失重下料秤在聚乙烯装置中的应用

王长军 申 勤

（中国石化扬子石油化工有限公司电仪中心）

某塑料厂1#聚乙烯C 线装置采用日本三井油化公司的淤浆法高密度聚乙烯工艺，可生产纺丝料5000S、管材料YEM-4902T、氯化聚乙烯专用料等多种牌号的产品。 造粒稳定剂系统设计采用多种粉状单剂在混合罐中搅拌预混，再进入稳定剂加料罐，然后通过失重下料秤加入挤压造粒机组。 由于装置产出的聚乙烯粉料在混炼和造粒前需要配比精确加入相应的稳定剂来保证塑料的稳定性能，因此聚乙烯稳定剂的配料系统成为装置的关键环节，它的稳定运行直接影响到产品质量、效率及物耗能耗等指标。 1#聚乙烯C 线稳定剂加入系统原使用螺杆秤，由于失重秤的给料范围窄，设备控制落后，使得稳定剂的加入量得不到保证，易产生过渡料，严重时还需要造粒停车处理。 为了适应目前的产品需求，重新设计选型， 在1#聚乙烯C 线率先换型为德国申克（Schenck）一体化失重给料秤，但投用初期故障率较高。

1 失重下料秤简介

20 世纪90 年代末， 失重下料秤被引入到我国后，应用于工业过程称重连续计量［1］，开始取代皮带秤、螺旋秤甚至累加秤。 在计量、配料方面的优越性已被广泛认可，并逐步得到推广［2］，作为全新的计量方法逐渐应用于越来越多的物料处理中。 失重式下料秤能够对物料的给料速率进行连续调节，并对输送量进行控制和计量，它也被称为失重式给料秤、失重秤或出料秤。 可用于连续输送粉料、球料、片料、颗粒料和各种纤维。 由于具有精度高、可靠性高、维护量小、节能且能满足高效率高强度实时性强的连续生产，比其他形式的给料机更适应工业坏境和工艺条件，可满足用户较高的使用要求等。 德国申克一体化失重式下料秤最为典型，能够对各种粉状物料实现连续喂料和计量。

失重下料秤的工作原理是将计量料斗和给料机构作为整个秤体， 配置高精度称重传感器，用于实时测量料仓中物料的重量，当物料通过驱动和出料装置从物料出口排出时其重量将会减少， 控制模块通过采集整个秤体的重量信号，计算出失重秤计量料斗内每单位时间内物料重量的减少量为瞬时流量， 再通过各种滤波技术处理，控制模块将单位时间里重量减少的量与所设定的单位时间里需要下料的量进行比较，并调节驱动控制器使其保持一致， 达到精确喂料的目的。计量方式一般分为：重量法和容积法。重量法按计量过程状态分为静态计量和动态计量［4］。

失重式计量加料系统基本组成可分为称重下料装置和控制部分两大部分。 称重下料装置主要包括翻板下料阀、出料螺旋和电机、搅拌（电机）、计量料斗和支架以及连接件等。 控制部分主要由称重传感器、信号放大器、输入输出接口和控制器组成。

申克失重给料机的控制原理如图1 所示，参数对照见表1。 可以看出，L/C（称重传感器测量信号）输入到申克控制器中，当计量料斗内的物料重量低于补料设定值， 失重秤控制模块将锁定给料机速度， 保持下料机构以容积方式给料，同时给出FG（填充命令，即电磁阀信号）打开加料翻板阀进行快速加料。 当计量料斗内物料重量达到高位设定值， 控制器切断信号加料翻板阀关闭。同时，失重秤控制器自动将下料机构切换到称重方式加料。 失重给料秤下料速率通过申克控制器面板设定 （SET）， 当下料量偏离设定值时，控制器通过发出Y（即电机调速信号）信号控制下料电机M 的转速，达到控制下料速率的目的。

