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高健1，郭強1，張勇2，李剛2，楊天亮2
（1.國能壽光發(fā)電有限責任公司，山東壽光262700；2.煙臺龍源電力技術股份有限公司，山東煙臺264006）
摘要：在人類生產(chǎn)和生活中產(chǎn)生大量有機廢棄物，將有機廢棄物轉(zhuǎn)化為生物質(zhì)粉體燃料耦合燃煤鍋爐發(fā)電是一種有效的處理方式。為了保證燃煤鍋爐摻燒生物質(zhì)粉體燃料能夠穩(wěn)定燃燒，需要對生物質(zhì)粉體燃料進行準確稱量。文章針對現(xiàn)有粉體物料計量技術進行分析，選取轉(zhuǎn)子秤作為生物質(zhì)粉體燃料最佳計量技術。通過自行搭建轉(zhuǎn)子秤稱量試驗系統(tǒng)，得到轉(zhuǎn)子稱最大計量精度偏差為0.141%，滿足項目要求。
1背景
生物質(zhì)在替代煤燃燒過程中產(chǎn)生的碳排放與其生長過程中吸收的CO2可視為相互抵消，因此燃煤電廠耦合生物質(zhì)發(fā)電是降低碳排放的一種有效方式[1]。
為避免生物質(zhì)粉體燃料摻燒過多影響燃煤鍋爐穩(wěn)定燃燒，需要對生物質(zhì)粉體燃料進行準確測量。生物質(zhì)粉體燃料的計量與控制一直是個難題。由于粉體燃料的形態(tài)、粒度分布以及表面形態(tài)等原因，導致粉體燃料的物理特性在固態(tài)和液態(tài)之間轉(zhuǎn)換。粉體燃料在儲存過程中容易產(chǎn)生氣體，在粉體燃料間靜電和水分作用下，隨著氣體排出，粉體燃料間內(nèi)摩擦增加，導致團聚和板結(jié)，粉體燃料表現(xiàn)為固體特征。在運輸過程中由于螺旋輸送機葉片的攪動，導致粉體燃料發(fā)生膨脹，粉體燃料間的內(nèi)摩擦急劇下降，表現(xiàn)為液體特征。
粉體燃料的流量控制計量與固體、液體的流量控制計量存在比較大的差異，在工藝和裝備上，需要分別考慮。單純采用絞刀秤、流量計、失重秤或皮帶秤等傳統(tǒng)的計量技術，存在計量不準、給料不穩(wěn)、沖料、跑料等問題[2]。
文章主要針對現(xiàn)有粉體計量技術進行分析，選取出生物質(zhì)粉體燃料最佳計量技術。通過自行搭建轉(zhuǎn)子秤稱量試驗系統(tǒng)對該技術計量精度進行驗證，保證生物質(zhì)粉體燃料準確計量。
2生物質(zhì)粉體燃料計量方式
流量測量技術是一種迅速發(fā)展的科學技術，廣泛應用于工業(yè)、交通和商業(yè)等領域。流量測量技術主要分為傳統(tǒng)流量測量技術和直接計量質(zhì)量流量技術。傳統(tǒng)流量測量技術主要針對流體體積流量進行測量，隨著工業(yè)的迅速發(fā)展，人們對流量測量的精度要求越來越高，傳統(tǒng)的流量測量技術已無法滿足需求。直接計量質(zhì)量流量技術的出現(xiàn)突破了傳統(tǒng)流量測量的局限，滿足人們對流量測量的精度要求，近年來得到廣泛應用[2]。
