（机械制造及其自动化专业论文）基于信息融合的球磨机料位分级与检测研究.pdf

东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了 谢意。 研究生签名：醴：垄至 日 期： ! ：兰：梦 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复 印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和 纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布 ( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办 理。 研究生签名：匿至：西导师签名： l 广一， 日 中文摘要 基于信息融合的球磨机料位分级 与检测研究- 研究生姓名：陈蔚 导师姓名：贾民平教授 学校名称：东南大学 球磨机是我国火力发电厂最常见的制粉设备。要降低制粉电耗，必须保证球磨机的料 位在最佳状态，但是目前料位检测还缺乏可靠的手段。因此，准确检测料位是本文研究的 主要内容。 对球磨机过程参数和振动特性进行了分析，将料位分成非经济区、优化区和危险区。 通过分析大量现场数据，确定料位分级的辅助变量为磨电流、筒体振动的增减趋势和前后 轴承振动的关联度，并将分级指标进行量化，提出了比较实用的分级决策规则，并且验证 了该方法的优越性和有效性。 对采集到的筒体振动信号与轴承振动信号进行比较，验证了筒体振动信号反映料位情 况的快速性。对简体振动信号利用小波包分解，获得了其料位特征频段，根据此频段对原 始信号进行滤波获得各个测点料位特征。利用数据融合的方法将在四个不同测点获取的料 位特征值进行融合得到料位特征。实际应用中，料位较低时该方法效果良好：在料位大于 3 8 以后有不可忽略的误差。 单纯采用一种信号难以实现料位的精确测量，本研究利用各过程参数和已得到的筒体 振动特征值作为软测量模型的输入，将其信息进行融合以得到料位和料位级别。利用粒子 群优化的神经网络建立料位软测量模型。通过与其他料位检测方法的比较，体现了该料位 检测方法的优越性。 关键词：球磨机，料位检测，信息融合，料位分级 ! 垦塞自然型堂基金亟目l 量q 2 2 蔓塑蔓2 ：江蒸省芒堂婴毯金剑蕴盗金i 划( 旦丝鲤窆! 量2 2 i a b s t r a c t r e s e a r c ho nt h em i l lf i l ll e v e lg r a d i n gm e t h o da n ds o f t s e n s i n go f m i l if i l ll e v e lb a s e do ni n f o r m a t i o nf u s i o n b y c h 朗啊 s u p e r v i s e db yp r o f j i am i n p i n g s o u t h e a s tu n i v e r s i t y ab a l lm i l li sak i n do fm i l l i n ge q u i p m e n tw h i c hi so f t e nu s e di np o w e rp l a n t s i no r d e rt or e d u c et h ep o w e r c o n s u m p t i o n ，o p t i m a la m o u n to fc o a li nb a l lm i l ls h o u l db ek e p t h o w e v e r , t h er e l i a b l ew a yo fo b t a i n i n gt h e m i l lf i l ll e v e li sn o tf o u n d h o wt om e a s u r et h em i l lf i l ll e v e lp r e c i s e l yi st h em a i nc o n t e n ti nt h i st h e s i s t h ep r o c e d u r ep a r a m e t e rsa n dv i b r a t i o ns i g n a l sa r ea n a l y z e db yp r o c e s s i n gt h ep r o c e s sp a r a m e t e r so ft h e m i l lt h a ta r