鹿建森 王建民
(合肥水泥研究设计院固泰自动化有限公司，安徽 合肥 230051)
摘要：通过分析目前几种常用的入窑生料计量控制系统的优劣，针对日产5000吨及以上大中型水泥生产线入窑生料计量与定量给料的特点，开发一种新型入窑生料计量与定量给料系统——轮辐转子入窑生料计量与定量给料系统，并对其组成、结构、特点进行详细的分析。最后详细介绍了该系统在世界低能耗示范线——沂南中联水泥有限公司4500t/d水泥生产线入窑生料计量与定量中的应用情况。
关键词：入窑生料，计量与定量给料，轮辐转子，双环控制，间隙可调锁风，可调节式重载支撑装置
1 引言
2014年全国规模以上水泥产量24.7亿多吨，全国拥有新型干法水泥生产线1700多条，并且随着新型干法水泥生产工艺的现代化和生产线大型化，日产4000吨水泥以上的生产线所占比重越来越大，其中日产5000吨左右的水泥生产线约占60%左右。
水泥熟料煅烧的关键是稳定水泥窑煅烧过程中生料、煤、风这三个主要参量匹配的热工制度，稳定准确的入窑生料定量给料是保证熟料产量质量、产量以及热工设备寿命的关键因素之一。近年来，与水泥生产工艺发展相匹配的装备也逐步大型化、专业化和智能化，但是与入窑生料的计量与定量给料相关的装备是一块短板，还沿用传统的方式，没有适应水泥产业发展的趋势。本文作者拟通过分析目前几种常用的预分解窑入窑生料计量控制系统的优劣，针对日产5000吨及以上大型水泥生产线入窑生料计量与定量给料的特点，提出一种新型入窑生料计量与定量给料系统——轮辐转子式入窑生料计量与定量给料系统，并对其组成、结构、特点进行详细的分析。最后详细介绍了该系统在世界低能耗示范线——沂南中联水泥有限公司4500t/d水泥生产线入窑生料计量与定量中的应用情况。
2 生料的特性及对入窑生料计量与定量给料的要求
预分解窑的入窑生料在自然状态下，具有一定的流态性和较小的休止角，比重大约在1.0t/m3左右。它流态性受到水分和气流的影响极为强烈。水分的增加会使其流态性变差，表现在趋于粘聚并有较大的附着性，水分越大其附着性越强，流态性越差;而干燥或伴有气流的生料的流动性极强，表现为物料趋于自溢，含气量越大，其流动性越强。所以，存储仓或过程仓中生料粉存储的多少、充气量的大小和气流的速度对其的流动性影响都是非常大的，在一些气源变化频繁的场合，有些传统的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，这就对定量喂料系统提出了更高的要求。因此，如何保生料在计量控制过程中的准确性、稳定性、快速地响应能力和长短期精度，是目前每个水泥生产企业所必须面对和解决的问题，也是对入窑生料计量与定量给料系统的基本要求。
3 水泥生产过程中入窑生料计量与定量给料系统的概况
考虑到入窑生料的特性，目前大多数水泥厂的窑尾喂料的工艺流程中，都设计有一个过程稳流储料仓，并且该稳流储料仓通常带有仓重传感器。水泥工业中窑尾生料的过程稳流储料仓是窑尾生料控制的一个比较重要的环节，入窑生料的计量和定量给料往往直接串接在这个工艺环节之后。因此不论是从生料的计量控制方面还是从工艺流程方面，都希望过程稳流储料仓内的生料能够稳定地受控卸料。但是经过研磨均化后的生料粉体，在常态下虽具有一定的流态性，但其流态性指标并不足以保证其能够以自身重力方式通过稳流储料仓自然卸料。因此除了在传统工艺中采用螺旋喂料机方式的强制性卸料方式外，目前在实际中应用中大多数采用仓底充气助卸并结合仓侧充气破拱的自然卸料的方式来保证生料仓内物料的卸料。
3.1 流量调节阀+流量计系统