目前，粉體固體質(zhì)量流量測量儀器主要包括失重秤、皮帶秤、轉(zhuǎn)子稱和沖擊式流量計等。失重秤流量測量技術起源于傳統(tǒng)稱重料斗技術。傳統(tǒng)稱重料斗主要用于稱量料斗中的物料重量，失重秤在傳統(tǒng)稱重料斗原有功能上進一步升級，對料斗中物料的質(zhì)量流量進行測量和控制。失重秤的測量精度可以達到0.5%～1.0%。皮帶秤稱量技術是一種對物料進行連續(xù)自動稱重的流量計量技術。在皮帶輸送物料過程中，皮帶輸送機對輸送物料進行連續(xù)自動稱重計量，通常不需要操作人員干預。轉(zhuǎn)子秤稱量技術通過載料轉(zhuǎn)子對物料質(zhì)量流量進行測量，具有較高的計量精度。沖擊式流量計通過測量物料對擋板的沖擊力對物料的質(zhì)量流量進行計量。沖擊式流量計沖擊力有多種測量方式，主要包括鉛錘分力測量、水平分力測量以及法向分力測量等。目前，水平分力測量擁有較好的測量效果為主要應用方式，部分采用法向分力測量。沖擊式流量計的測量精度優(yōu)于±2%[2]。
皮帶秤的使用精度容易受到秤架結(jié)構(gòu)形式、傳感器精度和性能、電壓和載荷波動、物料附著、皮帶磨損、張力變化以及振動等因素影響，其實際使用精度很低。失重秤容易受到間歇填充計量斗、動態(tài)稱量、安裝和周圍環(huán)境等因素影響，精度無法保證。沖擊式流量計的測量方法定量分析比較復雜，具有較多影響測量精度的不確定因素，并且其理論計算公式與實際標定時的參數(shù)具有較大的差異，在實際使用過程中以物料實際標定參數(shù)為準，經(jīng)驗公式作為參考。沖擊式流量計在短時間內(nèi)無法突破原理上的缺陷。
轉(zhuǎn)子秤主要由上下滑板、減速箱、機殼、計量裝置、料口和傳動裝置等組成。轉(zhuǎn)子秤通過吊裝軸承（起到稱量軸作用）和稱重點（起到稱重作用）懸吊在機殼上。吊裝軸承位于出料口和進料口的中心線上，采用軟接頭將進出料管與系統(tǒng)中其他相應部位進行連接。在管道上安裝彈性補償器防止外力影響轉(zhuǎn)子秤稱量。轉(zhuǎn)子的主軸與減速機的出軸連接，電機前端通過齒形皮帶連接減速機，編碼器安置在電機后端。
隔倉中存在一定數(shù)量的葉片，葉片將隔倉空間劃分為一定數(shù)量旋轉(zhuǎn)的扇形空間。物料在高壓風嘴和自身重力作用下由入料口進入隔倉。變頻器調(diào)節(jié)電機帶動減速機和轉(zhuǎn)子主軸轉(zhuǎn)動，隨著轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動物料填滿隔倉中的扇形空間。當物料轉(zhuǎn)動至出料口時，在風管和重力作用下被送到下一個工序。
在轉(zhuǎn)子秤運轉(zhuǎn)的整個過程中，稱量軸將隔倉一分為二，一半作為物料下料倉時刻充滿物料，另一半與出料口相連，在出料口時已經(jīng)進入下一道工序。因此，轉(zhuǎn)子秤內(nèi)部物料不平衡，導致稱重點受力，對秤體內(nèi)部的物料質(zhì)量可以進行實時監(jiān)測，并且監(jiān)測結(jié)果與轉(zhuǎn)子秤設定值相比可得到轉(zhuǎn)子速率。
采用控制儀表對轉(zhuǎn)子速度以及物料測量進行調(diào)節(jié)。物料質(zhì)量通過實時測量反饋到控制儀表中，控制儀表對物料質(zhì)量信息進行儲存。為了保持物料流量的準確性和穩(wěn)定性，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速通過測量的質(zhì)量信息進行不斷的調(diào)整，避免了其他稱量技術中具有的通用弊病，增強了瞬時流量的穩(wěn)定性，提高了物料計量的精度和準確性。工業(yè)生產(chǎn)需求得到滿足，產(chǎn)品質(zhì)量得到保證，生產(chǎn)效率得到提高。
