ZJ-60智能制漿站在盾構工程泥漿制備中的應用

肖桂華 朱科 朱友文 甘虎

摘要：泥水盾構大型制漿池制漿普遍采用人工制漿模式，占用制漿場地大，生產效率低，操作人員多，工作環境揚程嚴重，物料生產量不能精確控制。該文通過全自動制漿站的應用，對主要設備參數進行系統設計，優化制漿站的結構，全自動控制制漿流程，其創新的雙制漿機結構可以保證制漿過程不間斷。操作人員減少到1人，功能性及經濟性的提高對推廣全自動制漿模式在盾構工程泥漿制備中有借鑒作用。

關鍵詞：全自動制漿? 制漿流程? 稱重傳感器組? 一鍵制漿

中圖分類號：TH3? 文獻標識碼：A

Abstract： The artificial pulping mode is generally adopted to produce pulp in slurry shield large pulping pool， which occupies a large pulping site， has low production efficiency， has many operators， has serious a working environment head， and cant accurately control material production. Through the application of the automatic pulping station， this paper systematically designs the main equipment parameters， optimizes the structure of the pulping station， and automatically controls the pulping process. Its innovative double pulping machine structure can ensure the continuous pulping process， the number of operators is reduced to one person， and the improvement of functionality and economy can be used as a reference to popularize the automatic pulping mode in the slurry preparation for shield engineering.

Key Words： Automatic pulping; Pulping process; Weighing transducer group; Pulping with one button

北京某泥水盾構制漿池需要配制膨潤土漿，配制好的漿液需要存儲在2 500 m3儲漿池中，要求膨潤土漿水灰比質量比為15，每小時制漿能力不低于60 m3/h，需要采用全自動控制方案，制漿場地100 m2內（長寬10 m×10 m），對制漿過程中的水量及膨潤土量實時統計，同時操作人員不超過兩人，根據上述要求，筆者團隊成功研制了ZJ-60全自動制漿站，該系統運行一年來，工作可靠，操作人員少，綜合成本低，獲得客戶好評。

1 ZJ-60智能制漿站的組成

制漿站主要由料倉，螺旋輸送機，清水泵，高速制漿機，循環泵，氣動閥組等組成（見圖1所示）。膨潤土由移動罐車通過粉倉上灰管（9）輸送入料倉內。高速制漿機內的循環泵（4）通過氣動閥組合可以分別形成內循環管路（5）及輸漿管路（6），制好的膨潤土漿沿著輸漿管路輸送到大型儲漿池（7）內膨化，大型儲漿池（7）配置有攪拌行車（6）可以防止膨潤土漿沉降（攪拌行車不在該文研究范圍）。

1.1制漿站采用兩套ZJ-3000高速制漿機組成

目的是防止制漿設備意外故障時，另一臺制漿設備可以繼續制漿。實踐證明，兩臺高速制漿機同時出現故障概率很小。每套ZJ-3000高速制漿每小時制漿能為36 m3/h，兩組可同時制漿，最大制漿能力72 m3/h。

為了節省場地，選用一個100 t料倉，底部分為兩個獨立下料倉，這樣布置下，場地面積42 m2（長×寬為7 m×6 m）（見圖2所示）。

1.2 ZJ-3000高速制漿機制漿流程

控制系統設定好需要加入的水及灰的質量，制漿系統運行，ZJ-3000高速制漿機的制漿流程為4個流程組成：上水流程、上灰流程、制漿流程、排漿流程[1]。

如圖3可見，先通過進水管路向漿液容器（2）加入水，通過上機架（8）底部的稱重傳感器組（7）檢測加入水的質量，當到達清水設定質量G1時，進水氣動閥（11）關閉。加水流程結束。此時高速攪拌器（1）及循環泵（6）啟動運行，回漿氣動閥（4）開啟，排漿氣動閥（5）關閉，清水通過容器內循環管路（3）在漿液容器（2）內循環。此時加灰流程開始，通過螺旋輸送機（10）勻速地向漿液容器（2）加料，灰下落時一方面被高速攪拌器（1）的葉片剪切分散，另一方面通過循環泵（6）的開式葉輪進行二次剪切。當到達灰的設定質量G2時，螺旋輸送機（10）停止，加灰結束。此時泥漿在上述兩種剪切方式混合后，持續循環一定時間，此流程為制漿流程。制漿流程結束后，通過氣動閥（4）、（5）的切換：回漿氣動閥（4）關閉；排漿氣動閥（5）開啟。泥漿輸出到大型儲漿池內存儲，稱為排漿流程。

