一種應用于水泥磨機的新型噪聲料位測量系統(tǒng)

  1 引言

  鋼球球磨機是水泥生產(chǎn)制粉的主要設(shè)備，同時也是水泥生產(chǎn)中主要的大功率耗電設(shè)備。由于球磨機具有生產(chǎn)效率高、操作方便、設(shè)備維護簡單、外界環(huán)境影響小等優(yōu)點，現(xiàn)已廣泛應用于電廠、水泥、礦山等行業(yè)的制粉生產(chǎn)中[1]。磨機的料位工況直接關(guān)系著水泥生產(chǎn)的效率，高精度的料位測量系統(tǒng)可以準確反饋磨機料位信息，調(diào)節(jié)磨機確保料位處于最佳的工況范圍內(nèi)，保障水泥磨長期處于高效率、低能耗、安全性能高的工作狀態(tài)[2]。

  然而現(xiàn)有的水泥磨機料位測量系統(tǒng)測量精度低，無法準確反饋磨機料位情況。為了避免磨機發(fā)生堵磨等影響磨機運行的事故發(fā)生，大多數(shù)水泥磨機系統(tǒng)均在比較保守的工況下運行，大程度降低了水泥磨機的工作效率，導致制粉系統(tǒng)長期處于低效率、高耗電的工況。磨機料位測量時影響因素多，無法直接測量料位，現(xiàn)有的磨機料位均采用間接測量。如壓差法、電流法（功率法）、測量溫度法、超聲法、主軸振動法、噪聲法等，通過測量與料位相關(guān)的運行參數(shù)，處理測量數(shù)據(jù)得到磨機的料位信息。然而這些料位的測量方法均存在較大的誤差，比如壓差法、測量溫度法由于時間延遲[3][4]，不能及時反映磨機料位情況；超聲法、主軸振動法、噪聲法受外部干擾影響較大[5][6][7][8]；采用壓差法、主軸振動法、噪聲法等綜合應用的多因素測量法可以精確測量磨機料位信息，且干擾較少，但是這種方法安裝與測量復雜、維護難，難以在水泥磨粉測量系統(tǒng)行業(yè)大批量應用[9][10][11]。

  本文將介紹一種由西安艾貝爾科技發(fā)展有限公司研發(fā)的水泥磨機噪聲料位測量系統(tǒng)，該料位測量系統(tǒng)以噪聲法為測量依據(jù)，濾除不相干的噪聲信號，消除外部干擾因素，大程度的提高料位測量精度，現(xiàn)已成功在多家水泥廠的磨機制粉系統(tǒng)中應用。該噪聲料位測量系統(tǒng)可以連接DCS，將料位信息及時反饋水泥磨機操作者，方便對磨機及時調(diào)整，有效的降低水泥整體生產(chǎn)的成本，保障水泥磨機高效運行。

  2 水泥磨機噪聲料位測量原理

  該水泥磨機噪聲料位測量系統(tǒng)由噪聲傳感器和料位測量系統(tǒng)兩部分組成，料位測量值為磨機內(nèi)物料體積與磨機筒體的體積比值。噪聲傳感器主要用于采集水泥磨機研磨物料時鋼球撞擊磨磨機產(chǎn)生的噪音信號，料位測量系統(tǒng)將測量信號轉(zhuǎn)換成物料信號，實現(xiàn)水泥磨機物料測量。

  2.1水泥磨機噪聲測量原理分析

  水泥磨機研磨物料時，磨機筒體轉(zhuǎn)動帶動筒內(nèi)鋼球、物料運動，當鋼球與物料上升至一定高度時，開始做拋物運動。磨機內(nèi)鋼球與襯板、鋼球與煤粉、鋼球與鋼球相互碰撞產(chǎn)生噪聲，磨機噪聲隨著磨機料位的變化而變化。在水泥磨機料位較少或空磨運行時，鋼球與襯板、鋼球與鋼球碰撞的幾率大釋放的能量高，產(chǎn)生的噪聲大、頻率高，測量信號以中高頻為主；在磨機料位增大時，鋼球與襯板、鋼球與鋼球碰撞的幾率減小釋放的能量減小，產(chǎn)生的噪聲低沉，噪聲頻率小[11]。