轉(zhuǎn)子秤定量給料和物料計量系統(tǒng)主要由穩(wěn)料倉、轉(zhuǎn)子秤、變頻器、控制儀表和流量閥等幾部分構(gòu)成。穩(wěn)料倉是一個過程穩(wěn)流儲料設備，由粉體物料特性決定，用來保證下料穩(wěn)定和隔倉中料量充足。自穩(wěn)料倉至入料口的物料流量即轉(zhuǎn)子秤秤體的流入物料量采用流量閥進行控制。閥門開度和通過閥門的物料量為非線性關系，因此流量閥實現(xiàn)了轉(zhuǎn)子秤預給料控制。
編碼器用于檢測電機轉(zhuǎn)速安裝在電機軸尾部。隨著電機轉(zhuǎn)速變化，編碼器產(chǎn)生相應比例關系的脈沖數(shù)，采用控制儀表對脈沖數(shù)進行采集并通過儀表內(nèi)部進行計算得到轉(zhuǎn)子角速度大小，從而實現(xiàn)了速度反饋。控制儀表是整個系統(tǒng)的核心，主要用于現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、故障監(jiān)測以及物料量控制等。稱重傳感器用于將采集到的重量信號轉(zhuǎn)化為電信號，并且將電信號發(fā)送至控制儀表，通過控制儀表對電信號進行進一步處理，計算出物料質(zhì)量。變頻器通過控制儀表給出的電信號，對電機轉(zhuǎn)速進行調(diào)節(jié)。工作人員通過與控制儀表相連接的中控DCS在控制室對控制儀表進行遠程操作，監(jiān)測控制儀表數(shù)據(jù)。
轉(zhuǎn)子秤利用轉(zhuǎn)子葉片將物料分隔至不同的扇形區(qū)域內(nèi)，隨著轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動物料做圓弧運動。轉(zhuǎn)子秤采用水平轉(zhuǎn)子和重力檢測技術，利用杠桿原理對扇形區(qū)域內(nèi)的物料進行稱量，通過傳感器對轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速進行測量，進一步求出物料流量的角密度。由于轉(zhuǎn)子秤的秤體由剛性材料構(gòu)成，物料重量產(chǎn)生的沖擊對其影響很小，保證了轉(zhuǎn)子秤的穩(wěn)定運行。
由于轉(zhuǎn)子秤中的物料種類和氣流對稱量精度沒有影響，因此轉(zhuǎn)子秤可以通過稱重傳感器對隔倉內(nèi)的物料質(zhì)量進行直接稱量。在轉(zhuǎn)子秤葉片的推動下，隔倉中的物料傳輸速度和轉(zhuǎn)子角速度保持實時一致，有利于提高測量精度。轉(zhuǎn)子秤計量技術可以有效地穩(wěn)定物料喂料量，具有可靠性高、控制范圍寬以及運行穩(wěn)定等特點，校驗容易，標定校驗后不需要再次標定[3]。因此，轉(zhuǎn)子秤相比于皮帶秤、失重秤、沖擊式流量計等稱量設備，具有更高的精確度。選用轉(zhuǎn)子秤對生物質(zhì)粉體燃料進行稱量。
3試驗設備及方法
為滿足項目對生物質(zhì)粉體燃料稱量精度要求，通過自行搭建轉(zhuǎn)子秤稱量試驗系統(tǒng)進行轉(zhuǎn)子稱精度試驗研究。
3.1試驗設備
