一种应用于水泥磨机的新型噪声料位测量系统

  1 引言

  钢球球磨机是水泥生产制粉的主要设备，同时也是水泥生产中主要的大功率耗电设备。由于球磨机具有生产效率高、操作方便、设备维护简单、外界环境影响小等优点，现已广泛应用于电厂、水泥、矿山等行业的制粉生产中[1]。磨机的料位工况直接关系着水泥生产的效率，高精度的料位测量系统可以准确反馈磨机料位信息，调节磨机确保料位处于最佳的工况范围内，保障水泥磨长期处于高效率、低能耗、安全性能高的工作状态[2]。

  然而现有的水泥磨机料位测量系统测量精度低，无法准确反馈磨机料位情况。为了避免磨机发生堵磨等影响磨机运行的事故发生，大多数水泥磨机系统均在比较保守的工况下运行，大程度降低了水泥磨机的工作效率，导致制粉系统长期处于低效率、高耗电的工况。磨机料位测量时影响因素多，无法直接测量料位，现有的磨机料位均采用间接测量。如压差法、电流法（功率法）、测量温度法、超声法、主轴振动法、噪声法等，通过测量与料位相关的运行参数，处理测量数据得到磨机的料位信息。然而这些料位的测量方法均存在较大的误差，比如压差法、测量温度法由于时间延迟[3][4]，不能及时反映磨机料位情况；超声法、主轴振动法、噪声法受外部干扰影响较大[5][6][7][8]；采用压差法、主轴振动法、噪声法等综合应用的多因素测量法可以精确测量磨机料位信息，且干扰较少，但是这种方法安装与测量复杂、维护难，难以在水泥磨粉测量系统行业大批量应用[9][10][11]。

  本文将介绍一种由西安艾贝尔科技发展有限公司研发的水泥磨机噪声料位测量系统，该料位测量系统以噪声法为测量依据，滤除不相干的噪声信号，消除外部干扰因素，大程度的提高料位测量精度，现已成功在多家水泥厂的磨机制粉系统中应用。该噪声料位测量系统可以连接DCS，将料位信息及时反馈水泥磨机操作者，方便对磨机及时调整，有效的降低水泥整体生产的成本，保障水泥磨机高效运行。

  2 水泥磨机噪声料位测量原理

  该水泥磨机噪声料位测量系统由噪声传感器和料位测量系统两部分组成，料位测量值为磨机内物料体积与磨机筒体的体积比值。噪声传感器主要用于采集水泥磨机研磨物料时钢球撞击磨磨机产生的噪音信号，料位测量系统将测量信号转换成物料信号，实现水泥磨机物料测量。

  2.1水泥磨机噪声测量原理分析

  水泥磨机研磨物料时，磨机筒体转动带动筒内钢球、物料运动，当钢球与物料上升至一定高度时，开始做抛物运动。磨机内钢球与衬板、钢球与煤粉、钢球与钢球相互碰撞产生噪声，磨机噪声随着磨机料位的变化而变化。在水泥磨机料位较少或空磨运行时，钢球与衬板、钢球与钢球碰撞的几率大释放的能量高，产生的噪声大、频率高，测量信号以中高频为主；在磨机料位增大时，钢球与衬板、钢球与钢球碰撞的几率减小释放的能量减小，产生的噪声低沉，噪声频率小[11]。

  西安艾贝尔科技发展有限公司研发噪声传感器采用进口硅Microhone芯片，采集噪声幅度可达150db信号，可覆盖所有与料位相关的噪声信号。噪声传感器安装于磨机钢球抛落一侧，便于最大程度的采集磨机研磨物料产生的噪声，减小相邻磨机干扰与施工杂音信号的采集。噪声信号传送至噪声料位变送器，通过对磨机噪声信号滤波处理，提取磨机噪声信号中与料位变化相关的信号，排除相邻磨机干扰以及施工杂音影响，提高了料位测量精度。该噪声传感器具有测量精度高、结构简单、维护方便等优点，适用于诸如矿山、水泥等噪声大、环境恶劣的制粉行业。

  2.2水泥磨机料位测量原理分析

  噪声料位测量系统对滤波后的噪声信号采用频谱分析法处理。料位测量系统软件通过对噪声信号的功率谱及有效频率段处理，得到水泥磨机相对应的料位信号，并转换成4～20mA的电流信号通过DCS及时显示料位的具体信息，方便对磨机做出及时调整。

  料位测量系统软件包括料位信号的处理和修正，修正得目的是将由煤质因素和运行因素引起的测量误差降到更低的水平，提升噪声料位测量的精度；料位测量系统调试，也称为料位测量系统标定或整定，根据实际运行工况对料位测量系统的软件和硬件参数进行调整，使测量结果满足性能要求。

  3 水泥磨机噪声料位测量系统的应用

  为了检验该水泥磨机噪声料位测量系统的精度，我们对某水泥厂应用西安艾贝尔科技发展有限公司设计的磨机噪声料位测量系统进行跟踪测量。磨机料位不同时对应的噪声测量信号也有很大的差异，该水泥磨机噪声料位测量系统对不同工况进行标定，方便对磨机的运行状态及时判断。当磨机空磨运行时，磨机料位显示为30%～50%；当磨机在较饱磨运行时，磨机料位显示70%～80%；正常运行时，磨机料位显示为50%～70%。