采用流量调节阀和流量计组成的入窑生料计量与定量给料系统在我国的水泥工业中占有很大比例。流量计主要分为两类，一类是固体流量计，另一类是科里奥利流量计。该系统的计量控制原理是通过流量计检测出入窑生料的瞬时(或平均)流量，并将测量出的流量值与设定值比较，其偏差通过PID或其变种算法来调节流量阀门的开度，力求使入窑生料的实际流量与设定值保持一致。工艺系统组成如图1所示。
1、稳流仓 2、手动螺旋闸阀 3、气动开关截止阀
4、流量调节阀 5、布风斜槽 6、流量计
图1 流量调节阀和流量计组成的入窑生料计量与定量给料系统
我们注意到这种系统存在两个特点：流量测量环节(流量计)和流量调节环节(流量调节阀)在物理空间的分离(通过布风斜槽和导向斜槽来联结)，使的该系统在偏差调节上会出现一定的滞后现象;流量调节阀开度与流量大小的线性关系影响系统的稳态性能。所以该系统存在两个缺陷：其一是生料给定的稳定性完全依赖于给料装置，流量计完全是被动的，它仅仅是对来料进行计量;其二是当发现通过流量计的生料流量偏离给定量时，生料实际已经离开入窑生料定量喂料系统，这时调节给料装置完全是事后补偿，是一个纯滞后的控制系统。
3.2 流量调节阀+密封皮带式定量给料机系统
采用密封皮带式定量给料机这样一个小惯性线性流量测控环节，取代流量计固体流量计或科里奥利流量计这样一个单纯的测量环节，将流量调节阀的精确调节下降为稳流预给料的粗调环节，形成了一个由流量调节阀――稳流粗调环;密封皮带式定量给料机――流量精调环，组成的一个粗、精双回路调节系统来实现入窑生料的计量与定量给料。系统组成如图2所示。
1、稳流仓 2、手动螺旋闸阀 3、气动开关截止阀
4、流量调节阀 5、布风斜槽 6、密闭皮带式定量给料机
图2 流量调节阀和密封皮带式定量给料机组成的入窑生料计量与定量给料系统
由流量调节阀门与密封皮带式定量给料机负荷组成一个定性调节的负荷粗调环节，它的调节作用是在一定范围内保证定量给料机负荷的相对稳定，避开了由于其非线性因素对整个计量控制系统的影响。充分利用定量给料机的小惯性和流量线性调节功能，避开了调节装置的非线性和调节滞后对整个入窑生料系统的影响，起到细调的作用。
该系统具有结构简单，精度较好，投资较低，维护成本低，调校容易等特点。但是主要缺点有：一是生料粉比重轻，流动性好，易冲料，该系统的预给料一旦出现冲料现象，粉体定量给料机是不具备防冲料的功能，物料将会快速通过皮带秤，进入下一级设备;二是皮带秤不是全密封的计量设备，粉体物料从秤体的连接处漏料，造成环境污染;三是占用空间大;四是为了减少下料点物料的冲击对计量的影响，粉体定量给料机一般比较长，皮带拉伸极易造成皮带跑偏，维护工作量大。
4 轮辐转子式入窑生料计量与定量给料系统
4.1 系统组成
轮辐转子式入窑生料计量与定量给料系统主要由稳流仓1、手动螺旋闸阀2、气动开关截止阀3、流量调节阀4、轮辐转子计量装置8及电气控制单元等组成。
存储在稳流仓1中的生料粉在仓底充气助卸并结合仓侧充气破拱的帮助下卸出，通过手动螺旋闸阀2、气动开关截止阀3、流量调节阀4和布风斜槽5组成的预给料系统进入轮辐转子计量装置8，生料粉在轮辐转子的带动下，由进料点经过称重区带到出料点9，进入下级输送装置(图3所示)。采用预给料的粗调环节，串级一个定量计量的精调环节，将计量与控制在输出时合二为一的双闭环调节系统，提高了系统的计量精度和稳定性。
1、稳流仓 2、手动螺旋闸阀 3、气动开关截止阀 4、流量调节阀 5、布风斜槽
6、转接溜子 7、进口软连接 8、轮辐转子计量装置 9、下料接口
图3 轮辐转子式入窑生料计量与定量给料系统
