ZJ-60智能制漿站在盾構(gòu)工程泥漿制備中的應(yīng)用

肖桂華 朱科 朱友文 甘虎

摘要：泥水盾構(gòu)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(chǎn)效率低，操作人員多，工作環(huán)境揚(yáng)程嚴(yán)重，物料生產(chǎn)量不能精確控制。該文通過全自動(dòng)制漿站的應(yīng)用，對主要設(shè)備參數(shù)進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，優(yōu)化制漿站的結(jié)構(gòu)，全自動(dòng)控制制漿流程，其創(chuàng)新的雙制漿機(jī)結(jié)構(gòu)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(jīng)濟(jì)性的提高對推廣全自動(dòng)制漿模式在盾構(gòu)工程泥漿制備中有借鑒作用。

關(guān)鍵詞：全自動(dòng)制漿? 制漿流程? 稱重傳感器組? 一鍵制漿

中圖分類號：TH3? 文獻(xiàn)標(biāo)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(gòu)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(zhì)量比為15，每小時(shí)制漿能力不低于60 m3/h，需要采用全自動(dòng)控制方案，制漿場地100 m2內(nèi)（長寬10 m×10 m），對制漿過程中的水量及膨潤土量實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)，同時(shí)操作人員不超過兩人，根據(jù)上述要求，筆者團(tuán)隊(duì)成功研制了ZJ-60全自動(dòng)制漿站，該系統(tǒng)運(yùn)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(jī)，清水泵，高速制漿機(jī)，循環(huán)泵，氣動(dòng)閥組等組成（見圖1所示）。膨潤土由移動(dòng)罐車通過粉倉上灰管（9）輸送入料倉內(nèi)。高速制漿機(jī)內(nèi)的循環(huán)泵（4）通過氣動(dòng)閥組合可以分別形成內(nèi)循環(huán)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(nèi)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(jī)組成

目的是防止制漿設(shè)備意外故障時(shí)，另一臺制漿設(shè)備可以繼續(xù)制漿。實(shí)踐證明，兩臺高速制漿機(jī)同時(shí)出現(xiàn)故障概率很小。每套ZJ-3000高速制漿每小時(shí)制漿能為36 m3/h，兩組可同時(shí)制漿，最大制漿能力72 m3/h。

為了節(jié)省場地，選用一個(gè)100 t料倉，底部分為兩個(gè)獨(dú)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(jī)制漿流程

控制系統(tǒng)設(shè)定好需要加入的水及灰的質(zhì)量，制漿系統(tǒng)運(yùn)行，ZJ-3000高速制漿機(jī)的制漿流程為4個(gè)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(jìn)水管路向漿液容器（2）加入水，通過上機(jī)架（8）底部的稱重傳感器組（7）檢測加入水的質(zhì)量，當(dāng)?shù)竭_(dá)清水設(shè)定質(zhì)量G1時(shí)，進(jìn)水氣動(dòng)閥（11）關(guān)閉。加水流程結(jié)束。此時(shí)高速攪拌器（1）及循環(huán)泵（6）啟動(dòng)運(yùn)行，回漿氣動(dòng)閥（4）開啟，排漿氣動(dòng)閥（5）關(guān)閉，清水通過容器內(nèi)循環(huán)管路（3）在漿液容器（2）內(nèi)循環(huán)。此時(shí)加灰流程開始，通過螺旋輸送機(jī)（10）勻速地向漿液容器（2）加料，灰下落時(shí)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(huán)泵（6）的開式葉輪進(jìn)行二次剪切。當(dāng)?shù)竭_(dá)灰的設(shè)定質(zhì)量G2時(shí)，螺旋輸送機(jī)（10）停止，加灰結(jié)束。此時(shí)泥漿在上述兩種剪切方式混合后，持續(xù)循環(huán)一定時(shí)間，此流程為制漿流程。制漿流程結(jié)束后，通過氣動(dòng)閥（4）、（5）的切換：回漿氣動(dòng)閥（4）關(guān)閉；排漿氣動(dòng)閥（5）開啟。泥漿輸出到大型儲漿池內(nèi)存儲，稱為排漿流程。

ZJ-3000高速制漿機(jī)研發(fā)過程中，由于循環(huán)泵采用剪切泵的結(jié)構(gòu)型式[2]，放置于漿液容器（2）與上機(jī)架（8）空隙部位（如圖3所示），集成度很高，通過前期多個(gè)項(xiàng)目使用驗(yàn)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(huán)泵代用。側(cè)重于使用壽命選用砂泵，葉輪及泵殼材質(zhì)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(yáng)程相同參數(shù)值時(shí)，外購成品泵尺寸大，不能匹配漿液容器（2）與上機(jī)架（8）之間的空隙，我們采用圖4分體式方案。置于設(shè)備外的循環(huán)泵（6），吸漿口（12）和排漿口（13）分別通過軟管聯(lián)接的方式同漿液容器（2）與輸漿管路聯(lián)接。這種聯(lián)接方式對稱重模組（7）的影響降低到最小[3]，同時(shí)對設(shè)備的維護(hù)也很方便。

