|
高健1，郭強1，張勇2，李剛2，楊天亮2
（1.國能壽光發電有限責任公司，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：在人類生產和生活中產生大量有機廢棄物，將有機廢棄物轉化為生物質粉體燃料耦合燃煤鍋爐發電是一種有效的處理方式。為了保證燃煤鍋爐摻燒生物質粉體燃料能夠穩定燃燒，需要對生物質粉體燃料進行準確稱量。文章針對現有粉體物料計量技術進行分析，選取轉子秤作為生物質粉體燃料最佳計量技術。通過自行搭建轉子秤稱量試驗系統，得到轉子稱最大計量精度偏差為0.141%，滿足項目要求。
1背景
生物質在替代煤燃燒過程中產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發電是降低碳排放的一種有效方式[1]。
為避免生物質粉體燃料摻燒過多影響燃煤鍋爐穩定燃燒，需要對生物質粉體燃料進行準確測量。生物質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、粒度分布以及表面形態等原因，導致粉體燃料的物理特性在固態和液態之間轉換。粉體燃料在儲存過程中容易產生氣體，在粉體燃料間靜電和水分作用下，隨著氣體排出，粉體燃料間內摩擦增加，導致團聚和板結，粉體燃料表現為固體特征。在運輸過程中由于螺旋輸送機葉片的攪動，導致粉體燃料發生膨脹，粉體燃料間的內摩擦急劇下降，表現為液體特征。
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的計量技術，存在計量不準、給料不穩、沖料、跑料等問題[2]。
文章主要針對現有粉體計量技術進行分析，選取出生物質粉體燃料最佳計量技術。通過自行搭建轉子秤稱量試驗系統對該技術計量精度進行驗證，保證生物質粉體燃料準確計量。
2生物質粉體燃料計量方式
流量測量技術是一種迅速發展的科學技術，廣泛應用于工業、交通和商業等領域。流量測量技術主要分為傳統流量測量技術和直接計量質量流量技術。傳統流量測量技術主要針對流體體積流量進行測量，隨著工業的迅速發展，人們對流量測量的精度要求越來越高，傳統的流量測量技術已無法滿足需求。直接計量質量流量技術的出現突破了傳統流量測量的局限，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，粉體固體質量流量測量儀器主要包括失重秤、皮帶秤、轉子稱和沖擊式流量計等。失重秤流量測量技術起源于傳統稱重料斗技術。傳統稱重料斗主要用于稱量料斗中的物料重量，失重秤在傳統稱重料斗原有功能上進一步升級，對料斗中物料的質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自動稱重計量，通常不需要操作人員干預。轉子秤稱量技術通過載料轉子對物料質量流量進行測量，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于±2%[2]。
皮帶秤的使用精度容易受到秤架結構形式、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、動態稱量、安裝和周圍環境等因素影響，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具有較大的差異，在實際使用過程中以物料實際標定參數為準，經驗公式作為參考。沖擊式流量計在短時間內無法突破原理上的缺陷。
轉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子秤稱量。轉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。
隔倉中存在一定數量的葉片，葉片將隔倉空間劃分為一定數量旋轉的扇形空間。物料在高壓風嘴和自身重力作用下由入料口進入隔倉。變頻器調節電機帶動減速機和轉子主軸轉動，隨著轉子轉動物料填滿隔倉中的扇形空間。當物料轉動至出料口時，在風管和重力作用下被送到下一個工序。
在轉子秤運轉的整個過程中，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，在出料口時已經進入下一道工序。因此，轉子秤內部物料不平衡，導致稱重點受力，對秤體內部的物料質量可以進行實時監測，并且監測結果與轉子秤設定值相比可得到轉子速率。
采用控制儀表對轉子速度以及物料測量進行調節。物料質量通過實時測量反饋到控制儀表中，控制儀表對物料質量信息進行儲存。為了保持物料流量的準確性和穩定性，轉子的轉速通過測量的質量信息進行不斷的調整，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定性，提高了物料計量的精度和準確性。工業生產需求得到滿足，產品質量得到保證，生產效率得到提高。
