ZJ-60智能制浆站在盾构工程泥浆制备中的应用

肖桂华 朱科 朱友文 甘虎

摘要：泥水盾构大型制浆池制浆普遍采用人工制浆模式，占用制浆场地大，生产效率低，操作人员多，工作环境扬程严重，物料生产量不能精确控制。该文通过全自动制浆站的应用，对主要设备参数进行系统设计，优化制浆站的结构，全自动控制制浆流程，其创新的双制浆机结构可以保证制浆过程不间断。操作人员减少到1人，功能性及经济性的提高对推广全自动制浆模式在盾构工程泥浆制备中有借鉴作用。

关键词：全自动制浆  制浆流程  称重传感器组  一键制浆

中图分类号：TH3  文献标识码：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

北京某泥水盾構制浆池需要配制膨润土浆，配制好的浆液需要存储在2 500 m3储浆池中，要求膨润土浆水灰比质量比为15，每小时制浆能力不低于60 m3/h，需要采用全自动控制方案，制浆场地100 m2内（长宽10 m×10 m），对制浆过程中的水量及膨润土量实时统计，同时操作人员不超过两人，根据上述要求，笔者团队成功研制了ZJ-60全自动制浆站，该系统运行一年来，工作可靠，操作人员少，综合成本低，获得客户好评。

1 ZJ-60智能制浆站的组成

制浆站主要由料仓，螺旋输送机，清水泵，高速制浆机，循环泵，气动阀组等组成（见图1所示）。膨润土由移动罐车通过粉仓上灰管（9）输送入料仓内。高速制浆机内的循环泵（4）通过气动阀组合可以分别形成内循环管路（5）及输浆管路（6），制好的膨润土浆沿着输浆管路输送到大型储浆池（7）内膨化，大型储浆池（7）配置有搅拌行车（6）可以防止膨润土浆沉降（搅拌行车不在该文研究范围）。

1.1制浆站采用两套ZJ-3000高速制浆机组成

目的是防止制浆设备意外故障时，另一台制浆设备可以继续制浆。实践证明，两台高速制浆机同时出现故障概率很小。每套ZJ-3000高速制浆每小时制浆能为36 m3/h，两组可同时制浆，最大制浆能力72 m3/h。

为了节省场地，选用一个100 t料仓，底部分为两个独立下料仓，这样布置下，场地面积42 m2（长×宽为7 m×6 m）（见图2所示）。

1.2 ZJ-3000高速制浆机制浆流程

控制系统设定好需要加入的水及灰的质量，制浆系统运行，ZJ-3000高速制浆机的制浆流程为4个流程组成：上水流程、上灰流程、制浆流程、排浆流程[1]。

如图3可见，先通过进水管路向浆液容器（2）加入水，通过上机架（8）底部的称重传感器组（7）检测加入水的质量，当到达清水设定质量G1时，进水气动阀（11）关闭。加水流程结束。此时高速搅拌器（1）及循环泵（6）启动运行，回浆气动阀（4）开启，排浆气动阀（5）关闭，清水通过容器内循环管路（3）在浆液容器（2）内循环。此时加灰流程开始，通过螺旋输送机（10）匀速地向浆液容器（2）加料，灰下落时一方面被高速搅拌器（1）的叶片剪切分散，另一方面通过循环泵（6）的开式叶轮进行二次剪切。当到达灰的设定质量G2时，螺旋输送机（10）停止，加灰结束。此时泥浆在上述两种剪切方式混合后，持续循环一定时间，此流程为制浆流程。制浆流程结束后，通过气动阀（4）、（5）的切换：回浆气动阀（4）关闭；排浆气动阀（5）开启。泥浆输出到大型储浆池内存储，称为排浆流程。