ec o l l e c t e df r o mi n d u s t r i a ls i t e t h es p e c i f i c a t i o n so ft h eg r a d i n ga r eo b t a i n e db a s e do nl a r g e a m o u n to fd a t ac o l l e c t e df r o mi n d u s t r i a ls i t e t h e m i l lf i l ll e v e li sg r a d e di n t ot h r e ea r e a s ：u n e c o n o m i c a la r e a ， o p t i m a la r e aa n dd a n g e r o u sa r e a t h ep a r a m e t e r st h a ti n v o l v e di nt h eg r a d i n gp r o c e s sa r e ：t h ev a r i a t i o nt r e n d o ft h em i l lc u r r e n ta n dv i b r a t i o no ft h es h e l la n dt h ec o n s i s t e n c yb e t w e e nt h ev i b r a t i o no ff r o n ta n db a c k b e a r i n g t h es p e c i f i c a t i o n sa r eq u a n t i f i e d t h em i l lf i ul e v e lg r a d i n gm e t h o di sp r o v e dt ob er e l i a b l ea n d p r a c t i c a l t h r o u g hc o m p a r i n gt h ev i b r a t i o ns i g n a lo ft h em i l ls h e l lw i t ht h ev i b r a t i o ns i g n a lo ft h eb e a r i n gh o u s i n go f t h em i l l i ti 8p r o v e dt h a tt h ev i b r a t i o ns i g n a lo ft h em i l ls h e l lc a nr e f l e c tt h ef i l l l e v e lm o r eq u i c k l y t h ef i l l l e v e lc h a r a c t e r i s t i cf r e q u e n c yb a n do fm i l ls h e l lv i b r a t i o ni so b t a i n e db yp r o c e s s i n gt h ev i b r a t i o ns i g n a lb y w a v e l e tp a c k e td e c o m p o s i t i o n 硼1 ef i nl e v e lf e a t u r ec a nb ee x t r a c t e df r o mt h ev i b r a t i o ns i g n a lf i l t e r e db y t h ed e s i g n e df i l t e r t h ei n f o r m a t i o nc o l l e c t e df r o mt h ef o u rd i f f e r e n ts e n s o r si sf u s e db yd a t af u s i o nm e t h o d a sar e s u l t t h ef m a lf i l ll e v e lf e a t u r ev a l u ei so b t a i n e d t h em e t h o do fm e a s u r i n gc o a la m o u n tb yv i b r a t i o n s i g n a lc a nb ee f f e c t i v e l yu s e dw h e nt h ef i l l l e v e li sl o w w h e nt h ef i l l l e v e li sh i g h e rt h a