ZJ-3000高速制漿機研發過程中，由于循環泵采用剪切泵的結構型式[2]，放置于漿液容器（2）與上機架（8）空隙部位（如圖3所示），集成度很高，通過前期多個項目使用驗證，泵流道部件的耐磨壽命有限，方案最后采用外購成品循環泵代用。側重于使用壽命選用砂泵，葉輪及泵殼材質采用高鉻鉬耐磨鑄鐵，使用一年不需要拆開及更換泵頭零件。在流量與揚程相同參數值時，外購成品泵尺寸大，不能匹配漿液容器（2）與上機架（8）之間的空隙，我們采用圖4分體式方案。置于設備外的循環泵（6），吸漿口（12）和排漿口（13）分別通過軟管聯接的方式同漿液容器（2）與輸漿管路聯接。這種聯接方式對稱重模組（7）的影響降低到最小[3]，同時對設備的維護也很方便。

2 ZJ-60智能制漿站主要設備配置

2.1基礎參數的確定

2.1.1單位時間里制漿次數

按照以往制漿經驗，方案中預設制漿周期為T=5 min（300 s），輸入條件制漿站制漿能力Q0為60 t/h，每小時制漿次數n=Q0/T=60min/5=12次/h。

2.1.2制漿能力分析

每次制漿質量：m=60/12=5t/次，當制漿過程中，制漿設備出現故障會停機維修，制漿站將停止制漿，停止制漿將影響工程進度。如果采用兩臺高速制漿機，每臺制漿能力為3 t/次 ，那么任何一臺出現問題，另一臺高速制漿機會繼續工作，只是制漿能力降低為3×12=36t/h；緊急情況需要快速制漿時，兩臺制漿機制漿能力會達到36×2=72t/h，縮短制漿時間。因此在制漿方案上采用2臺ZJ-3000高速制漿機并聯輸入管路與輸出管路組成ZJ-60制漿系統。

2.1.3 ZJ-3000高速制漿機每次制漿介質質量

根據不相溶解的漿液密度與水灰比公式[4]，計算出膨潤土漿液密度。

μ=μc（w+1）/（μc×w+1）

其中μc為膨潤土的表觀密度，單位g/cm3，μc=3.1；

w為漿液水灰質量比，w=15；

μ為漿液密度，計算出μ=1.044 g/cm3。

3方漿液質量=3000×1.044=3132 kg，其中含水質量=3132×15/16=2936 kg， 膨潤土總質量=3132/16=196 kg。

2.1.4 ZJ-3000高速制漿機四個流程時間分配

總時間∑T0=300s，根據以往制漿經驗，初步設計時間分配（表1）

按上述參數，選取主要設備主參數。

2.2制漿站主要設備配置主參數的確定

2.2.1清水泵主參數

按上述已知條件，50 s內需要輸送2 936 kg的清水，估計泵流量Q1=3600×2.936/50=211 m3/h，根據清水泵樣本，我們選取參數如下：

Q1=240 m3/h，揚程12 m，功率15 kW，此時上水流程t1=44 s

2.2.2螺旋輸送機主參數

按上述已知條件，60 s內需要輸送196 kg的膨潤土，螺旋輸送機輸送能力：

Q2=0.196×60=11.76 t/h

我們與生產螺旋廠家溝通確定，Q2=12 t/h，傾角230，長度3.75 m，功率5.5 kW， 此時上灰流程t2=59 s。

2.2.3 內循環泵主參數

我們希望在60s內ZJ-3000制漿機有一次漿液內循環過程，制漿流程內有至少兩次漿液內循環，循環泵的流量Q3=3×60=180 m3/h，此時排漿流程t4=60 s。按照產品樣本，內循環泵選擇為砂泵，流量Q3=180 m3/h，揚程18 m，功率30 kW。