2 ZJ-60智能制漿站主要設(shè)備配置

2.1基礎(chǔ)參數(shù)的確定

2.1.1單位時(shí)間里制漿次數(shù)

按照以往制漿經(jīng)驗(yàn)，方案中預(yù)設(shè)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(shí)制漿次數(shù)n=Q0/T=60min/5=12次/h。

2.1.2制漿能力分析

每次制漿質(zhì)量：m=60/12=5t/次，當(dāng)制漿過程中，制漿設(shè)備出現(xiàn)故障會停機(jī)維修，制漿站將停止制漿，停止制漿將影響工程進(jìn)度。如果采用兩臺高速制漿機(jī)，每臺制漿能力為3 t/次 ，那么任何一臺出現(xiàn)問題，另一臺高速制漿機(jī)會繼續(xù)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(shí)，兩臺制漿機(jī)制漿能力會達(dá)到36×2=72t/h，縮短制漿時(shí)間。因此在制漿方案上采用2臺ZJ-3000高速制漿機(jī)并聯(lián)輸入管路與輸出管路組成ZJ-60制漿系統(tǒng)。

2.1.3 ZJ-3000高速制漿機(jī)每次制漿介質(zhì)質(zhì)量

根據(jù)不相溶解的漿液密度與水灰比公式[4]，計(jì)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(zhì)量比，w=15；

μ為漿液密度，計(jì)算出μ=1.044 g/cm3。

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

2.1.4 ZJ-3000高速制漿機(jī)四個(gè)流程時(shí)間分配

總時(shí)間∑T0=300s，根據(jù)以往制漿經(jīng)驗(yàn)，初步設(shè)計(jì)時(shí)間分配（表1）

按上述參數(shù)，選取主要設(shè)備主參數(shù)。

2.2制漿站主要設(shè)備配置主參數(shù)的確定

2.2.1清水泵主參數(shù)

按上述已知條件，50 s內(nèi)需要輸送2 936 kg的清水，估計(jì)泵流量Q1=3600×2.936/50=211 m3/h，根據(jù)清水泵樣本，我們選取參數(shù)如下：

Q1=240 m3/h，揚(yáng)程12 m，功率15 kW，此時(shí)上水流程t1=44 s

2.2.2螺旋輸送機(jī)主參數(shù)

按上述已知條件，60 s內(nèi)需要輸送196 kg的膨潤土，螺旋輸送機(jī)輸送能力：

Q2=0.196×60=11.76 t/h

我們與生產(chǎn)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(shí)上灰流程t2=59 s。

2.2.3 內(nèi)循環(huán)泵主參數(shù)

我們希望在60s內(nèi)ZJ-3000制漿機(jī)有一次漿液內(nèi)循環(huán)過程，制漿流程內(nèi)有至少兩次漿液內(nèi)循環(huán)，循環(huán)泵的流量Q3=3×60=180 m3/h，此時(shí)排漿流程t4=60 s。按照產(chǎn)品樣本，內(nèi)循環(huán)泵選擇為砂泵，流量Q3=180 m3/h，揚(yáng)程18 m，功率30 kW。

2.2.4 校核制漿流程時(shí)間t3

t3=∑T0-t1-t2-t4=137 s，此時(shí)間可以保證循環(huán)泵在ZJ-3000內(nèi)循環(huán)2.28次，最終時(shí)間分配如表2所示。

2.3 ZJ-60智能制漿站功率配置情況

統(tǒng)計(jì)制漿站主要設(shè)備功率參數(shù)如表3所示。整體設(shè)備外觀如圖5所示。

3 ZJ-60智能制漿站控制系統(tǒng)

（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(gè)制漿系統(tǒng)流程進(jìn)行自動(dòng)控制及時(shí)實(shí)監(jiān)控[5]。

（2）在觸摸屏上設(shè)置擬物化主畫面，顯示整套系統(tǒng)內(nèi)所有設(shè)備單元的運(yùn)行、停止、報(bào)警等即時(shí)狀態(tài)，并對液位、物料重量實(shí)時(shí)顯示。