n3 8 t h e 廿1 0 1 so f t h em e a s u r e m e n tc a n n o tb ei g n o r e d i ti sd i f f i c u l tt om e a s u r et h ef i l ll e v e le x a c t l yb yas i n g l ef e a t u r ev a l u e t h e r e f o r e ，t h ep r o c e d u r ep a r a m e t e r s r e l e v a n tt ot h ef i l ll e v e la n dt h ef i l ll e v e lv a l u ee x t r a c t e df r o mt h ev i b r a t i o no ft h em i l ls h e l la r es e ta st h e i n p u to ft h ef i l ll e v e lm e a s u r i n gm o d e l t h em o d e li sb u i l tb yt h eb pn e u r a ln e t w o r kw h i c hi so p t i m i z e db y p s oa l g o r i t h m t h em e t h o do fm e a s u r e m e n to ff i l ll e v e li sc o m p a r e dw i t ho t h e rm e a l l $ t h er e s u l ti n d i c a t e s t h a tt h en e wm e t h o dp r o p o s e di nt h i sp a p e ri sb e t t e r k e yw o r d s ：b a l lm i l l ，m e a s u r e m e n to ff i l ll e v e l ，i n f o r m a t i o nf u s i o n ，f i l ll e v e lg r a d i n g 目录 目录 摘要i a b s t r a c t ii 目录1 i i 第1 章绪论1 1 1 课题研究背景及意义l 1 2 球磨机料位检测的研究现状2 1 3 料位分级研究现状5 1 4 本论文的研究内容5 第2 章球磨机工作机理及料位分级方法7 2 1 球磨机的结构及上作原理7 2 2 球磨机料位特性分析9 2 2 1 料位定义9 2 2 2 电流特性l o 2 2 3 差压特性1 l 2 2 4 振动特性1 2 2 3 球磨机料位分级方法1 4 2 3 1 料位分级方法研究一1 4 2 3 2 与传统料位分级方法的比较一2 0 2 4 本章小结2 l 第3 章球磨机简体振动信号分析与料位研究2 3 3 1 振动信号的采集。2 3 3 1 1 传感器的选择与布置2 3 3 1 2 筒体振动信号无线采集系统2 5 3 1 _ 3 采样频率的确定2 5 3 2 球磨机简体与轴承振动信号的比较2 6 3 - 3 简体振动信号特征频段的获取2 8 3 3 1 小波包分析方法介绍2 8 3 3 2 利用小波包分析简体振动信号。2 9 3 4 简体振动特征量的提取3 4 3 4 1 不同测点振动分析与比较3 4 3 4 2 振动特征量的提取3 5 3 5 本章小结一3 8 第4 章基于信息融合的球磨机料位测量3 9 4 1 基于粒子群优化的b p 神经网络方法介绍3 9 4 1 1b p 神经网络原理。3 9 4 1 2 利用粒子群算法优化神经网络4 0 4 2 球磨机料位神经网络模型4 l 4 2 1 输入变量的选择4 l 4 2 2b p 网络的结构和训练4 2 4 2 _ 3 神经网络测试结果4 4 4 2 4 模型的修正4 5 4 3 料位软测量模型的比较一4 7 i i i 目录 4 3 1 与传统信息融合料位软测量模型的比较一4 7 4 3 2 与利用其他软测量方法进行信息融合的比较4 8 4 4 本章小结5 0 第5 章全文总结及展望5 1 5 1 全文总结5 l 5 2 不足与展望5 l 参考文献5 3 致谢5 6 攻读硕士学位期间发表的论文5 7 i v 第1 章绪论 1 1 课题研究背景及意义 第1 章绪论 筒式钢球磨煤机( 以下简称球磨机) 是一种典型的制粉设备，自1 8 9 3 问世以来，它在 金属矿及非金属矿选矿厂、建材、水泥、化工、电力、轻工和冶金等行业的矿料粉碎中得 到广泛的应用【卜2 】。