图1 申克失重给料机的控制原理

表1 申克失重给料机控制原理参数对照表

2 失重下料秤的特点

从工作原理和结构来看，失重秤兼具静态秤和动态秤的特点。 对于传统的动态称重计量方法，比如皮带秤、冲板流量计及螺旋秤等，虽然具有连续称量、实现工艺高效率工作的特点，但是也存在系统精度不高、维护量大等问题；而静态称重方法，虽然大幅提高了系统测量精度（可达0.1%，甚至更高），但是只能满足间断式的批量给（配）料应用，不能最大程度地满足现代流程工业的高效率高产出要求。 而失重秤的出现，正好兼备了这两者的优点，弥补了它们的缺点。 它的主要优点有：

a. 精度高。 失重秤工作时，料仓的测量实际是在静态下完成的，而且是在上料和下料后各测量一次，根据两个工作状态测得两个重量差值算出流量。 差值与流量给定值误差还可在下一个周期内进行补偿，并且这两个重量测量时间在几分钟内完成，不存在传感器零点漂移、温度漂移等影响，因此可以获得相当高的计量精度，系统计量精度可以达到0.5%，甚至0.2%。

b. 全封闭结构，适合各种恶劣现场。 设备系统全部为钢质，适用环境条件较差的场合，并且具有坚固耐用、维护量小及耐物料高温等特点。

c. 节能降耗。 化工企业是耗电大户，因此节约能源是一个很重要的课题。 由于失重秤采用了全封闭结构，结构简单，无需配皮带秤等相应配套设施，既节省了设备投资又节约了电能，提高了生产效率。

d. 免维护，标定简单。 由于失重秤是通过测量重量的差值来计算流量的物料测量方式，根本不存在诸如皮带秤等动态秤所存在的零点漂移（如皮带跑偏、传感器移位、物料冲击振动、皮带打滑及皮带粘料等影响所致）、 物料粘附及秤体机械结构变形等情况的影响，因而能够保证长期稳定的系统测量精度，基本不需要维护和大量的标定工作。

3 失重给料秤的应用

3.1 改造初期秤体的不稳定因素

1#聚乙烯C 线装置生产21 种常规牌号，每个牌号的树脂加入的稳定剂类型都不相同，有的甚至是由多种稳定剂混合而成的。 稳定剂具有较高粘度，在料斗中由于混合不均匀、堆积密度分布不均从而易导致稳定剂架桥、下料螺杆堵塞。

申克一体化失重下料秤自投用后，运行不够平稳，存在很多问题，具体如下：

a. 计量料斗静态测量跑偏。 在计量秤运行时，失重秤下料补料频次高，超过正常添加范围。停秤后，发现添加15kg 后，计量秤就已经显示满罐，计量秤存在静态测量跑偏的问题［3］。

b. 下料螺杆多次断裂。 失重给料秤投用初期， 控制器报警突然出现加料量为零的现象，工艺设备仪表排除助剂架桥和仪表控制信号的故障后，开秤检查发现加料螺杆断裂。 为及时恢复生产，相继将两套备用螺杆更换上后重新投用失重给料秤，加料螺杆均出现断裂情况。

c. 停秤后，翻板阀仍然补料。 联锁停车或手动停秤后， 若计量料斗内助剂低于设定补料值时，翻板阀仍然进行补料，静态测量和动态补料存在偏差造成跑料等事故的发生，具有很大的安全隐患，也不利于降本增效。

d. 下料量波动较大。 由于现场振动较大，导致下料量波动很大，设定下料量与实际下料量偏差较大。 工艺操作人员要定期调整设定值来试凑下料量，即使这样，下料量仍得不到保证。

3.2 原因分析与应对措施

3.2.1 计量料斗静态跑偏

计量料斗称重使用3 个量程为100kg 的称重传感器进行测量，通过检查发现由于其中一个传感器的安装底座固定有缺陷，存在应力，使得传感器检测的重量大于实际重量，造成料斗称重测量静态跑偏。 重新加工传感器安装底座，传感器可靠安装，确保安装的自由度，不产生应力。 对秤体进行皮重校验、砝码校验（25kg）后，称重仪表指示正常。

3.2.2 下料螺杆多次断裂

下料螺杆驱动电机的转速范围为0 ～2 000r/min，螺杆卸料能力为额定卸料量的3 倍。失重下料秤设计额定下料量为60kg/h。 而工艺正常助剂加入量为22kg/h（以4902T 牌号为例）。 变频器对应下料螺杆驱动电机转速的频率范围是0～50Hz。 则工作频率f工作的计算式为：

其中，n1为螺杆卸料能力与额定卸料量的倍数；F 为额定卸料量；F1为实际卸料量。 将数据代入式（1）后，得出变频器正常工作的频率为6Hz。变频器工作频率低于推荐值10Hz（20%），电机长期运行在低频值，发热量剧增，易损坏电机。 实际工作中由于下料量存在波动，电机工作在频繁的启停中，控制接近于两位控制。 可以断定电机选型错误，能力过大导致变频器频繁启停，加之所加入助剂粘度较高， 螺杆启动扭矩变化非常大，最终导致两副备用螺杆均断裂。