（3）設(shè)計(jì)“一鍵制漿”功能鍵簡化操作流程，并設(shè)置“一鍵緊急停止”用于安全防護(hù)。

（4）在觸摸屏上設(shè)置“數(shù)據(jù)查詢”功能，能對生產(chǎn)系統(tǒng)歷史數(shù)據(jù)中的灰量、漿量進(jìn)行查詢，可以通過U盤導(dǎo)出成Excel表格，方便原材料統(tǒng)計(jì)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(yùn)行的人工進(jìn)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(huán)泵，讓主管道漿液在高速流動(dòng)，工人需要把袋裝膨潤土進(jìn)行破包，然后倒進(jìn)混合器錐形漏斗里，然后開啟手動(dòng)入料閥門才能進(jìn)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(dòng)強(qiáng)度大，操作人員大多，制漿時(shí)間長，相比全自動(dòng)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(chǎn)環(huán)境惡劣。本制漿站采用移動(dòng)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(jī)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(zhì)量計(jì)量的設(shè)備，粉料每次加入量不是很準(zhǔn)確，現(xiàn)場采用比重計(jì)來監(jiān)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?yōu)?2，例如制1 000 m3膨潤土漿，膨潤土?xí)嗉尤耄?/13-1/16）×1000=14.4t，誤差量大會造成生產(chǎn)成本增加。該制漿系統(tǒng)采用稱重傳感器組來計(jì)量所有的物料，稱重精度≤1%，保證了制漿中膨潤土的用量，節(jié)約了生產(chǎn)成本。

ZJ-60智能制漿站自動(dòng)運(yùn)行時(shí)，只需一人看守電控柜，另一人對用料情況及設(shè)備安全運(yùn)行情況進(jìn)行巡視。粉料運(yùn)行全部在管路中運(yùn)行，配置布袋式除塵器，工人生產(chǎn)環(huán)境良好；如果需要改動(dòng)漿液比重，在觸摸屏上改動(dòng)水灰質(zhì)量比，即可按指定的參數(shù)運(yùn)行，運(yùn)行綜合成本低。

5 ZJ-60智能制漿站運(yùn)行情況

客戶新漿池2 500 m3，用本制漿系統(tǒng)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(jié)約了場地面積。制漿過程實(shí)現(xiàn)了全自動(dòng)、無粉塵，無污染、全流程自動(dòng)監(jiān)控報(bào)警。實(shí)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(jī)軸承（更改軸承后操作人員定期潤滑保養(yǎng)）；更換過幾次氣動(dòng)電磁閥線圈，運(yùn)行一年來再無其他更換件。

采用稱重傳感器組來計(jì)量所有的物料，保證了制漿中膨潤土的用量，節(jié)約了生產(chǎn)成本[7]。

6 結(jié)語

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

（2）制漿機(jī)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(zhuǎn)剪切模式，可以初步對灰與水的混合進(jìn)行預(yù)處理，強(qiáng)力打散粉體，防止形成水包灰的現(xiàn)象，第二種方式采用離心泵葉片循環(huán)剪切方式，這里以開式葉輪為主，轉(zhuǎn)速為1 400余轉(zhuǎn)，可以充分?jǐn)U散固液混合物。當(dāng)對流道的材質(zhì)采用耐磨材質(zhì)時(shí)，可以保證循環(huán)泵超長使用壽命。

（3）控制方式采用上位機(jī)觸摸屏，下位機(jī)為PLC（可編程控制器）的模式，實(shí)現(xiàn)一鍵制漿功能，操作者面對簡單的操作界面，學(xué)習(xí)起來很方便。同時(shí)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(yùn)行，有粉體揚(yáng)程的位置配置相應(yīng)的除塵器，工作環(huán)境綠色環(huán)保。ZJ-60智能制漿站適用于盾構(gòu)工程泥漿制備中大力推廣。

參考文獻(xiàn)

[1]梁興友.門克慶選煤廠水煤漿制漿工藝優(yōu)化[J].煤炭加工與綜合利用，2022（6）：63-66.

[2]趙萬勇，梁允昇，彭虎廷，等.離心泵葉輪葉片軸向切割設(shè)計(jì)方法研究[J].蘭州理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2021，47（6）：31-37.

[3]李仁華，王偉兵.料斗稱重系統(tǒng)的數(shù)字化改造和故障智能診斷[J].自動(dòng)化儀表，2022，43（5）：106-110.

[4]付元初.水利水電工程施工手冊：第一卷[M].北京：中國電力出版社，2004：18-19.

[5]萬瑜.水泥土攪拌樁智能化施工控制系統(tǒng)應(yīng)用研究[D].南京：東南大學(xué)，2019.

[6]周磊，孟家冉.文丘里混合器氣液混合機(jī)理及其數(shù)值模擬與分析[J].山東化工，2022，51（11）：181-185.

[7]鄭軍飛.智能化集成盾構(gòu)同步注漿系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究[D].石家莊：石家莊鐵道大學(xué)，2019.

作者簡介：肖桂華（1965—），男，本科，工程師，研究方向?yàn)楸眉爸茲{設(shè)備。