ZJ-3000高速制浆机研发过程中，由于循环泵采用剪切泵的结构型式[2]，放置于浆液容器（2）与上机架（8）空隙部位（如图3所示），集成度很高，通过前期多个项目使用验证，泵流道部件的耐磨寿命有限，方案最后采用外购成品循环泵代用。侧重于使用寿命选用砂泵，叶轮及泵壳材质采用高铬钼耐磨铸铁，使用一年不需要拆开及更换泵头零件。在流量与扬程相同参数值时，外购成品泵尺寸大，不能匹配浆液容器（2）与上机架（8）之间的空隙，我们采用图4分体式方案。置于设备外的循环泵（6），吸浆口（12）和排浆口（13）分别通过软管联接的方式同浆液容器（2）与输浆管路联接。这种联接方式对称重模组（7）的影响降低到最小[3]，同时对设备的维护也很方便。

2 ZJ-60智能制浆站主要设备配置

2.1基础参数的确定

2.1.1单位时间里制浆次数

按照以往制浆经验，方案中预设制浆周期为T=5 min（300 s），输入条件制浆站制浆能力Q0为60 t/h，每小时制浆次数n=Q0/T=60min/5=12次/h。

2.1.2制浆能力分析

每次制浆质量：m=60/12=5t/次，当制浆过程中，制浆设备出现故障会停机维修，制浆站将停止制浆，停止制浆将影响工程进度。如果采用两台高速制浆机，每台制浆能力为3 t/次 ，那么任何一台出现问题，另一台高速制浆机会继续工作，只是制浆能力降低为3×12=36t/h；紧急情况需要快速制浆时，两台制浆机制浆能力会达到36×2=72t/h，缩短制浆时间。因此在制浆方案上采用2台ZJ-3000高速制浆机并联输入管路与输出管路组成ZJ-60制浆系统。

2.1.3 ZJ-3000高速制浆机每次制浆介质质量

根据不相溶解的浆液密度与水灰比公式[4]，计算出膨润土浆液密度。

μ=μc（w+1）/（μc×w+1）

其中μc为膨润土的表观密度，单位g/cm3，μc=3.1；

w为浆液水灰质量比，w=15；

μ为浆液密度，计算出μ=1.044 g/cm3。

3方浆液质量=3000×1.044=3132 kg，其中含水質量=3132×15/16=2936 kg， 膨润土总质量=3132/16=196 kg。

2.1.4 ZJ-3000高速制浆机四个流程时间分配

总时间∑T0=300s，根据以往制浆经验，初步设计时间分配（表1）

按上述参数，选取主要设备主参数。

2.2制浆站主要设备配置主参数的确定

2.2.1清水泵主参数

按上述已知条件，50 s内需要输送2 936 kg的清水，估计泵流量Q1=3600×2.936/50=211 m3/h，根据清水泵样本，我们选取参数如下：

Q1=240 m3/h，扬程12 m，功率15 kW，此时上水流程t1=44 s

2.2.2螺旋输送机主参数

按上述已知条件，60 s内需要输送196 kg的膨润土，螺旋输送机输送能力：

Q2=0.196×60=11.76 t/h

我们与生产螺旋厂家沟通确定，Q2=12 t/h，倾角230，长度3.75 m，功率5.5 kW， 此时上灰流程t2=59 s。

2.2.3 内循环泵主参数

我们希望在60s内ZJ-3000制浆机有一次浆液内循环过程，制浆流程内有至少两次浆液内循环，循环泵的流量Q3=3×60=180 m3/h，此时排浆流程t4=60 s。按照产品样本，内循环泵选择为砂泵，流量Q3=180 m3/h，扬程18 m，功率30 kW。

