1 引言

  鋼球球磨機(jī)是水泥生產(chǎn)制粉的主要設(shè)備，同時(shí)也是水泥生產(chǎn)中主要的大功率耗電設(shè)備。由于球磨機(jī)具有生產(chǎn)效率高、操作方便、設(shè)備維護(hù)簡(jiǎn)單、外界環(huán)境影響小等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于電廠、水泥、礦山等行業(yè)的制粉生產(chǎn)中[1]。磨機(jī)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(cè)量系統(tǒng)可以準(zhǔn)確反饋磨機(jī)料位信息，調(diào)節(jié)磨機(jī)確保料位處于最佳的工況范圍內(nèi)，保障水泥磨長(zhǎng)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(jī)料位測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量精度低，無(wú)法準(zhǔn)確反饋磨機(jī)料位情況。為了避免磨機(jī)發(fā)生堵磨等影響磨機(jī)運(yùn)行的事故發(fā)生，大多數(shù)水泥磨機(jī)系統(tǒng)均在比較保守的工況下運(yùn)行，大程度降低了水泥磨機(jī)的工作效率，導(dǎo)致制粉系統(tǒng)長(zhǎng)期處于低效率、高耗電的工況。磨機(jī)料位測(cè)量時(shí)影響因素多，無(wú)法直接測(cè)量料位，現(xiàn)有的磨機(jī)料位均采用間接測(cè)量。如壓差法、電流法（功率法）、測(cè)量溫度法、超聲法、主軸振動(dòng)法、噪聲法等，通過(guò)測(cè)量與料位相關(guān)的運(yùn)行參數(shù)，處理測(cè)量數(shù)據(jù)得到磨機(jī)的料位信息。然而這些料位的測(cè)量方法均存在較大的誤差，比如壓差法、測(cè)量溫度法由于時(shí)間延遲[3][4]，不能及時(shí)反映磨機(jī)料位情況；超聲法、主軸振動(dòng)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(dòng)法、噪聲法等綜合應(yīng)用的多因素測(cè)量法可以精確測(cè)量磨機(jī)料位信息，且干擾較少，但是這種方法安裝與測(cè)量復(fù)雜、維護(hù)難，難以在水泥磨粉測(cè)量系統(tǒng)行業(yè)大批量應(yīng)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(jī)噪聲料位測(cè)量系統(tǒng)，該料位測(cè)量系統(tǒng)以噪聲法為測(cè)量依據(jù)，濾除不相干的噪聲信號(hào)，消除外部干擾因素，大程度的提高料位測(cè)量精度，現(xiàn)已成功在多家水泥廠的磨機(jī)制粉系統(tǒng)中應(yīng)用。該噪聲料位測(cè)量系統(tǒng)可以連接DCS，將料位信息及時(shí)反饋水泥磨機(jī)操作者，方便對(duì)磨機(jī)及時(shí)調(diào)整，有效的降低水泥整體生產(chǎn)的成本，保障水泥磨機(jī)高效運(yùn)行。

  2 水泥磨機(jī)噪聲料位測(cè)量原理

  該水泥磨機(jī)噪聲料位測(cè)量系統(tǒng)由噪聲傳感器和料位測(cè)量系統(tǒng)兩部分組成，料位測(cè)量值為磨機(jī)內(nèi)物料體積與磨機(jī)筒體的體積比值。噪聲傳感器主要用于采集水泥磨機(jī)研磨物料時(shí)鋼球撞擊磨磨機(jī)產(chǎn)生的噪音信號(hào)，料位測(cè)量系統(tǒng)將測(cè)量信號(hào)轉(zhuǎn)換成物料信號(hào)，實(shí)現(xiàn)水泥磨機(jī)物料測(cè)量。