  西安艾貝爾科技發(fā)展有限公司研發(fā)噪聲傳感器采用進口硅Microhone芯片，采集噪聲幅度可達150db信號，可覆蓋所有與料位相關(guān)的噪聲信號。噪聲傳感器安裝于磨機鋼球拋落一側(cè)，便于最大程度的采集磨機研磨物料產(chǎn)生的噪聲，減小相鄰磨機干擾與施工雜音信號的采集。噪聲信號傳送至噪聲料位變送器，通過對磨機噪聲信號濾波處理，提取磨機噪聲信號中與料位變化相關(guān)的信號，排除相鄰磨機干擾以及施工雜音影響，提高了料位測量精度。該噪聲傳感器具有測量精度高、結(jié)構(gòu)簡單、維護方便等優(yōu)點，適用于諸如礦山、水泥等噪聲大、環(huán)境惡劣的制粉行業(yè)。

  2.2水泥磨機料位測量原理分析

  噪聲料位測量系統(tǒng)對濾波后的噪聲信號采用頻譜分析法處理。料位測量系統(tǒng)軟件通過對噪聲信號的功率譜及有效頻率段處理，得到水泥磨機相對應的料位信號，并轉(zhuǎn)換成4～20mA的電流信號通過DCS及時顯示料位的具體信息，方便對磨機做出及時調(diào)整。

  料位測量系統(tǒng)軟件包括料位信號的處理和修正，修正得目的是將由煤質(zhì)因素和運行因素引起的測量誤差降到更低的水平，提升噪聲料位測量的精度；料位測量系統(tǒng)調(diào)試，也稱為料位測量系統(tǒng)標定或整定，根據(jù)實際運行工況對料位測量系統(tǒng)的軟件和硬件參數(shù)進行調(diào)整，使測量結(jié)果滿足性能要求。

  3 水泥磨機噪聲料位測量系統(tǒng)的應用

  為了檢驗該水泥磨機噪聲料位測量系統(tǒng)的精度，我們對某水泥廠應用西安艾貝爾科技發(fā)展有限公司設(shè)計的磨機噪聲料位測量系統(tǒng)進行跟蹤測量。磨機料位不同時對應的噪聲測量信號也有很大的差異，該水泥磨機噪聲料位測量系統(tǒng)對不同工況進行標定，方便對磨機的運行狀態(tài)及時判斷。當磨機空磨運行時，磨機料位顯示為30%～50%；當磨機在較飽磨運行時，磨機料位顯示70%～80%；正常運行時，磨機料位顯示為50%～70%。

  3.1水泥磨機噪聲傳感器的安裝

  圖1  水泥磨機噪聲料位計安裝位置示意圖

  噪聲傳感器的位置直接影響測量噪聲信號的品質(zhì)，對料位測量的精度及其重要。噪聲傳感器的安裝位置應選用以下原則：噪聲料位傳感器位于水泥磨機鋼球拋落一側(cè)；噪聲料位傳感器水平安裝位置距磨機入口1/3～2/5筒體處。噪聲料位傳感器安裝高度位于磨機鋼球拋落位置噪聲料位傳感器距離磨機距離為20±5cm。其他硬件設(shè)備依照安裝要求進行安裝，料位信息了解DCS系統(tǒng)實時反饋料位信息。

  3.2水泥磨機噪聲料位測量系統(tǒng)調(diào)試

  待測量對象為某水泥廠水泥鋼球球磨機，磨機規(guī)格是4.2×13m，磨機料位測量系統(tǒng)選用西安艾貝爾科技發(fā)展有限公司研發(fā)設(shè)計的水泥磨機噪聲料位測量系統(tǒng)。對磨機噪聲料位傳感器進行標定，確保輸入料位變送器的噪聲信號均為與磨機料位相關(guān)的測量信號，料位測量信號能準確地、快速地反映磨機的工況。