轉子秤定量給料和物料計量系統主要由穩料倉、轉子秤、變頻器、控制儀表和流量閥等幾部分構成。穩料倉是一個過程穩流儲料設備，由粉體物料特性決定，用來保證下料穩定和隔倉中料量充足。自穩料倉至入料口的物料流量即轉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，因此流量閥實現了轉子秤預給料控制。
編碼器用于檢測電機轉速安裝在電機軸尾部。隨著電機轉速變化，編碼器產生相應比例關系的脈沖數，采用控制儀表對脈沖數進行采集并通過儀表內部進行計算得到轉子角速度大小，從而實現了速度反饋?？刂苾x表是整個系統的核心，主要用于現場數據采集、數據處理、故障監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化為電信號，并且將電信號發送至控制儀表，通過控制儀表對電信號進行進一步處理，計算出物料質量。變頻器通過控制儀表給出的電信號，對電機轉速進行調節。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，監測控制儀表數據。
轉子秤利用轉子葉片將物料分隔至不同的扇形區域內，隨著轉子轉動物料做圓弧運動。轉子秤采用水平轉子和重力檢測技術，利用杠桿原理對扇形區域內的物料進行稱量，通過傳感器對轉子轉速進行測量，進一步求出物料流量的角密度。由于轉子秤的秤體由剛性材料構成，物料重量產生的沖擊對其影響很小，保證了轉子秤的穩定運行。
由于轉子秤中的物料種類和氣流對稱量精度沒有影響，因此轉子秤可以通過稱重傳感器對隔倉內的物料質量進行直接稱量。在轉子秤葉片的推動下，隔倉中的物料傳輸速度和轉子角速度保持實時一致，有利于提高測量精度。轉子秤計量技術可以有效地穩定物料喂料量，具有可靠性高、控制范圍寬以及運行穩定等特點，校驗容易，標定校驗后不需要再次標定[3]。因此，轉子秤相比于皮帶秤、失重秤、沖擊式流量計等稱量設備，具有更高的精確度。選用轉子秤對生物質粉體燃料進行稱量。
3試驗設備及方法
為滿足項目對生物質粉體燃料稱量精度要求，通過自行搭建轉子秤稱量試驗系統進行轉子稱精度試驗研究。
3.1試驗設備
試驗設備主要包括生物質暫存倉、轉子秤、皮帶輸送機、電子吊秤及料斗。
生物質暫存倉主要用于儲存生物質粉體燃料，儲倉容積3m³，內部配有攪拌裝置，用于對生物質燃料進行攪拌，增加系統下料均勻性。儲倉下部配有電動插板門，用于系統試驗前后物料關斷。
轉子秤設計出料為20m³/h，生物質粉體燃料密度0.35t/h，實際測試質量流量為0～7t/h，設計計量精度±0.5%。
皮帶輸送機主要用于將轉子秤稱重之后的生物質粉末由轉子秤下部輸送出。
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子秤稱重前后生物質粉末進行靜態稱重。
組裝好的試驗裝置如圖1所示。
3.2試驗方法
采用電子吊秤靜態稱量料斗重量并將電子吊秤歸零。啟動生物質暫存倉內攪拌裝置，保證生物質粉末在倉內呈流動狀態，滿足下料要求。開啟轉子秤和皮帶輸送機，保證轉子秤和皮帶輸送機運轉并顯示正常。打開電動插板門，使生物質粉末進入轉子秤中開始稱量工作，同時將經過轉子秤及皮帶輸送機的生物質粉末送至料斗中。待生物質暫存倉內粉末全部經過轉子秤及皮帶輸送機進入料斗后，關閉轉子秤及皮帶輸送機。通過電子吊秤靜態稱量獲得去皮后生物質粉末重量M0。通過轉子秤控制箱上計量轉子秤稱重生物質粉末重量M1。通過M0和M1計算轉子秤計量精度d，如公式（1）所示。
3.3試驗結果
本次共進行4次重復試驗，生物質粉體燃料稱量重量范圍200～350kg，經統計4次試驗結果如圖2所示。由試驗1至試驗4，生物質粉體燃料稱量重量逐漸增加，由212kg增加至341kg。由公式（1）計算轉子稱最大計量精度偏差為0.141%，小于轉子稱設計計量精度±0.5%，選用轉子稱作為生物質粉體燃料的計量技術，滿足項目要求。
4結語
文章通過對皮帶秤、失重秤、轉子秤和沖擊式流量計進行分析，選取轉子秤作為生物質粉體燃料計量技術。通過自行搭建轉子秤稱量試驗系統對轉子稱計量精度進行驗證，轉子稱最大計量精度偏差為0.141%，小于轉子稱設計計量精度±0.5%，滿足項目要求。
參考文獻：
[1]郭慧娜,吳玉新,王學斌,等.燃煤機組耦合農林生物質發電技術現狀及展望[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.粉體質量流量計綜述[J].測控技術,2006(12):1-4. |