2.2.4 校核制浆流程时间t3

t3=∑T0-t1-t2-t4=137 s，此时间可以保证循环泵在ZJ-3000内循环2.28次，最终时间分配如表2所示。

2.3 ZJ-60智能制浆站功率配置情况

统计制浆站主要设备功率参数如表3所示。整体设备外观如图5所示。

3 ZJ-60智能制浆站控制系统

（1）电气控制采用西门子S7-200 PLC（可编程控制器），并选用触摸屏，可以对整个制浆系统流程进行自动控制及时实监控[5]。

（2）在触摸屏上设置拟物化主画面，显示整套系统内所有设备单元的运行、停止、报警等即时状态，并对液位、物料重量实时显示。

（3）设计“一键制浆”功能键简化操作流程，并设置“一键紧急停止”用于安全防护。

（4）在触摸屏上设置“数据查询”功能，能对生产系统历史数据中的灰量、浆量进行查询，可以通过U盘导出成Excel表格，方便原材料统计分析。

4 ZJ-60智能制浆站与人工制浆比较分析

目前膨润土制浆站普遍运行的人工进行膨润土上料，利用文丘里混合器制浆的方式如图6（a）所示[6]。人工操作前开启循环泵，让主管道浆液在高速流动，工人需要把袋装膨润土进行破包，然后倒进混合器锥形漏斗里，然后开启手动入料阀门才能进行混合，例如制膨润土浆1 000 m3，人工需要倒入4 000包的膨润土（50 kg/袋），劳动强度大，操作人员大多，制浆时间长，相比全自动制浆综合成本是很大的，需要为袋装膨润土搭建物料仓库，制浆站的辅助占地面积大，人工破袋工作为全开放空间，粉尘大，工人生产环境恶劣。本制浆站采用移动粉罐车通过管路，气压输送方式上料，例如40 t物料不到1 h可以上满料仓，极大的降低人员。

也有一些制浆站采用外置料仓及螺旋输送机的方式来代替人工破袋，如图6（b）所示，由于没有配置对粉料质量计量的设备，粉料每次加入量不是很准确，现场采用比重计来监测，例如膨润土浆液比重由1.044 g/cm3增加0.01，即增加到1.055 g/cm3，水灰比就由15变为12，例如制1 000 m3膨润土浆，膨润土会多加入（1/13-1/16）×1000=14.4t，误差量大会造成生产成本增加。该制浆系统采用称重传感器组来计量所有的物料，称重精度≤1%，保证了制浆中膨润土的用量，节约了生产成本。

ZJ-60智能制浆站自动运行时，只需一人看守电控柜，另一人对用料情况及设备安全运行情况进行巡视。粉料运行全部在管路中运行，配置布袋式除尘器，工人生产环境良好；如果需要改动浆液比重，在触摸屏上改动水灰质量比，即可按指定的参数运行，运行综合成本低。

5 ZJ-60智能制浆站运行情况

客户新浆池2 500 m3，用本制浆系统35 h可以制备完成，平均制浆能力为71～72 m3/h，超过了额定能力1.2倍。制浆场地为42 m2，极大的节约了场地面积。制浆过程实现了全自动、无粉尘，无污染、全流程自动監控报警。实际操作每班只需1人。

自投入使用以来，更换过一次高速制浆机轴承（更改轴承后操作人员定期润滑保养）；更换过几次气动电磁阀线圈，运行一年来再无其他更换件。

采用称重传感器组来计量所有的物料，保证了制浆中膨润土的用量，节约了生产成本[7]。

6 结语

（1）由两组制浆机组成的并联制浆系统，可以防止一组设备在出故障时，另一组设备仍能不间断制浆工作。也可以在超负荷制浆时，提供1.2倍额定制浆量。

（2）制浆机分散浆液方式采用组合方式，第一种方式采用叶片高速旋转剪切模式，可以初步对灰与水的混合进行预处理，强力打散粉体，防止形成水包灰的现象，第二种方式采用离心泵叶片循环剪切方式，这里以开式叶轮为主，转速为1 400余转，可以充分扩散固液混合物。当对流道的材质采用耐磨材质时，可以保证循环泵超长使用寿命。

（3）控制方式采用上位机触摸屏，下位机为PLC（可编程控制器）的模式，实现一键制浆功能，操作者面对简单的操作界面，学习起来很方便。同时对制浆人员每班最低配置只需一人。由于采用集中控制方式，场地使用面积紧凑仅需要42 m2。

（4）制浆流程中，粉体，浆液全部在管道中运行，有粉体扬程的位置配置相应的除尘器，工作环境绿色环保。ZJ-60智能制浆站适用于盾构工程泥浆制备中大力推广。

参考文献

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[7]郑军飞.智能化集成盾构同步注浆系统关键技术研究[D].石家庄：石家庄铁道大学，2019.

作者简介：肖桂华（1965—），男，本科，工程师，研究方向为泵及制浆设备。