搅拌楼粉料储存输送系统的节能分析与改进

Eq ui p m e nt M a na ge me 设 nt妻 M 管 a in理 te n a n c e维 T e修c h n技 o lo术g y RM CM 一 搅 拌 楼 粉 料 储 存 输 送 系 统 的 节 能 分 析 与 改 进 Ana l y s i s a nd I m pr o ve m e nt o f Ene r g y s a v i ng of Po wde r S t or a ge a nd Tr a ns i t S y s t e m of M i x i ng Pl a nt 刘育贤 车胜创 焦予民 孙 军强 L1 U Yu xi an CHE Sheng chuang JI AO Yu m i n SUN Jun qi ang 1 中 铁 二 十 局 西 安 工 程 机 械 有 限 公 司 陕 西西 安7 1 0 0 3 2 2 长 安 大 学工 程 机 械 学 院 陕 西西 安 71 0 0 6 4 1 Xi a n En g i n ee r i n g M a c hin er y Co L t d o f Chi n a Rai lw a y 2 0 Bu r e a u G r o up Xi a n 71 0 03 2 Sh a a n xi Ch i n a 2 School of Const r uc t i on M achi nery Chang an Univer si t y Xi an 71 0064 Shaanxi Chi na 摘要 为 了解 决 搅拌 楼 站 粉 料储 存 输送 系统 的节 能 问题 根 据机 械 设计 节 能基 本原 理 对沥 青和 水泥 搅 拌 站粉 料 输 送 系统 进 分析 与 改进 通 过 分析 得 出 了现 有粉 料输 送 系统 工作 过 程 中消耗 电能 较高 的原 因 通 过 对现 系统 的 结构 改 进 和 优化 设计 得 到 了相 对 比较 节能 的粉 料输 送 系统 可 为该 系统 的节 能研 究及 产 品研 发提供 新 的方法 Ab s t r a c t I n o r d e r t o ma k e p r o g r e s s i n e n e r g y s a v i n g o f p o wd e r s t o r a g e a n d t r a n s i t s y s t e m o f mi x i n g p l a n t t he s ys t em w as analyz ed i n t er m s of m echanical pr i nci pl e and som e i m pr ovem ent w er e m ade The anal ysi s f i g ur ed out t he r easons f or t he huge consum pt ion of el ec t r i c pow er and som e st r uct ur al ch anges and opt i m i z at ion we r e ma d e i n o r d e r t o c u t t h e c o n s u mp t i o n wh i c h p r o v id e s r e f e r e n c e f o r t h e s t u d y o n e n e r g y s a v in g p r o j e c t I关键词 搅拌站 粉料输送系统 气力输送 螺旋输送机 Ke y wo r d s mi x i n