重庆某水库自动制浆站的研制

朱科，袁发菊

重庆某水库自动制浆站的研制

朱科，袁发菊

（三川德青工程机械有限公司，湖北宜昌，443000）

重庆秀山某水库自动制浆站能满足40方/小时时的制浆能力，它可以配制两种物料，全自动流程工作，操作方式为上位机触摸屏。工作两年来，能充分满足制浆需要，本文对制浆站的创新设计及参数计算进行说明，可供类似制浆站借鉴。

全自动制浆站；剪切制浆；帷幕注浆；PLC 触摸屏

引言：

水库位于重庆市秀山土家族苗族自治县，水库大坝位于平江河上。施工单位承接制浆站，需要把配制好的浆液通过注浆泵输送到各施工点，然后各点按要求配制相应水灰比进行帷幕注浆。制浆站制备浆液要求水:灰:粉煤灰质量比为0.5:1:0.33,制浆能力为40方/小时，要求制浆从上水，上灰，制浆，排浆全自动工作,能对历史记录进行查询和统计。根据这些要求，我们成功研制ZDJ-40全自动制浆站，施工两年已圆满的完成制浆任务。

1 ZDJ-40全自动制浆站及ZJ-1500高速制浆机

1.1 ZJ-1500高速制浆机

ZJ-1500高速制浆机是此制浆站主要工作部分，制浆能力为1.5方/次，其工作原理如下(图1)

图1 ZJ-1500工作原理图

制浆机结构：制浆机由剪切泵，高速搅拌器，称重模块，气动联动蝶阀机构，管路组成。气动联动蝶阀机构可分别实现制浆功能（回浆阀开，出浆阀关）和排浆功能（回浆阀关，出浆阀开）。

浆液制浆原理：粉料进入水中需要充分剪切扩散，使浆液密度均匀，才能达到注浆要求，我们这里用剪切泵和高速旋转浆叶联合制浆，高速旋转浆叶负责粉料从螺旋输送机投入时打散，避免粉料落下时形成块，初步打散的粉料与水初步结合后进入剪切泵。浆液充分剪切功能在剪切泵中完成。剪切泵外形和碴浆泵相似，但叶片功能完全不一样。[1]

配料原理:只用一组称重模块分别称桶体皮重,清水重,水泥灰重,粉煤灰重,每到达一种介质规定质量相应机构停止止料。在上水时，高速搅拌器不运转，其余配料流程高速运转。在投料时，投入质量有一个冲击误差，产生一个附加质量，可以把附加质量设定到上位机软件中，实际质量=理论质量-附加质量。

1.2 ZDJ-40自动制浆站制浆流程

本制浆站由水泥灰罐，粉煤灰罐，螺旋输送机，ZJ-1500高速制浆机，清水泵，注浆泵，低速搅拌机，流量计等部件组成。上水，上灰，称重，制浆及排浆过程在ZJ-1500高速制浆机内完成。（见图2）

图2 制浆站流程图

1.2.1 准备阶段：

先通过上位机设定制浆水灰比，上位机自动计算上料所需水的质量G1、水泥的质量G2，粉煤灰的质量G3。

1.2.2 人工启动空压机和清水泵

1.2.3 上位机自检

ZJ-1500制浆机气动联动阀控制在制浆位，制浆桶内质量G0为初始值（设置为G0为皮重，则净重=所称质量-G0）。上位机系统控制潜水泵气动阀打开加水到规定值，位于ZJ-1500制浆机机架底部重力传感器检测到达预定值(G0+G1)时，潜水泵气动阀关闭加水结束。然后上位机系统控制ZJ-1500剪切泵启动，水泥粉料螺旋输送机开始输送，当称重传感器第二次称重检测到达预定值(G0+G1+G2)时，水泥粉料螺旋输送机停止上料, 粉煤灰料螺旋输送机开始输送，当重力传感器第三次称重检测到达预定值(G0+G1+G2+G3)时，粉煤灰料螺旋输送机停止上料。剪切泵持续制浆达到设定制浆时间后，气动联动阀控制制浆机在输浆位泵开始排浆，重力传感器第四次称重检测到达初始值G0时，制浆一个过程结速，制浆机初始化准备下一个制浆循环。[2]

1.2.4 浆液输送：

ZJ-1500制好的浆液输送到大容量低速搅拌机中，通过机械往复泵输送到各个制浆点，制浆点如果距制浆站很远可通过多台泵及搅拌机接力输送。

1.3 上位机系统

电气控制采用PLC控制器，上位机选用触摸屏，实现对制浆设备和工作流程的时实监控。制浆单元包括以下几方面内容：本地手动；远程手动；远程自动。上位机系统可以实现报表查询及数据统计。

2 制浆站参数计算。

2.1 制浆机的参数确定

要求制浆能力为40吨/小时，如果每制一次浆周期为5分钟，

则每小时运行次数n=60/5=12次/小时，每次制浆质量=40/12=3.33吨/次，圆整为3吨/次，则每小时运行次数n=40/3=13.3次取14次，则制浆机容积为3吨/次，制浆能力为42吨/小时。我们可以制做一台制浆能力为3方的制浆机，或两台1.5方的制浆机。根据实际经验做一台3方的制浆机最为简便，但如果此机在工作中出现故障需要停机修理，那么制浆站将不能提供浆液。用两台1.5方制浆机完全可以避免出现无浆可供的现象。所以我们选择两台1.5方制浆机做为工作主机。

2.2 制浆方案配套参数计算

已知浆液要求水：灰：粉煤灰质量比为0．5：1:0.33,每次制备1.5方的体积，则需要计算物料各自质量。根据水灰比公式[3]

w=(μc-μ)/[μc(μ-1)]推出μ=μc（w+1）/(μc×w+1)，其中

μc-水泥，粉煤灰的表观密度3.1g/cm3.

w-浆液水灰比0.5:1.33即0.38:1(因为两种粉表观密度一样，为1.33 )；

μ—浆液密度，这里可计算出μ=1.97 g/cm3,1.5方浆液质量=2955kg,其中含水质量=807kg,灰总质量=2148kg,由于水泥：粉煤灰=1：0.33，则水泥质量=615kg, 粉煤灰质量=2148-1615=533kg.