2.2.4 校核制漿流程時間t3

t3=∑T0-t1-t2-t4=137 s，此時間可以保證循環泵在ZJ-3000內循環2.28次，最終時間分配如表2所示。

2.3 ZJ-60智能制漿站功率配置情況

統計制漿站主要設備功率參數如表3所示。整體設備外觀如圖5所示。

3 ZJ-60智能制漿站控制系統

（1）電氣控制采用西門子S7-200 PLC（可編程控制器），并選用觸摸屏，可以對整個制漿系統流程進行自動控制及時實監控[5]。

（2）在觸摸屏上設置擬物化主畫面，顯示整套系統內所有設備單元的運行、停止、報警等即時狀態，并對液位、物料重量實時顯示。

（3）設計“一鍵制漿”功能鍵簡化操作流程，并設置“一鍵緊急停止”用于安全防護。

（4）在觸摸屏上設置“數據查詢”功能，能對生產系統歷史數據中的灰量、漿量進行查詢，可以通過U盤導出成Excel表格，方便原材料統計分析。

4 ZJ-60智能制漿站與人工制漿比較分析

目前膨潤土制漿站普遍運行的人工進行膨潤土上料，利用文丘里混合器制漿的方式如圖6（a）所示[6]。人工操作前開啟循環泵，讓主管道漿液在高速流動，工人需要把袋裝膨潤土進行破包，然后倒進混合器錐形漏斗里，然后開啟手動入料閥門才能進行混合，例如制膨潤土漿1 000 m3，人工需要倒入4 000包的膨潤土（50 kg/袋），勞動強度大，操作人員大多，制漿時間長，相比全自動制漿綜合成本是很大的，需要為袋裝膨潤土搭建物料倉庫，制漿站的輔助占地面積大，人工破袋工作為全開放空間，粉塵大，工人生產環境惡劣。本制漿站采用移動粉罐車通過管路，氣壓輸送方式上料，例如40 t物料不到1 h可以上滿料倉，極大的降低人員。

也有一些制漿站采用外置料倉及螺旋輸送機的方式來代替人工破袋，如圖6（b）所示，由于沒有配置對粉料質量計量的設備，粉料每次加入量不是很準確，現場采用比重計來監測，例如膨潤土漿液比重由1.044 g/cm3增加0.01，即增加到1.055 g/cm3，水灰比就由15變為12，例如制1 000 m3膨潤土漿，膨潤土會多加入（1/13-1/16）×1000=14.4t，誤差量大會造成生產成本增加。該制漿系統采用稱重傳感器組來計量所有的物料，稱重精度≤1%，保證了制漿中膨潤土的用量，節約了生產成本。

ZJ-60智能制漿站自動運行時，只需一人看守電控柜，另一人對用料情況及設備安全運行情況進行巡視。粉料運行全部在管路中運行，配置布袋式除塵器，工人生產環境良好；如果需要改動漿液比重，在觸摸屏上改動水灰質量比，即可按指定的參數運行，運行綜合成本低。

5 ZJ-60智能制漿站運行情況

客戶新漿池2 500 m3，用本制漿系統35 h可以制備完成，平均制漿能力為71～72 m3/h，超過了額定能力1.2倍。制漿場地為42 m2，極大的節約了場地面積。制漿過程實現了全自動、無粉塵，無污染、全流程自動監控報警。實際操作每班只需1人。

自投入使用以來，更換過一次高速制漿機軸承（更改軸承后操作人員定期潤滑保養）；更換過幾次氣動電磁閥線圈，運行一年來再無其他更換件。

采用稱重傳感器組來計量所有的物料，保證了制漿中膨潤土的用量，節約了生產成本[7]。

6 結語

（1）由兩組制漿機組成的并聯制漿系統，可以防止一組設備在出故障時，另一組設備仍能不間斷制漿工作。也可以在超負荷制漿時，提供1.2倍額定制漿量。

（2）制漿機分散漿液方式采用組合方式，第一種方式采用葉片高速旋轉剪切模式，可以初步對灰與水的混合進行預處理，強力打散粉體，防止形成水包灰的現象，第二種方式采用離心泵葉片循環剪切方式，這里以開式葉輪為主，轉速為1 400余轉，可以充分擴散固液混合物。當對流道的材質采用耐磨材質時，可以保證循環泵超長使用壽命。

（3）控制方式采用上位機觸摸屏，下位機為PLC（可編程控制器）的模式，實現一鍵制漿功能，操作者面對簡單的操作界面，學習起來很方便。同時對制漿人員每班最低配置只需一人。由于采用集中控制方式，場地使用面積緊湊僅需要42 m2。

（4）制漿流程中，粉體，漿液全部在管道中運行，有粉體揚程的位置配置相應的除塵器，工作環境綠色環保。ZJ-60智能制漿站適用于盾構工程泥漿制備中大力推廣。

參考文獻

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作者簡介：肖桂華（1965—），男，本科，工程師，研究方向為泵及制漿設備。