g p la n t p o wd e r t r a n s it s y s t e m p n e u ma t i c c o n v e y in g s p i r a l c o n v e y o r 中 图 分 类 号 U4 1 5 5 2 文 献 标 志 码 B 文 章 编 号 1 0 0 0 0 3 3 X 2 0 1 2 0 3 0 0 7 3 0 5 0 引 言 无论 沥 青 混 凝 土 搅 拌 站还 是 水 泥 混凝 土 搅拌 站 都 有 骨 料 输 送 系统 和 粉 料 矿 石 粉 水 泥 粉 煤 灰 膨 胀 剂 等 存 储输 送 系统 沥 青 混凝 土 搅拌 站还 配 有成 品料 存储 输 送 系统 关 于 沥青 混凝 土 成 品料 存 储输 送 系 统 以及 搅拌 站 骨 料输 送 系统 的节 能研 究 曾有 人 针对 不 同 机型 作 了阐述 但 是 关于 两 种 搅 拌 站 沥 青 混凝 土 搅 拌 站 和 水 泥 混 凝 土 搅 拌 站 粉 料 存储 输 送 系统 的 节 能研 究 则 不 多见 虽然 有 部 分 沥 青 混 凝 土 搅 拌 站 粉 料 存 储 输 送 系 统 已稍 做 了改 进 但仅 是 从 满足 工作 要 求 的 目的 出发 未能按 节 能 的 要 求 从原 理 出发进 行 系 统研 究 和 改进 通 过 对 该 系统 改 进 来 降低 电能 的消 耗 这就 是 本 文 的研 究 目的 1 粉 料 存 储 输 送 系 统 的 节 能 分 析 1 1 粉料 存 储 输 送 系 统 简 介 目前 绝 大 部 分 的搅 拌楼 粉 料存 储 输送 系统主 要 由粉 料 储 存仓 罐 和 粉 料输 送 机 构两 部 分组 成 粉 料 储 存 仓 由料 仓 筒 体 排 气 除 尘 风帽 支 架 进 料 管 道 进 料 口 出 料 口以及 破 拱 装置 等构 成 粉 料 输送 机 构 则 由螺 旋输 送 机 和 电机 构 成 在 工程 应 用 中粉 料 存储 输 送 系统 有 两种 工 作 状 况 一 种 是料 仓 简 体 进 料 口的地 面 高度 为 1 0 m左 右 出 料 口的 地 面 高 度 为 1 m左 右 螺旋 输 送 机 将 离 地 1 m高 左 右 的粉 料 输 送 到离 地 1 0 m高 左右 的计 量 器 或搅 拌 机 内 另 一 种是 料 仓筒 体 进料 口的地 面 高 度 为 1 5 m左右 出料 口的地 面 高度 为5 m左 右 螺旋 输 送 机 将 离 地 5 m高 左 右 的粉 料 输 送 到 离 地 1 0 m高左 右 的 计 量 器 或 搅 拌 机 RM CM 内 两种 情 况 如 图1 所示 图1粉 料 储 存输 送 系 统 1 2 能 耗 分 析 沥 青 混凝 土和 水 泥混凝 土搅 拌设 备 在工 作过 程 中首 先 由外 部 的输 送 装置 散 装 水泥 运 输车 将粉 料输 送 到 高 1 5 m或 1 0 m左 右 的料 仓 入 口进 入 储 料 仓 内 然后 又 从 高 1 m或5 r n 左 右 出 口通 过 螺旋 输 送 机 将粉 料输 送 到 高 1 0 m左 右 的搅 拌 机 内 最 终粉 料 与 其他 材 料 一 起搅 拌 成 为 合 格 的混 凝 土 若 将上 述 过程 消耗 的能量 相 加 就 会 发现 经 过 这些 过程 后 粉料 输送 系统消 耗 的 能量 是将 粉 料直 接 从 地 面输 送 到搅 拌机 或计 量 器 内消 耗 能量 的2 倍 左右 粉 料 的势 能则 在O 一最 大一 较 小一 较 大 的过 程 中 不断 变化 这 与 机械 设计 节 能基 