1.5方浆液中各组分质量明细：

项目水水泥粉煤灰合计 质量（kg）80716155332955

制浆时间分配：

每次制浆周期=40/14=4.29分钟=257秒

项目上水上水泥上粉煤制浆输浆合计 时间（秒）3097326830257

潜水泵流量确定：Q1=807×60/（30/60）=96.8吨/小时，这里选取流量为100方/小时，扬程10米的潜水泵。水泥螺旋输送机输送能力：T1=1615×60/（97/60）=59.9吨/小时，粉煤灰旋输送机输送能力：T2=533×60/（38/60）=50.5吨/小时。这里选取两种螺旋输送机输送能力60吨/小时。浆输浆时间为30秒，要求ZJ-1500的减切泵流量=1.5×60/(30/60)=180方/时，这样在制浆68秒内，ZJ-1500内浆液将有2.3次循环。

低速搅拌器的容量应大于两台ZJ-1500一个周期的制浆量，即容量应大于3方。搅拌叶片转速可选择40-50转/分。

注浆泵的输送能力，即流量应满足3 方浆液在一个制浆周期内运完，这里计算按3方浆在4分钟内运完，则Q=3×（60/4）=45方/小时=750升/分，采用两台泵时每台泵流量为375升/分。泵的压力按帷幕注浆最远点到制浆站沿程损失计算。

3 重庆某水库制浆站布置图

制浆站占地面积为12米（宽）×10（长），布局紧凑。（见图3,图4）

图3 制浆站平面布置图

图4 制浆站现场图

4 ZDJ-40制浆站的特点。

4.1 除PLC为德国西门子，ZJ-1500制浆机联动阀气缸为日本SMC以外，其余部分全部为国内生产件，出现故障更换方便。

4.2 上位机控制采用触屏操作，全自动工作操作方便，一名工人一般三小时以内就会操作。由于电器集成度高,平时此制浆站仅需一人操作。

4.3 用一组3只质量称量模块就能称量多种粉料。

4.4 制浆采用剪切泵制浆，制浆效率高配制密度精确度高。

5 目前国内水电制浆站配置状况。

目前国内制浆站，从乌江渡制浆站的单阶式结构到清江隔河岩制浆站的双阶式结构，各有利弊。

5.1 单阶式结构：

水泥从水泥罐放出后直接落入高速搅拌机内，不需要螺旋输送提升。优点是结构简单运行方便。缺点是整体高度太高需要制作钢制结构框架。

5.2 双阶式结构：

水泥通过螺旋输送提升落入高速搅拌机内。优点是整体高度不高占用场地尺寸不大。水通过定量水表控制体积，灰料单独称重配制精度高。缺点是传感器多，易发生故障。

国内绝大多数制浆站还只是半自动需要三四个人员参与，数据完全由人工来记录。

本制浆站最主要特点：（1）全自动工作：物料按设定密度（或水灰比）自动配料自动制浆，数据可查询可统计。（2）占地面积小。本制浆站占地面积为12米×10米。（3）操作人员少。一般情况只需一名操作者就能操作。

6 使用过程发生的故障问题。使用两年来出现过的故障：

剪切泵的机械密封损坏一次；气动电磁阀损坏一次，称重运算放大器损坏一次,SMC气缸密封件更换一次，我们带着配件到现场更换后可立即投入工作。维修其间，另一台泵一直正常工。现场了解到两台泵同时出故障不能使用的现象还没有发生。

7 结论

重庆某水库自动制浆站能满足40方/小时时的制浆能力，它能配制两种物料，其工作过程为全自动，操作方式为上位机触摸屏。工作期间，两台制浆机一起工作很少出现两台设备同时出现不制浆的现象，保障了制浆站正常工作。本制浆站的研制成功受到客户的肯定。

[1] 朱宏武，离心式低减切泵的设计研究，石油机械，2002第30卷。地基与基础工程第一卷，中国电力出版社，2004年8月北京第一版。

[2] 张桂玉，加气混凝土制浆站控制系统设计，工业控制计算机，2009年第22卷第7期.

[3] 地基与基础工程第一卷，中国电力出版社，2004年8月北京第一版。

[4] 机械设计手册第2卷，机械工业出版社。1991年9月第1版式

[5] 往复泵设计，机械工业出版社。1987年2月北京第一版。

Design of automatic slurrying station in Xiushan’s Hydropower Station,chongqing

ZHUKE，YUAN FAJU

(Safecleen Engineering Machinery Co.Ltd. Yichang Hubei 443000 china )

The slurrying station is located in Xiushan’s Hydropower Station, chongqing,China.This automatic batching plant Capacity is 40 m3/h,It can make two kinds of materials.The plant operation mode is upper computer and touch screen.After two years of work,It can fully meet the needs of slurrying.This article explains the innovative design and parameter calculation of slurrying station, which can be used for reference by similar slurrying stations.

Automatic slurrying station; Shear slurrying ; Curtain grouting PLC ; Touch screen

10.19551/j.cnki.issn1672-9129.2019.03.019

TU99

B

1672-9129(2019)03-0055-04

朱科（1974-）籍贯：湖北省宜昌市；学历：本科；职称：高级工程。E-mail：zgbjyy1234@126.com