4.2 稳流仓
均化库通过充气达到均化生料的效果，所以带气生料粉的流动性较强，而且均化库的库容大、库压高，所以出库的生料粉流量不易准确控制。为此，生料粉在实现定量给料前，首先要进行稳流处理，在均化库卸料到定量给料装置之前，一般设有稳流仓。目前最常见的工艺方案是采用称重中间仓，通过适当控制均化库的卸料，使称重仓内的生料保持在一定的料位范围，这是一个相对独立的系统。无论采用何种形式的生料计量和定量给料设备，保持稳流仓内一定的生料量，对于稳定生料计量和减少给料系统波动都具有举足轻重的作用。同时称重仓还能用于下级入窑生料定量喂料系统的标定，经过稳流处理的生料粉进入生料定量喂料系统的给料装置。
4.3 预给料设备
预给料设备主要包括手动螺旋闸阀、气动开关截止阀、流量调节阀。手动螺旋闸阀保证设备检修时，长时间可靠的物料通断;气动开关截止阀在生产过程中保证物料的快速通断，便于中央控制室操控;流量调节阀用于物料流量的快速实时调节。
由于采用的预给料仅作为定性的粗调环节，对预给料的要求就比较宽松。同时，工艺生产过程决定了入窑生料的给料要求调节量程大和响应速度快，因此我们采用流量调节阀作为预给料调节设备，有效解决了预给料线性调节问题，完全满足系统的预给料要求。
4.4 轮辐转子计量装置
轮辐转子计量装置的主要部件由壳体9、轮辐转子4、驱动装置2、悬挂装置3、称重装置6、框架1等组成。其基本原理是利用密封的轮辐转子抑制生料粉的自流动，生料粉的运动完全由这个密封的轮辐转子的转速来决定，通过调整轮辐转子的转速来决定喂料量的大小。转子壳体9悬挂在一个称重轴O-O上，该轴位于进料口7和出料口5的中间线上。第3点是通过荷重传感器计量刀口8，计量刀口上有称重装置6，可以称量轮辐转子4内生料粉的重量。生料粉经预给料单元落入轮辐转子的扇区中，变频调速电机通过减速箱和主轴驱动轮辐转子转动。随着轮辐转子的转动，粉体填充到轮辐转子的各扇区中，当充有粉体的扇区转到出料口处时，落入下级工艺设备。
1 框架 2 驱动装置 3 悬挂装置 4 轮辐转子 5 出料口
6 称重装置 7进料口 8 计量刀口 9壳体
图4 轮辐转子计量装置结构
轮辐转子计量装置的主要特点叙述如下：
直接测量转子内的物料质量，计量精度不受气流、物料特性的影响。
大半扇区单点直接称重技术，秤悬挂轴线偏离秤体中心，产生重力偏心力矩，秤体本身自重的偏心力矩为重力初始载荷，在转子的转动下，物料对轴线产生偏心载荷，这种重力载荷传输到称重传感器上，形成荷重信号。荷重信号经过处理与转速PID运算、折算成处理量信号与给定值进行比较运算，得出预给料的阀门实时开度值，从而实现跟踪闭环调节。
可调节式重载支撑装置，克服了现有同类转子秤的支撑装置(弹簧片或刀口支撑))在大载荷条件下灵敏度下降和称重轴线不可调整等不足，可调节式重载支撑装置不仅保证大载荷支撑条件下旋转灵敏度，而且可调整支点位置，保证称重轴线，从而保证在大给料量程时计量精度，最大量程可达到800m3/h。
独特的轮辐转子密封锁风形式和支撑方式。高精度加工的轮辐转子和密封板行形成闭空间，抑制生料粉的自流动，采用可调节式间隙锁风技术，而非普通转子秤的毛毡密封，阻尼小，磨损小，不需要更换毛毡，可在线调整;转子支撑采用主轴锁紧，支撑在减速机上的悬空支撑方式，而非普通转子秤的转子直接支撑在壳体上的方式，摩擦小，使用寿命长。
可整体拆卸式具有预判功能的密封技术。轴承的密封采用密封支架形式的结构，容易更换密封件，共采取五道密封措施和观测孔结合的形式，在轴承最后一道密封前设置观测孔，当前面四道密封件损坏，粉体从观测孔流出秤体外面，提醒维修工更换密封件，从而保证了轴承的终身使用寿命。