本 原理 相 违背 由 以上 分析 看 出 系统 消耗 的功率 主 要集 中在 粉 料输 送 入储 料仓 内和 由筒 仓输 送至 搅 拌机 两 个过 程 粉 料 由运输 车 罐 内输送 到 筒仓 中主 要靠 气压 卸 料装 置完 成 气 压卸 料 装置 风机 消 耗功 率计 算公 式 为 Q 2 z x P 1 lu b 式 中 风机 消耗 功 率 Q 风量 系 统压 力 损失 叩 风级 效 率 机械 效 率 粉 料 由筒 仓 中运 输 到搅 拌机 的核 心设 备 为螺旋 输 送 机 为 了分析 其 电能 消耗 的过程 必须 对其 功 率进 行 计 算 为此 根据 螺 旋输 送 机 的使 用特 点 将 其抽 象 为数 学 模 型 如 图2 所 示 7 4 图 2螺 旋 输 送 机 简 化 模 型 螺旋 输送 机 的消耗 功 率计 算 公式 为 N o c o L H 2 367 式 中 螺 旋输 送 轴所 需 的 功率 9 输送 量 功率 系数 在 1 2 1 4 之间选 取 物 料 的阻 力 系 数 水 泥 沙 子 取3 2 煤 灰 矿 渣 粉取4 0 螺 旋输 送 机 的水 平投 影 长度 日 螺旋 输 送机 的垂直 投 影 高度 考虑 到机 械 系统 的 效率 螺 旋输 送 机所 需 的额 定 功 率 可按 公 式 3 计算 一 No N 3 一 f 式 中 螺旋 输 送 机 的额 定功 率 叩 机械 系统 的效率 通 常选 取0 9 4 分析 系统 能量消 耗和 由公 式 1 和 2 不难 发 现 输送 系统 的功率消 耗主 要 由气 力和螺旋 输送 两部分 组成 对于 输送 量相 同的 螺旋 输送 系统 其 消耗 功率 与粉 料 的运 行功 率和 粉 料提 升功 率 有 关 对 于输 送 量相 同的 气 力输 送 系 统 其 消耗 功 率 与粉 料 的输送 距 离 或高 度 有关 由此 可 得 螺旋 和 气 力两 种输 送 系统 所 消耗 的 功率 大 小主 要取 决 于 粉料 的输送距 离和 高度 由于 粉料 的输送距 离和 高度又 与 储存 粉料 仓 的入料 口和 出料 口以及 搅拌机 的入 料 口有 关 所 以粉料 输送 系统消 耗 功率 的 大小 主 要取 决于 三 者 间 的 高度 及距 离 入 料 口与出料 口之 间的距离 在设 计搅 拌设 备时 由于成 品 料 装运 和对 粉 料计 量 的要 求 搅 拌 机 的入 料 口高度 已基本确 定 粉料 仓 的入料 口和 出料 口耍考 虑其 储 存量 且 与散 装 水泥运 输车 的运 送量 匹配 因此 要 在保 证物料输 送量 Q 不变 的情况 下 达 到节 约 电能 的 目的 应 对 气力输 送 螺旋 输送 和粉 料仓三 者进行 共 同分析和设 计 2 储 存 输 送 系 统 局 部 节 能 改 进 设 计 针 对粉 料 存储 输送 系统 根据 机 械 设计 节 能基 本 原 理 可 知 当 系统 的势 能 和 管 道压 力 气 力 为 常数 或 在 最 小 区域 内变化 系统 能量 损 失较 小 则 维 持 系统 正 常工 作 所 需输 入 的功 率 将会 降低 系统 能量 将 得 到充 分 利 用 机 器 性 能 将 提高 从而 达 到 节 能 的 目的 2 1 节 能 原 理 在 设 计 螺 旋 输 送 机 中 的应 用 由于 系 统 势 能在 较 小 范 围 内变 化 维 持 系统 正 常 工 作 所输 入 的功 率 会 降 低 因此 根据 储 存 输 送 系 统 的 工 作 要 求 结 构 以及 能 耗 损 失 等 特 征 对 螺 旋 输 送 机 进 行 节 能优 化 设 计 若 在 螺旋 输 