
科里奥利粉体定量给料秤计量系统的研发与应用
李维美
河南丰博自动化有限公司，河南 郑州 450001
摘 要 从科里奥利粉体定量给料秤测量原理及特点出发，研发出FB-CRC型入窑煤粉计量控制系统、FB-CRM型入窑生料粉计量控制系统、FB-CCM（水泥）散装秤计量控制系统等，实现对粉体物料的精准计量。

关键词 粉体物料 科里奥利 测量原理 计量技术
0 引言
在现代水泥工业中，物料的计量贯穿着整个生产过程，从各种原材料、燃料等物料入厂到水泥产品出厂，都离不开计量。

根据其工艺特点，粉状物料的计量准确性和控制稳定性在整个计量过程中至关重要，直接影响着生产和产品质量，那么针对不同的粉体物料选择适合的计量设备可以为提高水泥产品质量、降低消耗提供可靠的保障。

水泥生产中，煤粉、生料粉、粉煤灰、矿粉、水泥等粉体物料计量长期以来面临计量不准的问题，这成为了水泥企业降本增效的主要障碍之一。

其原因主要是：粉体物料一般都具有容重小、流动性好、易吸潮等特性，容易发生冲料和结拱。

河南丰博自动化有限公司（以下简称丰博公司）针对粉体物料的特性，运用多项核心粉体技术专利，成功推出科里奥利粉体定量给料秤，成功应用于多家水泥厂粉体物料的计量与控制。

1 科里奥利粉体定量给料秤测量原理及特点1.1 科里奥利计量原理
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，见图1。

科里奥利力是沿切向的。

科里奥利力的矢量表达式为：
F c =-2mω×v ′
式中：ω—转动角速度；
v ′—相对速度； m —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F c 的量值变化只与质量相关。

因此，通过精确测量F c 的量值即可获得物料的准确流量。

图1 科里奥利计量原理
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，科氏秤内设有测量盘，测量盘上径向分布数块测量叶片，测量盘在电机驱动下匀速回转。

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叶片向外缘运动。

在运动过程中，物料受到了径向的摩擦力F r 和反向的离心力F x ，以及沿切向的科氏力F c 的作用，F c 引起一个反作用运动力矩M ，而F r 、F x 对驱动轴不会产生反作用力矩。

通过测量科里奥利力F c 对测量盘的作用力矩即可获得物料的质量流量。

M = m ·ω·R 2
1.2 科里奥利粉体定量给料秤特点
（1）计量精度≤±0.5%；（2）控制精度≤±1%；
（3）系统不受正负气压影响；
2016年第6期 新世纪水泥导报
No.6 2016 Cement Guide for New Epoch 专题论述
（4）齿轮组传力机构，内部采用气密封，有效解决了秤体零点漂移的问题；
（5）选用高精度称重传感器，精度达C3等级；（6）取得了多项专利技术；（7）秤密封好环保无扬尘；
（8）秤体高度≤1.5 m，节省空间，安装简便。

2 粉体物料计量方案2.1 入窑煤粉计量
熟料的烧成工段是水泥厂生产流程中最重要的工艺环节之一, 对于这个环节来说, 操作的可靠性、运行的高效性以及减少产生的污染至关重要。

考虑到现行环保法律所规定的一氧化碳和氮氧化合物排放量的限值， 一次能量（燃料） 和二次能量（ 驱动系统）的低消耗以及工艺过程的安全管理都需要精确地制成用于回转窑中燃烧的燃料——空气混合物。

燃料喂料系统是仅次于气力输送系统设计的一个重要方面。

煤粉喂料所需的计量系统需要达到瞬间极弱振荡性和长期稳定性，除了这些要求以外, 合适的煤粉喂料系统必须设计成能够很容易地与工厂形成一体化并且易于维修，才能确保操作可靠性高。

丰博公司FB-CRC型入窑煤粉计量控制系统-科里奥利粉体定量给料秤的组成是：稳流给料装置+科里奥利粉体质量流量计+喷流锁风装置，见图2。

图2 FB-CRC 型入窑煤粉计量控制系统
根据入窑煤粉的物料特性及工艺流程布置，为了调节散粒状物料的流量, 需要一个合适的可控制的预喂料机，即FB-CSF稳流给料机。