作为制粉系统中最常见的设备，球磨机具有许多优点，比如矿料适应 性广；对可磨系数和磨损指数限制小；对矿料中夹带的杂物敏感度低；有很好的密封性， 操作环境是负压，可防止灰尘的飞扬【3 】等。由于这些优点，球磨机在工业应用及发展中历 久不衰，而且在今后相当长的时期内仍将是矿料磨碎作业的主要设备，因此对其进行深入 研究是十分必要和有价值的。 目前我国火力发电量占总发电量的份额在8 0 以上，而对于一般的火电机组，火力 发电厂的厂用电大约占总发电量4 一7 ，对于中间储仓式球磨机制粉系统，该系统用电 量占全厂用电的1 5 - - - 2 0 左右，球磨机的用电量约占整个制粉系统用电量的7 0 【4 j ，是 电站的耗电大户之一，同时也是潜在的节能大户。降低球磨机的电耗，提高其工作效率， 在最佳工况下稳定运行，经济文明生产，是电厂节能降耗的一项重要内容和目标。 对于中间仓储式制粉系统而言，因为两者出力的差额由中间的煤粉仓吞吐作用来补 充，所以该系统中球磨机的出力并不是与锅炉负荷有直接关系，也不必与锅炉出力完全相 适应【8 1 。因此，在保持最佳煤粉细度和煤粉含水量一定的的前提下使球磨机经常运行在 最佳工况下，可以达到降低制粉单耗、提高球磨机运行效率的目的。理论研究和实践运行 均表明：球磨机制粉系统的最优运行与球磨机筒内料位密切相关。如果料位太低，磨煤出 力不足，球磨机效率低，钢耗( 钢球消耗) 大；如果料位太高，碾磨能力降低，导致煤粉 细度没法保证，同时容易造成堵磨事故。因此，为了实现球磨机自动控制和优化运行，提 高球磨机制粉系统运行的经济性，首先要解决球磨机筒内料位测量问题。 但由于球磨机系统是一个具有非线性、大滞后、强耦合和具有多种不确定性扰动的多 变量对象，再加上球磨机滚筒内部运行环境复杂，导致目前料位检测还缺乏可靠的手段 9 - 1 1 】，致使在球磨机的实际运行中，制粉单耗、节能效果几乎全部依赖于运行人员手工操 作的好坏，人员能力和经验不同，各电厂的制粉电耗水平也参差不齐，即使是同一电厂不 同人员操作的制粉电耗也会相差5 1 0 k w h t 眨j3 1 。因此，如何有效地测量球磨机的料位是 同时保障制粉系统安全性和经济性的关键，同时也能为球磨机的控制提供可靠的依据。 本文拟着重研究球磨机料位检测的理论与方法，以火电厂中间储仓式制粉系统中的单 进单出球磨机为研究对象，从球磨机各运行参数随料位变化的规律出发，研究球磨机料位 特性曲线，将球磨机的料位进行区域分级。运用信息融合的方法，利用球磨机各项运行参 数，获得料位级别和料位数据，并将其应用到实际的球磨机现场，为制粉系统的自动控制 和优化运行提供有利的依据。 东南大学硕l 生学位论文 1 2 球磨机料位检测的研究现状 随着对电厂经济性要求的提高，球磨机料位的测量得到越来越多的研究人员和工程技 术人员的重视。近年来，各国都加大对料位自动检测技术的研究，力求能够及时、准确地 检测到滚筒内的料位参数。目前，国内外工业生产中已经采用了很多方法去测量料位，主 要可以分成直接测量法和间接软测量法。 1 2 1 直接检测法 ( 1 ) 电极检测法 直接检测法可追溯到上世纪7 0 年代，1 9 7 3 年第1 0 届国际选矿会议上由捷克布拉格矿山 研究院提出，该方法认为钢球球磨机中的煤浆面和球磨机内的料位有着密切的关系。当电 极浸入半导电的煤浆中时，电流形成闭路，通过放大器将电流放大并输出，通过输出判别 球磨机内的煤料高度。虽然这种方法能够获得一定满意的结果，但是由于电极安装、检修 难度大、检测数据传递方法需要解决以及只适用于研磨液态材料等局限，该方法一直未能 广泛使用1 1 4 j 。 ( 2 ) 称重法 文献 1 5 中指出磨煤机的煤位控制方法还有“称重法”，即在磨煤机的轴颈加秤，直 接秤出对应最佳磨煤出力的重量，在国外有成功的报道。但该方法受限在钢球重量要经常 校核，同时成本较大。该方法在一般的工业环境下可以取得不错的效果，但在恶劣环境下 无法保证长时间的可靠工作。 1 2 2 间接检测法 ( 1 ) 过程工艺量检测法 这是目前在国内外工业生产中常用的检测方法。文献 1 6 1 提出了利用轴承轴颈和轴瓦 之间的油膜压力来监测料位，测得的油膜压力与球磨机本身的重量及装煤量之和成正比。 但是这种方法的代价很昂贵。文献 1 7 1 利用简体进出口的差压信号间接测量煤量，即所谓 的差压法，但是由于差压信号同时受存煤量、通风量、出口温度以及球磨机结构等诸多因 素的影响，很难建立起差压与煤量的单一函数，而且差压反映料位滞后情况严重，故测量 精度非常有限且不稳定也不及时，所以此种方法己经逐渐被淘汰。