送 机进 口和 出 口之 间增 加 一 个 入 料 口 储 存 料 仓 的 粉 料将 分 别从 螺 旋 输 送 机 的底 部 进 料 口和 中部 进 料 口通 过 螺 旋 输 送 机 输 送 到 计 量 器 或 搅拌 机 内 此 时螺 旋 输送 机 的粉 料 输 送 量 p 则 由 中部 进 料 口输 送 量 Q 和底 部 进 料 口输 送 量 Q 两 部 分 组成 同时 在 料仓 中部 设 计 1 个 出 料 口 与 螺 旋 输 送 机 的 中部 进 料 口相 对 应 改进 后 当料 仓 粉 料 满装 时 粉 料 从 中部 出料 口通 过 接 管 进 入 螺旋 输 送 机 上 的进 料 口 将 输 送 量 为 Q 的粉 料 输 送 到 计 量器 内 当螺 旋 输 送 机 将 输 送 量 为 Q 的 粉 料 输 送 结 束 料 仓 中 部 出料 口与 螺 旋 输 送 机 上 边 的 进 料 口 自动 关 闭 料仓 底 部 出料 口与螺 旋输 送 机 底部 进 料 口 同步打 开 将 输 送量 为p 的粉 料输 送 到计 量器 内 这 样 使 得 单位 时 间 内粉料 系统势 能在 较 小范 围 内 变化 将 螺旋 输 送 机 两 个工 作 阶段 粉 料输 送 量 Q 和 以及 在 空 间 的坐 标 代 入 公 式 2 可计 算 出螺 旋 输 送 机 的功 率 消 耗 如 式 4 所 示 n n 0 十 2 to L 日 E o L x 一 y 4 分析 式 4 可得 粉 料 由螺 旋 输送 机 的 不 同入 口输 送 到计 量 器 消耗 的功 率 不 同 优 化 后 的 系统功 率 消 耗 明显 低 于原 来 的 系统 但 是 为 了得 出 系统最 小 的 功率 消 耗 还 必须 对 新增 加 的粉 料入 口的位 置 进行 分析确 定 对 于 给定 的螺旋 输 送机 为 了确 定 新 的入 料 口位 置 由式 4 构 造 其对 应 的 数学 模 型 由图3 可 知 新 入 料 口坐 标 一 l 日一 日 的 变化 范 围为 0 L Y的变 化范 围 图3节 能 型 输 送 系 统 数 学 模 型 E q u 胁e n t Ma n a g e me 设 n t M 管 a in 理 t e na nce 维 Te 修 c h n 技 o l o 术 gy RM CM i衄 一 一 l 为 0 日 根据 l 的 变化 范 围求 出 在 这 一组 值 中 使 得 系统 的总 功 率 消 耗 最 小 时 对 应 的 和 Y 值 即是 所 要 求 的螺 旋 输送 机 对 应 的 物料 入 口点 为此 在MA T L A B中编 写程 序 可 知 此 系统 功率 随 着 系统 势 能 变化 的功 率 曲 线 进 而 得 出其 最小 值 即 为所 求 根 据 工程 设 计 经验 目前 最 流行 的粉料 输 送 系统 是 0形截 面 的 螺旋 输送 机 其 机 壳采 用 无缝 钢 管 机 壳尾 部 进 口通 过 球 形绞 链 与筒 仓 翻板 门连 接 头部 出 口通 过 帆 布 袋 柔软 连 接通 向主体 上 的 粉料 秤 斗 安 装倾 角 一般 在 3 0 o 4 5 之 间 必 要 时 可J 2 6 0 螺 旋 的长 度 不 应超 过 1 4 m 螺旋 转速 的范 围 一般 为1 5 0 3 0 0 r a d mi n 螺旋 节 距 t O 8 D 根 据工 程 经验 螺旋 在 不 同 安装 倾 角 的输送 能力 计 算值 为 Q 1 7 3 8 D3 n Q 1 3 3 3 D3 n Q 1 1 2 8 D 根 据 上述 计 算 取值 取 安 装 倾 角 为4 5 螺旋 直 径 