  圖2 喂料量逐漸減小至零時，磨機料位變化曲線

  圖3 喂料量直接減小至零時，磨機料位變化曲線

  圖2為喂料量逐漸減小時，磨機料位變化曲線。9月15日18：40時磨機料位上升至70%，為了確保磨機正常工作，通過逐漸減少喂料量的方法較少磨機內(nèi)部料位。從18：40時開始喂料量從150t/h逐漸減少，到19：20時喂料量減少到0t/h，磨尾風機開度從18%增大到40%，經(jīng)過45分鐘，料位從70%逐漸減少到55%，在喂料量逐漸減少過程中，磨機料位隨喂料量減小緩慢減小，在喂料量接近0t/h時磨機料位急劇減?。蝗缓笪沽狭繌?t/h增加到150t/h,末位風機開度減少到20%，經(jīng)過25分鐘，料位逐漸從55%增加到65%，在喂料量逐漸增加過程中，磨機料位隨喂料量增加保持不變，在喂料量增加到一定程度磨機料位緩慢增加。

  圖3為喂料量直接減小至0t/h，磨機料位的變化曲線。從9月15日22：30到2011年22：37，喂料量從150t/h直接減少到0t/h，運行4分鐘后，磨機料位從65%逐漸減少到53%；然后喂料量從0t/h增加到150t/h，經(jīng)過30分鐘，料位逐漸增加到62%開始保持平衡。通過調(diào)試可知，西安艾貝爾科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)設(shè)計的噪聲料位測量系統(tǒng)能夠準確、及時地測量水泥磨機內(nèi)物料變化。

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  3.3水泥磨機噪聲料位測量系統(tǒng)在線測量應用

  以應用西安艾貝爾發(fā)展有限公司生產(chǎn)的噪聲料位測量系統(tǒng)的某水泥生產(chǎn)公司水泥磨機為測量對象，分析不同工況時該水泥磨機的料位變化情況，有磨機料位變化曲線如圖4至圖7所示：

  圖4 水泥磨穩(wěn)定運行，料位趨勢曲線

  圖5 水泥磨料位升高停止喂料，料位趨勢曲線

  圖6 水泥磨飽磨運行減少喂料量，料位趨勢曲線

  圖7 水泥磨機運行紊亂，料位趨勢曲線

  水泥磨機研磨物料時，當磨機內(nèi)鋼球的數(shù)量、比例滿足磨機需求時，磨機測量的料位曲線可以反映磨機的實際運行工況。由上述磨機料位曲線可知，圖4，水泥磨機在合適的喂料量時，磨機處于平穩(wěn)運行狀況，喂料量、磨機電流、磨機噪聲料位曲線均平直運行，磨機料位可準確反映磨機正常工作時的料位信息；圖5，磨機內(nèi)物料較難研磨時，中斷喂料量后，料位曲線減小，恢復喂料后再度升高，此時，在磨音料位曲線出現(xiàn)增加趨勢時，應逐步減少喂料量；圖6為磨機發(fā)生飽磨時料位信息曲線，在此5分中內(nèi)磨音料位曲線均處于高料位的運行工況，磨機料位趨近飽和，應立即停止喂料，此時喂料量、磨機電流等曲線均無法反映磨機飽磨運行工況，僅有磨音料位曲線可以準確反映磨機運行狀況；圖7為磨機紊亂時，水泥磨機料位信息變化曲線，此時噪聲料位曲線平穩(wěn)減少，表明磨內(nèi)物料逐步減少，磨況穩(wěn)定后，可以恢復喂料，而其他曲線難以準確反映磨機運行工況。

  4 結(jié)論

  通過檢測不同工況時的料位測量信息可知，該噪聲料位測量系統(tǒng)可以檢測各種復雜工況時水泥磨機料位信息，且能夠準確、及時、穩(wěn)定地測量磨機內(nèi)物料及物料變化。通過DCS反饋的料位信息便于磨機操作者及時地、準確地做出調(diào)整，確保磨機長期處于最佳的工況運行，減小水泥制粉的耗電量，提高水泥生產(chǎn)效率。西安艾貝爾科技發(fā)展有限公司研發(fā)生產(chǎn)的球磨機噪聲料位測量系統(tǒng)可以應用于電廠、水泥、礦山等制粉行業(yè)，對于制粉系統(tǒng)的正常運行監(jiān)測、控制和保護具有非常關(guān)鍵的作用。