为了避免再次损坏设备，申克厂家重新加工新的螺杆， 将原来的双螺杆设计改为单螺杆设计，螺杆卸料能力改为额定卸料量的1.4 倍。代入式（1）后，算出变频器正常工作频率为11.9Hz。 变频器工作频率高于推荐值10Hz（20%）。 另外，为了避免螺杆启动扭矩大范围变化损坏设备，将变频器f下限限制在3Hz， 避免了螺杆工作期间完全停止的状况。

3.2.3 停秤后翻板阀仍然补料

联锁或手动停秤后，存在翻板阀仍然补料的隐患。 怀疑是失重控制器设置错误，检查设置后发现计量料斗补料翻板阀是由称重高低报警控制， 而补料事件的报警处理级别为W2（Warning2），仅为警告级别，在停秤后达到设定值仍然进行补料。 将控制级别修改为A（Alarm），停秤联锁级别。 考虑到紧急状况下避免出现漏料等环保事故，增加一路控制器DO 信号输出，配置DO8点为控制器运行信号， 该信号故障状态下为OFF。将此信号接入计量料斗搅拌、卸料螺旋及补料翻板阀等外部设备控制回路中，来实现安全可靠停车。

3.2.4 下料波动大

图2 给料速率增加率I 与振动S 的变化曲线

由于搅拌电机和下料螺旋电机同时启动，现场存在较大振动。 而振动对失重给料机给料速率来说影响很大，由于振动S 的存在，给料机下料速率就会增加。 图2 为给料速率增加率I 随振动S 的变化曲线，其中α 为振动补偿系数。

为了解决振动带来的测量偏差，笔者做了以下改进：

a. 由于称重传感器的信号只有不足10mV，容易受到现场来的外部干扰，在现场称重仪表的接线盒内增加了加法器用于消除现场来的信号干扰。

b. 加入DAE 校准。 DAE 是申克控制器内自带的干扰自动消除器。 首先进入菜单“功能分配器”→“校准功能”→输入密码→“DAE 校准”回车启动DAE 校准， 随即系统会自动测量干扰的峰值并计算出干扰的标准偏差，进行补偿。 若干扰较为频繁，则可多次进行校准，系统会自动计算偏差。

c. 加入T-微分滤波器 （对应参数值为H04）。微分滤波器的滤波时间即从称重数值采集到输出给料速率的延时。 延时作用将振动影响过滤。 微分滤波器的微分时间根据经验给出，推荐值为2～10s。 波动大时可适当增大微分时间。

3.3 失重下料秤改进后的使用效果

失重下料秤经上述应对措施改进后，下料量稳定，精度可达到工艺要求，截止目前为止，再未发生漏料和产品质量事故。 申克下料控制器一直投用重量方式，秤体运行稳定，维护量明显降低。

改进后下料称重趋势如图3 所示， 可以看出，稳定剂下料斜率稳定。

3.4 失重下料秤使用经验

笔者总结了失重下料秤在聚乙烯装置中的使用经验：

a. 物料的性质决定了螺杆的类型，电机的转速范围与螺杆的适配关系决定了运行的稳定，只有合理的选型才能满足要求。 另外，工艺对稳定剂生产厂家也必须有相应的物性要求。 本次改造最终的成功是匹配了电机转速范围与螺杆的对应关系。

b. 失重下料秤使用过程中存在着多种干扰，如现场振动大、料斗上下气相压力不平衡及仪表外部信号存在干扰等， 只有认真分析干扰的来源，采用合理、正确的方法抑制干扰，系统才能稳定运行。

c. 现场仪表要按规范安装，这样才能保证仪表测量的准确性。

图3 改进后下料称重趋势

4 结束语

申克失重式下料秤在聚乙烯装置稳定剂加入系统中的应用实践表明， 其工作稳定性好、精度高、维护量小，自带的加料控制器功能强大，能够克服称重测量的偏差，满足聚乙烯多种粘度较大的稳定剂混合配比要求。 但是，实际针对某种工况时也必须考虑设备的使用状况。 通过对螺杆的计算调整，1#聚乙烯C 线装置的稳定剂加料系统运行稳定，未发生因稳定剂加入量偏差导致的产品质量事故。 一体化失重下料秤在石化行业粉末和固体颗粒配料中具有推广价值。