文献 1 8 1 5 u 用球磨机电 机功率与料位之间的变换规律来检测料位( 即电流检测法) 。功率法检测料位受周围环境 的影响不大，但影响功率的因素不少，如产生机械故障以及供电不稳定时都会引起功率变 化，而且检测信号灵敏度不高，不能为控制提供良好的指导。 ( 2 ) 应变检测法 文献 1 9 】采用应变法，把压电应力传感器安装在球磨机壳体应力变化最大的中间部位， 当传感器位于球磨机筒体顶部时测量的是压力，而位于简体底部时测量的是张力，根据读 数的变化来计算总压力的变化。但是长时间的测量，会使压电传感器出现零点漂移，给料 2 位的测量带来不可忽视的误差。 ( 3 ) 振动噪声检测法 采用监测噪声来测量料位的监测装置，取得了一定的效果，但是，在实际运行操作中 由于煤种的变化( 尤其是水分的变化) 会造成很大的音频信号误差，导致料位测量出现很 大的偏差。在国内专利中也只有通过声频检测球磨机料位的专利c n l 0 5 8 9 1 0 c “一种球 磨机控制方法”【2 0 1 ，该专利就是上述监测噪声来判别料位，其应用情况见文献 2 1 ，2 2 ， 该专利无法考虑煤种变化，尤其是水分变化以及球磨机机械故障的影响。另一方面，球磨 机的各种机械故障【2 3 彩】，会对音频信号产生一定的影响。文献 2 6 】采用轴承上的振动信号 作为料位判别特征，把采集到的振动信号作频谱分析并求取其下的面积即功率来代表料位 曲线；该方法没有进一步挖掘振动信号的信息，效果并不理想。文献 2 7 】采用轴承上的振 动信号对球磨机料位监测进行了探索，用振动的振幅来间接反映滚筒内存煤的真实料位， 观测到振动基波曲线与球磨机内的料位形成相吻合，表明振动信号较之常规采用的压差等 信号，变化更敏感与快捷。但是此检测方法是在球磨机的前后轴承座安装振动传感器，由 于这些位置不在滚筒简体上，导致振动冲击传递途径长、环节多，再加上简体本身质量大 等原因，这种检测方法只能间接地反映滚筒内的钢球撞击情况，且文章没有对振动信号进 行更深入的数据挖掘与研究，如频谱分析、小波包能量提取等。 由于轴承振动在高料位时反映料位信息的局限性，国内外开始通过采集和分析筒体振 动信号来反映料位。文献 2 8 1 中，作者对轴承振动信号和筒体振动信号进行小波包分析， 提取料位特征，但最后使用的只是轴承振动信号中提取的特征量，效果并不理想。在国外 k s g u g e l 等人对简体振动法进行了一些研究【2 9 3 们。文献中证明了简体各周向位置的振动 强弱不同，如筒体上钢球冲击的区域与其周向相隔1 8 0 。位置的振动会差别非常大，这样 采集的振动信号幅值会有明显的差异，影响料位的检测。作者认为在筒体上同一周向相隔 1 8 0 。位置安装两个传感器可以很好地克服这个问题，把两个传感器的数据平均后得到振 动时域数据转换到频域，通过振动信号的频谱特性来表征料位。但是文章并没有对筒体振 动信号进行深入挖掘，所分析的也只有筒体上一个测点的振动信号。文献 3 l 】中，作者分 别采用筒体振动和轴承振动来测量料位，并对两者做了比较，作者认为轴承振动信号比较 稳定，筒体振动信号则对料位的变化更为敏感，但是作者只是从机理分析的角度出发，并 没有用实际数据来证明其观点。文献 3 2 】首先将筒体振动和轴承振动进行比较，从反映料 位的敏感程度证明了筒体振动信号反映滚筒内料位的优越性，并且，该文作者提出了一种 新的料位特征，即筒体最大振动角。但是，该方法的理论基础是介质与物料填充率对球磨 机介质运动形态的影响关系，而这个关系还需要更深层次的理论和模型来解释，该理论也 有待更多的实际应用来验证，从而使该理论与实际得到统一。 ( 4 ) 信息融合检测法 由于单因素测量球磨机料位的局限性，一些学者开始尝试采用人工智能的方法进行多 传感器数据融合，最终实现料位的软测量。 信息融合就是利用计算机技术对按时序获得的若干传感器的观测信息在一定准则下 加以自动分析、综合以完成所需的决策和估计任务而进行的信息处理的过程。按照这一定 东南大学硕上生学位论文 义：多传感器系统是信息融合的硬件基础；多源信息是信息融合的加工对象；协调优化和 综合处理是信息融合的核心p 引。 信息融合的方法大致有：加权融合、卡尔曼滤波、贝叶斯估计、统计决策理论、具有 置信因子的产生式规则、模糊逻辑和神经网络。按照数据抽象的三个层次，可将数据融合 划分为像素级融合、特征级融合和决策级融合三个层测m j 。 利用信息融合测量球磨机料位属于特征级信息融合，特征级融合是利用从各个传感器 的原始信息中提取的特征信息进行综合分析和处理的过程。通常所提取的特征信息应是像 素信息的充分表示量或统计量，据此对多传感器信息进行分类、汇集和总和。