  2.1水泥磨機(jī)噪聲測(cè)量原理分析

  水泥磨機(jī)研磨物料時(shí)，磨機(jī)筒體轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)筒內(nèi)鋼球、物料運(yùn)動(dòng)，當(dāng)鋼球與物料上升至一定高度時(shí)，開(kāi)始做拋物運(yùn)動(dòng)。磨機(jī)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(jī)噪聲隨著磨機(jī)料位的變化而變化。在水泥磨機(jī)料位較少或空磨運(yùn)行時(shí)，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(cè)量信號(hào)以中高頻為主；在磨機(jī)料位增大時(shí)，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(jìn)口硅Microhone芯片，采集噪聲幅度可達(dá)150db信號(hào)，可覆蓋所有與料位相關(guān)的噪聲信號(hào)。噪聲傳感器安裝于磨機(jī)鋼球拋落一側(cè)，便于最大程度的采集磨機(jī)研磨物料產(chǎn)生的噪聲，減小相鄰磨機(jī)干擾與施工雜音信號(hào)的采集。噪聲信號(hào)傳送至噪聲料位變送器，通過(guò)對(duì)磨機(jī)噪聲信號(hào)濾波處理，提取磨機(jī)噪聲信號(hào)中與料位變化相關(guān)的信號(hào)，排除相鄰磨機(jī)干擾以及施工雜音影響，提高了料位測(cè)量精度。該噪聲傳感器具有測(cè)量精度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，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(jī)料位測(cè)量原理分析

  噪聲料位測(cè)量系統(tǒng)對(duì)濾波后的噪聲信號(hào)采用頻譜分析法處理。料位測(cè)量系統(tǒng)軟件通過(guò)對(duì)噪聲信號(hào)的功率譜及有效頻率段處理，得到水泥磨機(jī)相對(duì)應(yīng)的料位信號(hào)，并轉(zhuǎn)換成4～20mA的電流信號(hào)通過(guò)DCS及時(shí)顯示料位的具體信息，方便對(duì)磨機(jī)做出及時(shí)調(diào)整。

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

  3 水泥磨機(jī)噪聲料位測(cè)量系統(tǒng)的應(yīng)用

  為了檢驗(yàn)該水泥磨機(jī)噪聲料位測(cè)量系統(tǒng)的精度，我們對(duì)某水泥廠應(yīng)用西安艾貝爾科技發(fā)展有限公司設(shè)計(jì)的磨機(jī)噪聲料位測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行跟蹤測(cè)量。磨機(jī)料位不同時(shí)對(duì)應(yīng)的噪聲測(cè)量信號(hào)也有很大的差異，該水泥磨機(jī)噪聲料位測(cè)量系統(tǒng)對(duì)不同工況進(jìn)行標(biāo)定，方便對(duì)磨機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)及時(shí)判斷。當(dāng)磨機(jī)空磨運(yùn)行時(shí)，磨機(jī)料位顯示為30%～50%；當(dāng)磨機(jī)在較飽磨運(yùn)行時(shí)，磨機(jī)料位顯示70%～80%；正常運(yùn)行時(shí)，磨機(jī)料位顯示為50%～70%。

  3.1水泥磨機(jī)噪聲傳感器的安裝

  圖1  水泥磨機(jī)噪聲料位計(jì)安裝位置示意圖

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

  3.2水泥磨機(jī)噪聲料位測(cè)量系統(tǒng)調(diào)試

  待測(cè)量對(duì)象為某水泥廠水泥鋼球球磨機(jī)，磨機(jī)規(guī)格是4.2×13m，磨機(jī)料位測(cè)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(jì)的水泥磨機(jī)噪聲料位測(cè)量系統(tǒng)。對(duì)磨機(jī)噪聲料位傳感器進(jìn)行標(biāo)定，確保輸入料位變送器的噪聲信號(hào)均為與磨機(jī)料位相關(guān)的測(cè)量信號(hào)，料位測(cè)量信號(hào)能準(zhǔn)確地、快速地反映磨機(jī)的工況。