为 2 0 0 mm 转 速 为 2 0 0 r a d mi n 取 1 3 煤粉 料 阻 力 系数 取4 0 通 过 MA T L A B 仿 真 可 求 出系统 消 耗 功率 最 小时 对 应 的点 l 即可确 定 螺旋 输 送 机对 应 的开 口布 置 其 仿 真 结 果 如 图 4 所 示 横 增加的八料 口高度 m 图4螺 旋 输 送 机 进 料 口位 置 不 同 功 率 消 耗 曲线 由仿 真 结 果可 知 系 统消 耗 的功 率 随着 新 增 的 入料 口高度 的增 加 而直 线 下 降 直至 达 到最 高 点 时 也 就 是 系 统 的初 始 势 能最 小 时 该 条 件下 系 统 的总 消耗 功 率最 小 根 据 此 结 果 并 依 据 工 程 设计 经验 考 虑 成 本 可 靠 性 等 方面 的 因素 在 符 合 设计 理 论 的前 提 下 结合 工 程 实 际条 件 可尽 量 使 系统 消耗 功 率 降到 最 小 2 2 节 能 原 理 在 气 力 输 送 机 中 的应 用 粉 料 气 力输 送机 是 利 用具 有 一定 压 力和 速 度 的气 流 来 输送 粉 粒 体 一 般 由供 料 装 置 输 送 管 接 进 灰 管 分 离机 空 气动 力 源4 部 分组成 为 了使 气 力输 送 机 消耗 功 率 降低 除 了依据 系统 势能 和 管道 压 力 在较 小 范 围 内 的变 化 以及 相 关参 数外 还 应 考 虑粉 料 输送 的距 离 或输 送 管 的长 短 假 设 现 有散 装水 泥 运输 车 卸 装料 装 置在 单 位 时 间 的输 送 物料 量 Q不 变 卸 料 高度 不小 于 1 5 m 水 平距 离 5 m 根据 节 能 原理 若 要使 运输 车 发 动机 在 驱动 气 压 卸 装 料 装 置 实现 节能 要 求 应使 卸 料 高度 与水 平 距 离 之和 RM CM 誊 茇 减 小 可 以采用 以下3 种 方法 1 在 气压 卸 装 料 时 特 别是 卸 料 时 使 水平 输 送 距 离 J 于 5 m 2 为 了使 卸 料 高 度 降 低 应 对 储 存 料 仓 进 料 口的 高 度 进行 重 新设 计 在 储 存料 仓 满足 使用 要 求 的情 况下 实现 进料 口的高 度 降低 3 当储 存进 料 口的高 度 确 定 应 在 料 仓 筒 壁 内设 计 两 个 进料 口 中间 为第 一进 料 口 顶部 为第 二进 料 口 2 3 节 能原 理 在 设 计 料 仓 中的 应 用 储 存料 仓 一般 为 圆柱 型 简称筒 仓 由上 述 分析 可 知 料 仓进 料 口的高度 会 影 向 气 力输 送机 的消耗 功率 并 使粉 料 具有 料 仓 出料 口高 度 的势 能 造 成 料仓 进 料 口与 出料 口高度 之差 的势 能损 失 料仓 出 料 口的高 度 是影 响 螺旋 输 送消 耗 功率 的主 要 参数 由此 分析 可得 料 仓进 料 口与入 口的两 个高 度直 接 影 响气 力输 送机 和 螺旋 输送 的 消耗 功 率 以及 粉料 势 能 的损 失 同时 鉴于 料仓 进 料 口与 入 口的两个 高 度决 定 料仓 储存 量 且还 要 与散 装 水泥 运 输 车运 输量 匹配 所 以应 在综 合 分析 的基 础 上对 料仓 以 及进 料 口与入 口高度 进行 设计 根据 节 能原 理 采 用 以下 3 种 方 法 1 料仓 容积 为 常数使 顶部 进 料 口降低 的 分析设计 若 料筒 仓 半径 为r 筒 仓高 为h 则 料仓容 积 为V r Z h 而 有 的 搅拌站往 往 对 同一种粉 料配 置两 个料 仓 两 个料 