  3.1水泥磨机噪声传感器的安装

  图1  水泥磨机噪声料位计安装位置示意图

  噪声传感器的位置直接影响测量噪声信号的品质，对料位测量的精度及其重要。噪声传感器的安装位置应选用以下原则：噪声料位传感器位于水泥磨机钢球抛落一侧；噪声料位传感器水平安装位置距磨机入口1/3～2/5筒体处。噪声料位传感器安装高度位于磨机钢球抛落位置噪声料位传感器距离磨机距离为20±5cm。其他硬件设备依照安装要求进行安装，料位信息了解DCS系统实时反馈料位信息。

  3.2水泥磨机噪声料位测量系统调试

  待测量对象为某水泥厂水泥钢球球磨机，磨机规格是4.2×13m，磨机料位测量系统选用西安艾贝尔科技发展有限公司研发设计的水泥磨机噪声料位测量系统。对磨机噪声料位传感器进行标定，确保输入料位变送器的噪声信号均为与磨机料位相关的测量信号，料位测量信号能准确地、快速地反映磨机的工况。

  图2 喂料量逐渐减小至零时，磨机料位变化曲线

  图3 喂料量直接减小至零时，磨机料位变化曲线

  图2为喂料量逐渐减小时，磨机料位变化曲线。9月15日18：40时磨机料位上升至70%，为了确保磨机正常工作，通过逐渐减少喂料量的方法较少磨机内部料位。从18：40时开始喂料量从150t/h逐渐减少，到19：20时喂料量减少到0t/h，磨尾风机开度从18%增大到40%，经过45分钟，料位从70%逐渐减少到55%，在喂料量逐渐减少过程中，磨机料位随喂料量减小缓慢减小，在喂料量接近0t/h时磨机料位急剧减小；然后喂料量从0t/h增加到150t/h,末位风机开度减少到20%，经过25分钟，料位逐渐从55%增加到65%，在喂料量逐渐增加过程中，磨机料位随喂料量增加保持不变，在喂料量增加到一定程度磨机料位缓慢增加。

  图3为喂料量直接减小至0t/h，磨机料位的变化曲线。从9月15日22：30到2011年22：37，喂料量从150t/h直接减少到0t/h，运行4分钟后，磨机料位从65%逐渐减少到53%；然后喂料量从0t/h增加到150t/h，经过30分钟，料位逐渐增加到62%开始保持平衡。通过调试可知，西安艾贝尔科技发展有限公司生产设计的噪声料位测量系统能够准确、及时地测量水泥磨机内物料变化。

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  3.3水泥磨机噪声料位测量系统在线测量应用

  以应用西安艾贝尔发展有限公司生产的噪声料位测量系统的某水泥生产公司水泥磨机为测量对象，分析不同工况时该水泥磨机的料位变化情况，有磨机料位变化曲线如图4至图7所示：

  图4 水泥磨稳定运行，料位趋势曲线

  图5 水泥磨料位升高停止喂料，料位趋势曲线

  图6 水泥磨饱磨运行减少喂料量，料位趋势曲线

  图7 水泥磨机运行紊乱，料位趋势曲线

  水泥磨机研磨物料时，当磨机内钢球的数量、比例满足磨机需求时，磨机测量的料位曲线可以反映磨机的实际运行工况。由上述磨机料位曲线可知，图4，水泥磨机在合适的喂料量时，磨机处于平稳运行状况，喂料量、磨机电流、磨机噪声料位曲线均平直运行，磨机料位可准确反映磨机正常工作时的料位信息；图5，磨机内物料较难研磨时，中断喂料量后，料位曲线减小，恢复喂料后再度升高，此时，在磨音料位曲线出现增加趋势时，应逐步减少喂料量；图6为磨机发生饱磨时料位信息曲线，在此5分中内磨音料位曲线均处于高料位的运行工况，磨机料位趋近饱和，应立即停止喂料，此时喂料量、磨机电流等曲线均无法反映磨机饱磨运行工况，仅有磨音料位曲线可以准确反映磨机运行状况；图7为磨机紊乱时，水泥磨机料位信息变化曲线，此时噪声料位曲线平稳减少，表明磨内物料逐步减少，磨况稳定后，可以恢复喂料，而其他曲线难以准确反映磨机运行工况。

  4 结论

  通过检测不同工况时的料位测量信息可知，该噪声料位测量系统可以检测各种复杂工况时水泥磨机料位信息，且能够准确、及时、稳定地测量磨机内物料及物料变化。通过DCS反馈的料位信息便于磨机操作者及时地、准确地做出调整，确保磨机长期处于最佳的工况运行，减小水泥制粉的耗电量，提高水泥生产效率。西安艾贝尔科技发展有限公司研发生产的球磨机噪声料位测量系统可以应用于电厂、水泥、矿山等制粉行业，对于制粉系统的正常运行监测、控制和保护具有非常关键的作用。