試驗設備主要包括生物質(zhì)暫存?zhèn)}、轉(zhuǎn)子秤、皮帶輸送機、電子吊秤及料斗。
生物質(zhì)暫存?zhèn)}主要用于儲存生物質(zhì)粉體燃料，儲倉容積3m³，內(nèi)部配有攪拌裝置，用于對生物質(zhì)燃料進行攪拌，增加系統(tǒng)下料均勻性。儲倉下部配有電動插板門，用于系統(tǒng)試驗前后物料關斷。
轉(zhuǎn)子秤設計出料為20m³/h，生物質(zhì)粉體燃料密度0.35t/h，實際測試質(zhì)量流量為0～7t/h，設計計量精度±0.5%。
皮帶輸送機主要用于將轉(zhuǎn)子秤稱重之后的生物質(zhì)粉末由轉(zhuǎn)子秤下部輸送出。
電子吊秤采用上海友聲衡器有限公司生產(chǎn)的設備，吊秤最大稱量3t，實際及檢定分度值為1kg，計量準確度等級III級。電子吊秤主要用于對轉(zhuǎn)子秤稱重前后生物質(zhì)粉末進行靜態(tài)稱重。
組裝好的試驗裝置如圖1所示。
3.2試驗方法
采用電子吊秤靜態(tài)稱量料斗重量并將電子吊秤歸零。啟動生物質(zhì)暫存?zhèn)}內(nèi)攪拌裝置，保證生物質(zhì)粉末在倉內(nèi)呈流動狀態(tài)，滿足下料要求。開啟轉(zhuǎn)子秤和皮帶輸送機，保證轉(zhuǎn)子秤和皮帶輸送機運轉(zhuǎn)并顯示正常。打開電動插板門，使生物質(zhì)粉末進入轉(zhuǎn)子秤中開始稱量工作，同時將經(jīng)過轉(zhuǎn)子秤及皮帶輸送機的生物質(zhì)粉末送至料斗中。待生物質(zhì)暫存?zhèn)}內(nèi)粉末全部經(jīng)過轉(zhuǎn)子秤及皮帶輸送機進入料斗后，關閉轉(zhuǎn)子秤及皮帶輸送機。通過電子吊秤靜態(tài)稱量獲得去皮后生物質(zhì)粉末重量M0。通過轉(zhuǎn)子秤控制箱上計量轉(zhuǎn)子秤稱重生物質(zhì)粉末重量M1。通過M0和M1計算轉(zhuǎn)子秤計量精度d，如公式（1）所示。
3.3試驗結(jié)果
本次共進行4次重復試驗，生物質(zhì)粉體燃料稱量重量范圍200～350kg，經(jīng)統(tǒng)計4次試驗結(jié)果如圖2所示。由試驗1至試驗4，生物質(zhì)粉體燃料稱量重量逐漸增加，由212kg增加至341kg。由公式（1）計算轉(zhuǎn)子稱最大計量精度偏差為0.141%，小于轉(zhuǎn)子稱設計計量精度±0.5%，選用轉(zhuǎn)子稱作為生物質(zhì)粉體燃料的計量技術，滿足項目要求。
4結(jié)語
文章通過對皮帶秤、失重秤、轉(zhuǎn)子秤和沖擊式流量計進行分析，選取轉(zhuǎn)子秤作為生物質(zhì)粉體燃料計量技術。通過自行搭建轉(zhuǎn)子秤稱量試驗系統(tǒng)對轉(zhuǎn)子稱計量精度進行驗證，轉(zhuǎn)子稱最大計量精度偏差為0.141%，小于轉(zhuǎn)子稱設計計量精度±0.5%，滿足項目要求。
參考文獻：
[1]郭慧娜,吳玉新,王學斌,等.燃煤機組耦合農(nóng)林生物質(zhì)發(fā)電技術現(xiàn)狀及展望[J].潔凈煤技術,2022,28(3):12-22.
[2]夏如鐵,侯貴斌.幾種大流量粉狀物料計量控制方式淺析[J].水泥工程,2010(3):78-80.
[3]張曉寧,付永領.粉體質(zhì)量流量計綜述[J].測控技術,2006(12):1-4. |