  圖2 喂料量逐漸減小至零時(shí)，磨機(jī)料位變化曲線

  圖3 喂料量直接減小至零時(shí)，磨機(jī)料位變化曲線

  圖2為喂料量逐漸減小時(shí)，磨機(jī)料位變化曲線。9月15日18：40時(shí)磨機(jī)料位上升至70%，為了確保磨機(jī)正常工作，通過(guò)逐漸減少喂料量的方法較少磨機(jī)內(nèi)部料位。從18：40時(shí)開(kāi)始喂料量從150t/h逐漸減少，到19：20時(shí)喂料量減少到0t/h，磨尾風(fēng)機(jī)開(kāi)度從18%增大到40%，經(jīng)過(guò)45分鐘，料位從70%逐漸減少到55%，在喂料量逐漸減少過(guò)程中，磨機(jī)料位隨喂料量減小緩慢減小，在喂料量接近0t/h時(shí)磨機(jī)料位急劇減??；然后喂料量從0t/h增加到150t/h,末位風(fēng)機(jī)開(kāi)度減少到20%，經(jīng)過(guò)25分鐘，料位逐漸從55%增加到65%，在喂料量逐漸增加過(guò)程中，磨機(jī)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(jī)料位緩慢增加。

  圖3為喂料量直接減小至0t/h，磨機(jī)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(yùn)行4分鐘后，磨機(jī)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(guò)30分鐘，料位逐漸增加到62%開(kāi)始保持平衡。通過(guò)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(jì)的噪聲料位測(cè)量系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確、及時(shí)地測(cè)量水泥磨機(jī)內(nèi)物料變化。

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  3.3水泥磨機(jī)噪聲料位測(cè)量系統(tǒng)在線測(cè)量應(yīng)用

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

  圖4 水泥磨穩(wěn)定運(yùn)行，料位趨勢(shì)曲線

  圖5 水泥磨料位升高停止喂料，料位趨勢(shì)曲線

  圖6 水泥磨飽磨運(yùn)行減少喂料量，料位趨勢(shì)曲線

  圖7 水泥磨機(jī)運(yùn)行紊亂，料位趨勢(shì)曲線

  水泥磨機(jī)研磨物料時(shí)，當(dāng)磨機(jī)內(nèi)鋼球的數(shù)量、比例滿足磨機(jī)需求時(shí)，磨機(jī)測(cè)量的料位曲線可以反映磨機(jī)的實(shí)際運(yùn)行工況。由上述磨機(jī)料位曲線可知，圖4，水泥磨機(jī)在合適的喂料量時(shí)，磨機(jī)處于平穩(wěn)運(yùn)行狀況，喂料量、磨機(jī)電流、磨機(jī)噪聲料位曲線均平直運(yùn)行，磨機(jī)料位可準(zhǔn)確反映磨機(jī)正常工作時(shí)的料位信息；圖5，磨機(jī)內(nèi)物料較難研磨時(shí)，中斷喂料量后，料位曲線減小，恢復(fù)喂料后再度升高，此時(shí)，在磨音料位曲線出現(xiàn)增加趨勢(shì)時(shí)，應(yīng)逐步減少喂料量；圖6為磨機(jī)發(fā)生飽磨時(shí)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(yùn)行工況，磨機(jī)料位趨近飽和，應(yīng)立即停止喂料，此時(shí)喂料量、磨機(jī)電流等曲線均無(wú)法反映磨機(jī)飽磨運(yùn)行工況，僅有磨音料位曲線可以準(zhǔn)確反映磨機(jī)運(yùn)行狀況；圖7為磨機(jī)紊亂時(shí)，水泥磨機(jī)料位信息變化曲線，此時(shí)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(fù)喂料，而其他曲線難以準(zhǔn)確反映磨機(jī)運(yùn)行工況。

  4 結(jié)論

  通過(guò)檢測(cè)不同工況時(shí)的料位測(cè)量信息可知，該噪聲料位測(cè)量系統(tǒng)可以檢測(cè)各種復(fù)雜工況時(shí)水泥磨機(jī)料位信息，且能夠準(zhǔn)確、及時(shí)、穩(wěn)定地測(cè)量磨機(jī)內(nèi)物料及物料變化。通過(guò)DCS反饋的料位信息便于磨機(jī)操作者及時(shí)地、準(zhǔn)確地做出調(diào)整，確保磨機(jī)長(zhǎng)期處于最佳的工況運(yùn)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(jī)噪聲料位測(cè)量系統(tǒng)可以應(yīng)用于電廠、水泥、礦山等制粉行業(yè)，對(duì)于制粉系統(tǒng)的正常運(yùn)行監(jiān)測(cè)、控制和保護(hù)具有非常關(guān)鍵的作用。