利用信息融 合测量球磨机料位，大多采用了神经网络的方法【3 5 7 1 ，把能够反映料位的因素综合起来考 虑，作为神经网络的输入。神经网络采用的是“黑箱”式结构，在内部机理过于复杂时， 可直接通过输入和输出样本进行训练，最终获得其中的非线性关系，从而获得料位。基于 r b f 神经网络的球磨机负荷的软测量的方法 3 7 1 中，输出样本是直接通过轴承振动信号来 获得，这是有局限性的，因为轴承振动对料位变化并不敏感，此时的轴承振动信号甚至会 反映不出料位的变化。同样，输入不同的辅助变量，也会对结果产生不小的影响，如果将 过多的运行参数都作为输入变量，会增大建模难度和运算时间却不会提高测量精度。如果 输入变量过少，则会令测量准确度下降。目前，辅助变量的选择是通过机理分析进行，或 者通过检验各参数与料位的相关度来选择。应用比较多的辅助变量一般为磨入口负压、磨 进出口差压、前轴承振动能量、后轴承振动能量、出口风粉温度。 如前所述，料位的测量方法虽然很多，但各种方法都有其应用的局限性。并且，单纯 的采用一种信号很难实现料位的精确测量。而且料位的测量模型并不是一成不变的，在实 际的运行过程中，煤质、煤种、钢球装载量的变化都会使测量模型参数发生漂移【3 。因 此，球磨机料位监测技术的发展趋势应是多因素联合监测，信息融合，运用软测量技术的 建立料位的数学模型，实现对料位准确、可靠和快速的测量。 4 第1 章绪论 1 3 料位分级研究现状 球磨机总竺! 竺二一 、 。 。 a6 入 避力7 t ，h _ - _ _ _ 一 科位 图1 1球磨机特性曲线理论示意图 从图1 1 可以看到，球磨机的料位大致可划分成a 区、b 区和c 区三个区域。当球磨 机运行在a 区时，料位过低，此时球磨机效率低下；b 区料位适中，球磨机能高效安全运 行；c 区料位过高，球磨机无法正常工作，会导致堵煤，甚至造成事故。料位分级的方法 是通过电流信号、差压信号、出口温度这些过程参数的变化趋势来判断的。但是这仅是粗 略的分级，具体的分级的特征并没有量化。文献 4 2 】中，作者利用现场操作员的经验，将 球磨机料位分成四个不同的级别，即欠负荷、最佳负荷、过负荷和不确定状态。分级时采 用的辅助量是磨电流大小和轴承振动的大小。但是，仅使用磨电流和轴承振动的大小作为 评判标准，很难适用于不同的工况( 不同的钢球装载量) ，且测试的结果中出现不确定状 态的概率也不小。再者，轴承振动信号在料位较高时变化不大，所以用作判别标准欠妥。 1 4 本论文的研究内容 本文的料位检测理论与方法研究是由国家自然科学基金项目( n o 5 0 7 7 5 0 3 5 ) 与江苏 省高技术项目( b g 2 0 0 5 0 3 3 ) 资助，同时结合工业现场球磨机数据。本研究以火力发电厂 中储式制粉系统中的单进单出球磨机为研究对象，针对目前简体振动法中存在的难点和问 题进行研究，提出了一些新的理论和方法。本文的主要内容安排如下： 1 球磨机料位检测方法研究现状 介绍了课题的研究背景和意义，综述了目前对于球磨机料位检测方法和料位分级方法 奎塑盔兰堡生兰篁丝兰 的国内外研究现状，并且总结了各研究方法的优缺点。 2 球磨机料位分级方法研究 首先对球磨机的工作机理进行了介绍和分析，然后对球磨机的实际特性曲线进行了探 讨，研究各过程参数与料位的关系，并且还对振动特性进行了深入地研究，将其加入特性 曲线，在此基础上提出并验证了料位分级方法，提供了后续的建立软测量模型所需要的样 本。 3 球磨机筒体振动信号分析与料位检测 球磨机料位信息拾取点位置不同，所反映的球磨机料位的灵敏度和效果也不同。首先 对球磨机筒体与轴承振动信号反映料位变化的灵敏度进行了比较，确定了更优的料位振动 信号；其次对筒体信号进行小波包分解，确定料位特征频段；最后将四个不同位置采集到 的振动信号进行比较与分析，并且将从四个不同振动测点采集到的信息进行融合，从中提 敬料位特征。 4 运用信息融合的方法建立球磨机料位软测量模型 首先根据各运行参数与料位的相关性确定软测量模型的输入；其次用粒子群算法对 b p 神经网络进行改进；然后利用优化过的神将网络建立料位软测量模型，结合球磨机的 工况参数进行模型修正；最后将上述方法与m l r 软测量方法进行性能比较，验证了本文 使用的料位软测量方法的优越性。 6 第2 章球磨机工作机理及料位分级理论 第2 章球磨机工作机理及料位分级方法 制粉系统是指将原煤磨制成粉，然后送入锅炉炉膛进行悬浮燃烧所需设备和相关连接 管道的组合。球磨机的主要作用是依靠简体旋转将钢球带到一定高度，钢球将一定大小 的煤块砸碎并磨制成煤粉以供给锅炉燃烧。