从气力输送管线的清洁气体端到科里奥利流量计进口的旁路管线确保科立奥利流量计进、出口两端保持微正差压。

因此, FB-CRC科里奥利流量计的测量单元能直接喂至输送管线上，螺旋泵就不需要了。

该系统已成功应用, 它大大地简化了煤粉喂料的工艺及降低了整体安装高度, 真正体现了FB-CRC 科里奥利粉体定量给料秤的优点。

在此系统中, 带垂直旋转轴的是稳流给料机，它是最适合于喂煤粉，作为可控的预喂料机。

是在水平方向移动散粒状物料，同时该喂料机将位于它上面的库与输送管线的压力隔断。

大进口直径与合适的搅拌机作用下避免了散粒状物料的起拱，并平均地向各室填料。

辽宁某公司等企业的实践有力地证实了FB-CRC科里奥利粉体定量给料秤达到的快速采集测量数据保证了喂料的高短期精度和长期稳定精度。

与其它喂料原理不同，FB-CRC科里奥利粉体定量给料秤的实际喂料速率信号不受外界干扰的影响, 例如：风或振动，具有极高的稳定性。

就窑的控制而论，该抗外界干扰性能可使窑得到更高的操作可靠性。

直接喂料到输送管线，无需喂料螺旋输送泵，使得输送管线上的压力将大大降低。

这一点使得节约费用成为可能, 不仅减少了喂料螺旋泵的投资，而且降低了风机的功率，在实际生产中二次能量降低了1/3。

精确的短期喂料, 已具备控制窑内仅有少量过剩空气的条件。

因此，要加热的空气总量将降到最低, 热平衡更好。

煤粉流量的过喂料常导致煤粉的不完全燃烧，所产生的一氧化碳将对窑尾收尘器的安全构成危险。

好的短期精度，能避免收尘器关机和环境污染，降低有害排放物超过限值的危险。

2.2 生料粉的计量
预分解窑是当前水泥工业中最主要的窑型。

水泥熟料煅烧的关键是稳定水泥窑煅烧过程中料、煤、风这三个主要参量匹配的热工制度。

窑系统的用煤量取决于窑系统生料的喂料量，窑系统的用风量取决于系统的用煤量，而窑系统的生料喂料量又取决于窑内实际的煅烧状况。

因此稳定烧成系统的热工制度，是增加窑的产量、提高熟料质量、降低系统能耗的关键环节。

如果把窑的煅烧过程看作一个控制系统时，系统的核心就是我们的窑操人员，而喂料系统、喂煤系统和风量调节系统仅仅是整个窑系统的子系统。

对于整个窑煅烧过程这样一个复杂系统来说，即使一个非常熟练的窑操人员，要稳定这样一个非线性、多变量、强耦合、时变和滞后的复杂系统——尤其是子系统的自身的稳定性较差时，也是
非常吃力的。

我们再来看一看影响窑煅烧系统稳定
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性的三个主要参量：入窑生料量、窑（含炉）系统的喂煤量以及窑（炉）系统的用风量。

入窑生料量的大小决定了这个窑的产量，它受制于窑的设计和窑内实际煅烧情况，其参考输入是由窑操人员根据操作过程的实际情况来决定的。

窑（炉）的喂煤量是由入窑生料量的多少决定的，它提供了窑煅烧的能源。

窑系统的风量取决于窑（炉）的喂煤量，它提供煤粉燃烧所必须的氧气。

从控制的角度大致可以这样认为，窑（炉）喂煤系统是入窑生料系统的随动系统，其参考输入（喂煤的设定量）是入窑生料量的时间函数；而用风系统是喂煤系统的随动系统，其参考输入是喂煤量的时间函数。

由此我们可以看出，即使不考虑窑系统各参量的非线性、耦合、时变等复杂因素，入窑生料系统的高准确性和稳定性是窑系统稳定的极为关键的环节和至关重要的节点，同时也是稳定熟料质量和成本进一步优化的关键。

丰博公司FB-CRM型入窑生料粉计量控制系统方案-科里奥利粉体定量给料秤：流量调节阀＋科里奥利粉体质量流量计，见图3。

图3 入窑生料粉计量控制系统方案
系统由手动开关阀、两组气动开关调节阀作为控制执行机构，科里奥利粉体质量流量计作为流量检测反馈机构组成一个闭环控制系统。

科里奥利质量流量计是真正的质量计量流量计，由驱动机构、扭矩测量机构、测量轮等组成，测量轮实现对科里奥利力的检测，科里奥利力的大小实时反映了物料的质量流量，与物料的密度无关，并且科里奥利力不受上下游气压影响，零点不受外界影响，计量精度可达到≤±0.5%，准确的计量提高系统反馈输入准确度，提高控制回路的控制响应准确度，整体提高系统的控制精度（控制误差可达到≤±1.0%）。

综上所述，开关调节阀+科里奥利质量流量计系统是目前生料入窑计量控制的理想方案。

入窑生料粉喂料稳定是烧成系统热工制度稳定的基础，同时也是稳定熟料质量和降低成本的关键。

2.3 散装成品水泥的计量
在水泥生产线中，水泥散装环节自动化和智能化程度低，工人工作环境最差。

散装环节目前普遍以人工操作为主，存在效率低、受人为因素干扰大、工人劳动强度高、安全事故频发等诸多问题。

同时导致的后果有：
（1）由于散装与计量环节分离且计量与控制手段落后，导致装车难以精确定量，为避免超载，单车重复装卸的情况较为普遍，特别在道路限载检查严格地区，这种现象格外突出；
（2）粗放控制和管理带来的二次扬尘污染和资源浪费等问题，成为制约水泥厂绿色发展的主要问题之一。

丰博公司FB-CCM（水泥）散装秤计量控制方案，同生料粉计量系统类似，即气动流量控制阀＋科里奥利粉体质量流量计。

2.4 其他计量控制
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，同入窑煤粉计量方案类似，除去底部的喷流锁风装置，便是该方案系统，即FB-CMF型科里奥利粉体定量给料机秤：稳流给料装置+科里奥利粉体质量流量计（方案图见煤粉计量部分）。

3 结束语
综上所述，在设计中选择好适合物料的计量设备，避免一切不利于物料通过计量设备的因素，才能保证计量的精确和稳定，从而为全厂生产连续、稳定、高质量的熟料和水泥提供保障。

随着计量设备技术的发展，影响粉体计量精度的原因除计量设备本身外，还有储料单元和控制单元，三者密不可分，是一个有机的整体，是保证粉体物料流量计量的必要条件。

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生产的需要。

（收稿日期：2016-06-12）
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