自动校正式轴头连接。驱动轴和分格转子采用独特的轴头连接，相比键连接的强度要高，寿命要长。该结构能随着转子和密封板的磨损而自动调整，因而从结构上保证了设备的长寿命。
该装置完全密闭，解决了同类产品现场易漏料现象;独特内部结构，配合流量阀控制解决了易跑冲料现象。在遇到窑况不好时，系统响应快速能及时加减料。
带预期控制功能的自动控制系统。系统将任何时刻通过分格转子称重区的粉体重量都由称重装置计量下来，通过预期控制原理，该系统可对任何波动给予校正以提高精确度。通过对瞬时粉体的不间断称量，采用积分分离的PID算法，连续监视和控制转子的转速，从而保证了系统的控制精度。
系统可靠性高、抗干扰能力强，保证了运行的稳定性和准确性，计量控制范围宽，有效地稳定了生料入窑喂料量，调校容易。称重采用一次杠杆，零点非常稳定，标定调校后基本不需经常标定，运行一直非常稳定准确。
轮辐转子计量装置通过了安徽省计量科学研究院和安徽省产品质量监督检验研究院的检测，符合相关的标准和技术规范的要求。以本装置为主要成果的科研项目项目已通过省级科技成果鉴定，鉴定结论为总体技术达到同类系统的国际先进水平。
5 轮辐转子式入窑生料计量与定量给料系统应用分析
轮辐转子式入窑生料计量与定量给料系统研制成功后投入多条日产5000吨左右熟料水泥生产线运行，如新泰中联泰丰水泥有限公司、沂南中联水泥有限公司、山东鲁碧建材有限公司等。其中沂南中联水泥有限公司是世界500强企业中国建材集团旗下的中国联合水泥集团有限公司的控股子公司，总投资7.28亿已建成带9MW纯低温余热发电的4500t/d熟料生产线，并于2013年5月正式投产，是一条世界低能耗示范线。其入窑生料采用轮辐转子入窑生料计量与定量给料系统工艺，自运行投产以来，无任何故障，计量准确、定量给料稳定。下文以该应用工艺为例，就应用情况以及运行考核指标进行分析。
a) 系统工艺
该水泥有限公司4500t/d入窑生料计量采用我公司轮辐转子式入窑生料计量与定量给料系，投入使用后，运行稳定、计量准确，生料投料量稳定在380t/h左右，熟料产量突破5500t/d。该公司生料定量给料系统工艺流程如图5所示。
该生料计量与定量给料系统由主路和旁路组成。稳流仓、手动闸板阀、气动开关截止阀、电动流量调节阀、布风斜槽、PWF1930轮辐转子计量装置和控制系统组成主路，用于入窑生料的计量与定量给料，由固体流量计等设备组成旁路系统作为备用。
1、稳流仓 2、手动螺旋闸阀 3、气动开关截止阀 4、电动流量调节阀
5、布风斜槽 6、转接溜子 7、轮辐转子计量装置 8、下料溜子 9、固体流量计
图5 PWF1930轮辐转子式入窑生料计量与定量给料系统工艺图
b) 应用考核
在运行曲线图中，轮辐转子秤的给定和反馈曲线基本重合，黄色曲线为提升机电流1反馈，青色曲线为提升机电流2反馈，由图中曲线可知整个喂料流量跟踪稳定、快速，提升机电流比较稳定。此外，该控制系统具有远程诊断功能，我们可监控喂料系统使用情况，即时提供技术支持，系统运行实物和曲线图如图6所示。
图6 PWF1930轮辐转子式入窑生料计量与定量给料系统现场实物和运行曲线图
6 结束语
轮辐转子式入窑生料计量与定量给料系研制成功，并成功应用于日产5000吨熟料生产线的入窑生料定量给料，改变了大型水泥生产线入窑生料计量依赖冲量计的历史，产品系列化后可应用于各种规格水泥生产线的入窑生料的计量与定量给料。
参考文献
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