球磨机的实际运行中为了怕出现堵煤现象， 使其经常运行于极不经济区，制粉电耗偏高。因此，为了实现球磨机的节能降耗，有必 要先对球磨机的工作机理和料位的特性进行分析和研究，进而研究当料位处于不同级别 时各运行参数的特征。本章首先介绍球磨机的工作原理，研究与分析料位与球磨机过程 参数( 电流、差压) 和振动之间的关系，提出对料位进行分级的方法。 2 1 球磨机的结构及工作原理 本文研究的是m g 3 5 6 0 型低速筒式单进单出钢球磨煤机 4 3 】，磨煤部件为一个直径为 2 4 m 、长3 1 0 m 的圆筒，筒内装有大量直径为2 5 6 0 m m 的钢球。其结构如图2 - 1 所示。 除图中所标，还有联轴器、隔音罩、基础部及润滑系统等组成。下面对各部分作简要介绍。 4 7 l 一出料装置；2 主轴承：3 一筒体；4 齿轮传动装置 5 一主轴承：6 进料装置；7 一电动机 图2 1 球磨机结构简图 ( 1 ) 料斗料斗分进料斗和出料斗，是进煤和出煤的通道。 ( 2 ) 主轴承m g 系列主轴承全封闭自位调心结构。轴承衬为1 2 0 0 轴瓦。轴承具有静 压力，可以顶起动压润滑装置。采用高低压联合油站进行润滑。在临界状态使用高压系统 浮升球磨机转动部，使轴承底部形成一定厚度的润滑油膜；同时低压系统给入连续流油， 在转轴简体旋转时实现轴承的动压润滑。主轴承采用挡油环和密封毡双密封结构，保证了 轴承的良好密封。 ( 3 ) 转动部转动部是由2 8 毫米的钢板焊接而成的筒体与两个端盖组成，在简体内 7 奎堕查兰堡生兰垡笙苎 装设波形锰钢衬板，以减少简体和端盖的磨损。筒体衬板借助于固定楔和拧紧楔所形成的 横向压力被牢固在简体上。端盖内侧装有锰钢端衬板，简体衬板和简体之间，端衬板与端 盖之间都装有1 0 毫米厚石棉挚板，缓冲了钢球对简体的冲击，防止热能的散失，同时还 有助于衬板与筒体和端盖间密切结合。在简体外侧装有防护罩，罩内填充吸音保温材料， 起降低噪音和保温的作用。 ( 4 ) 传动部m g 3 5 0 系列球磨机是为单侧电动机驱动的单传动形式。开式齿轮传动 采用大变位齿轮结构，提高了轮齿的接触强度和抗胶合性能，减少了齿轮的磨损。齿轮的 啮合角增大到2 4 0 以上，提高了轮齿的抗弯强度，延长了齿轮的使用寿命。大齿轮采用内 径径向密封结构，更适用于稀油喷油润滑。减速机采用j m 6 3 0 型硬齿面减速机。 ( 5 ) 电动机选用y t m 型磨煤机专用y 系列异步电动机；联轴器采用了结构简单， 运行可靠、维护方便的棒销联轴器。 ( 6 ) 润滑系统润滑系统由油箱、润滑油泵，滤油器，冷却管和油管组成。其主要功 能是对两个主轴承和传动部的轴承进行润滑和冷却。 ( 7 ) 隔音罩隔音罩由槽钢，焊接盖板及吸音和隔热保温材料组成。安装在转动部外 侧，起到隔音和减少噪音的作用。 m g 型钢球磨煤机由电机带动，经棒销联轴器，减速机及齿轮组减速传动而驱动筒体 旋转，转动部简体内装有研磨介质( 钢球) 和物料( 煤块) 。球磨机筒体转动时，钢球和 煤块在离心力和波浪型衬板( 衬板) 摩擦作用下被转动的滚筒带到一定高度，然后在自 身重力作用下作抛物线下落运动。磨煤过程包括了压力研磨、摩擦研磨以及冲击破碎的 三种过程，如图2 2 所示，图中，i 表示压力研磨，i i 表示摩擦研磨，i i i 表示冲击破碎。 冲击破碎作用在磨煤过程中是最主要的，同时煤还受到钢球间的挤压和磨擦、钢球与衬 板间的碾压。另外，与磨碎过程同时进行的还有对煤粉的干燥过程。由于受到排粉机的 抽吸作用，从球磨机入口进入筒体的干燥剂，不断地从球磨机出口被抽出。干燥剂一般 采用从空预器出来的热空气，磨好的煤粉由干燥剂气流带入粗粉分离器进行分离j ，如 果煤粉细度没有达到要求，重新送回筒体进行研磨。 疆 图2 - 2 球磨机磨煤示意图 8 第2 章球磨机工作机理及料位分级理论 2 2 球磨机料位特性分析 球磨机是多变量、非线性、强耦合、大延迟对象，不仅特性复杂，而且变量时变缓慢。 在球磨机运行过程中，由于料位是一个不能直接测量的变量，需要通过软测量来获得。理 论的料位特性可见于图1 1 。当球磨机运行在口区时，料位过低，此时球磨机效率低、功 耗大、振动噪声大，呈“出工不出力”状态，工作在这个区域时钢球的能量有很大一部分是 无效的，造成比较大的浪费；当球磨机运行在c 区时，料位过高，此时钢球无法将煤冲击 研磨粉碎，严重时造成堵煤，使系统崩溃，甚至发生事故。理论上该系统存在一个耗电省、 出力大的工作区，如图所示的6 区，可使球磨机在高出力下安全工作。