仓容积 则 为一 个料仓 的2 倍 此 时用2 个料仓 钢板优 化 设计 为一个 大 的圆筒 料仓 其 容积 则 为原 料仓 的4 倍 根据 实际情 况还 可 将其 形状设 计 为如 图5 所 示 的形式 其容 积为原 料仓 的3 倍 鉴于两 个料 仓优 化 为一个 大料仓 容积 是原料仓 的3 4 倍 故优 化 后大 料仓 容 积在 满 足工 作容 积 的情 况 下 可 以 根 据运输 要求将 顶部进 料 口降低 优 化后 料仓轮廓线 料仓轮廓线 l 图 5将 两 个 料 仓 优 化 为 三 个 料 仓 2 料 仓 容 积 为 常 数 并 增 加 进 料 口的 分 析 设 计 为 了使 气 力输 送机 输送 距 离缩 短 消 耗 功率 降低 应在 料 仓筒 壁 中部 设 计一 进 料 口 为第 一进 料 口 将 顶部 原 进料 口定 义为第 二 进 料 口 3 料 仓 容 积 为常 数 使 出料 口为 多个 的 分析 设计 为 了使 料 仓 内上 部 粉 料 所具 有 的势 能损 失降 低 到 最 低 螺 旋 输 送 机 要在 完 成 相 同 输 送 量 的过 程 中 实 现 节 能 要 求 应在 料仓 筒 壁 中部 设计 第 一 出料 口 将底 部 原 出料 口 定 义 为第 二 出料 口 3 粉 料 存 储 输 送 系 统 整 体 节 能 改 进 设 计 通 过 以上 对粉 料 存储 输送 系统 三个 主 要组 成部 分 的 分析 和 优 化设 计 分 别得 到 了气 力 输送 机 料 仓 螺旋 输 送 机 在工 作 工程 中将 消耗 功 率 降低 的设 计 方案 但是 针 对 目前粉 料储 存输 送 系 统进 出 料 口较 高和 进 出料 口较 低 两种 情 况运 用上 述 方法 能 否取 得较 明 显节 能效 果 还 应 对 两种 情 况 存储 输 送 系 统 的 实际 情 况进 行 具 体 分 析 然 后 改 进 系 统 设 计 3 1 进 出 料 口 较 高 进 出料 口较 高 的粉 料 存储 输送 系 统主 要应 用 于水 泥 混凝土 搅拌站 或部 分沥青 混凝土搅 拌站 对其 改进应 分两 种情况 考虑 一种 为对 现在 正在应 用 的存储 输送 系统进 行 改进 另一种 则为 以后生产 新 的储 输送 系统 的改进设计 1 对 于 正在 应用 的存 储 输 送 系统 只 要 将 螺 旋 输 送机 拆 下 在 其 中部 配置 新 的进 料 口 并通 过 一个 口径 较 大 的进 灰 管 与 料 仓筒 壁 中部 设计 的第 一 进 料 口连通 同 时 在气 力输 送 的进 灰 中部 管设 计 第一 进 料 口 即可 实 现 运 输车 与 螺旋 输送 机 的油 耗和 电能耗 降低 如 图6 所 示 该 方 案 也 适 用 于 以 后 生 产 存 储 输 送 系 统 的 设 计 管第 料 口 管第 料 口 图 6士 罾加 进 出 料 n 方 粟 2 对 于 以后 生 产 存储 输 送 系统 根 据 料 仓 与粉 粒 物 料运 输 车罐 内容 积 匹配 关 系 以及 同类 料 占两 个 料仓 等 因素 可将 料 仓 优 化设 计 图 7 使 气 力输 送 机 的 进 料 口 降低 实 现气 力输 送机 油 耗 降低 以及 螺旋 输 送 机 电能 耗 降 低 的 目的 3 2 进 出料 口较 低 进 出料 口较 低 的粉 料存 储输 送 系统 目前 主要 应 用于 中型 沥青 混凝 土搅拌 站 和 中小 型水 泥 混凝 土 搅拌 站 对 其 改进也 应 分 两种情 况 考 虑 一种 为 对现 在 正在 应 用 的 图7优 化 料 仓 方 案 存 储 输送 系统进 行