但是，在球磨机的 运行过程中，由于缺乏对料位的有效测量，操作者为了怕发生堵煤现象，经常使球磨机运 行于存煤不足的非经济区( 图1 1 中的口区) ，导致制粉电耗偏甜4 引。 在本研究中通过采集实际的球磨机现场数据来分析料位与球磨机过程参数( 电流、差 压) 及轴承及筒体振动之问的关系。 2 2 1 料位定义 球磨机筒内存煤量是一个绝对的表述，为了更明确形象的反映在实际运行过程中球磨 机筒内剩余空间和存煤能力，本文“料位”的概念：煤量占筒内有效空间的百分比，其数 学表达式如下： ：鼎 ( 2 1 ) v g | p 氍 式中 一料位，；m 。一球磨机滚筒内存煤量质量，埏； 氏一球磨机滚筒内煤的密度，k 咖3 ； 卜球磨机筒体容积，m 3 ； 嗍球装载量，t ； p 朋钢球的堆积密度，一般取4 9 t m 3 。 其实磨煤机内部的空气与煤粉的分界面并不明确，煤粉布满了球磨机滚筒，只不过上 稀下密，进口端浓出口端淡而已。本文所说的料位，表征了煤料与空气的“分界面”，它 将球磨机滚筒的内腔分以主空气流能否通过隔成两个区域。这个“分界面”实际上是一个 带状区域，是主空气流能够通过和不能够通过的过渡区域。分界区域上边，是煤粉气流的 流动空间，空气流输送煤粉，风由球磨机的入口而来，煤粉的一部分由运动的钢球从下部 夹持到上部，一部分被空气流从下部吹入上部，空气流没法吹动的粗煤粉落入下部，能够 被风带动的细煤粉和风混合成煤粉气流从球磨机出口排出。分界的带状区域是流态化的结 构流化床。分界区域下边，是运动着的煤快、煤粉和钢球的混合物料。磨的入口处煤 块较多，磨的出口处煤粉较多，煤粉在轴向呈现出从球磨机的入口到出口细度逐渐变细的 分布规律。下部的煤粉有两个方向的运动，一个是周向的运动，邻近滚筒内壁的煤粉受衬 板摩擦随滚筒旋转，当转动到一定高度后，不能够被进一步带动而坍塌下来；另有一部分 9 查塑奎堂堡：! 竺堂篁笙兰 _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ l _ _ _ _ - _ - _ _ _ _ - 。_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ - _ _ - - _ _ _ _ - _ _ - _ - _ _ _ _ _ _ _ 。_ 。_ 。1 。1 。_ 。一 煤粉被钢球夹持进入分界面上部【4 5 1 。在滚筒的横截面上看，分界面下部的煤粉有一个与 磨旋转同方向的环流。另一个是轴向的运动，煤从入口向出口运动。总体看来磨煤机好像 一个旋转的输粉绞龙【4 6 】。相对于存煤量，料位代表了煤粉的分布情况，更能综合反映影 响球磨机出力的磨筒内钢球装载量与存煤量的相对关系与特性，在实际运行过程中可表征 球磨机负荷的高低。 2 2 2 电流特性 当启动一台空磨，然后缓慢向球磨机中加煤的过程中，球磨机电流( 下文简称磨电流 或电流) 则会稳定增加直至最大值。此时，若继续加煤，则磨电流会再次下掣4 。在加 煤过程中，电流下降的主要原因是随着料位的增加，球磨机的重心向磨的中心转移，转动 力矩减少，机械功率下降，球磨机所消耗功率下降，球磨机工作电流会相应下降。 球磨机电流的变化除了受料位的影响以外，还受到钢球装载量的影响。随着球磨机中 钢球的磨损钢球装载量会变小，此时消耗的功率就会下降。 为了研究料位对球磨机电流的影响，本研究中对球磨机现场数据进行了分析。数据为 滚筒内的钢球装载量分别在3 4 t 、3 6 t 、3 8 t 和4 0 t 时的工况下所采集。图2 3 显示了电流与 给煤量的关系。 螺 脚 给煤鼍t h 图2 - 3 电流特性图 可以看到磨电流主要的影响因素是料位和钢球装载量，随着料位的增加，电流也稳定 上升。料位较高时，电流上升趋势减弱，甚至出现下降的现象。在钢球装载量保持不变的 情况下，可以认为磨电流的变化能够单值地反映出料位的变化，且不容易受其他运行参数 1 0 第2 章球磨机工作机理及料位分级理论 的影响。因此，球磨机工作电流是间接测量料位的一个重要参数。 2 2 3 差压特性 球磨机差压一流量之间的动态模型4 8 1 可近似用代数方程表示： 叱= 厶x ( 1 + 0 8 u 。) g ；k ， ( 2 2 ) 式( 2 2 ) 中叱为进出口差压，p a ；厶为球磨机环节的阻力系数! p a ( k g s 2 ) ； “。为球 磨机出口气体中煤粉浓度，k g k g ；g 旷为球磨机通风质量流量，k g s ；( 1 + o 8 u 。) 为通过球 磨机煤粉浓度对压差的影响；k ，为滚筒内空气通流面积对峨的影响系数。其中可由 公式( 2 3 ) 计算： 铲器 亿3 ， 式( 2 3 ) 中如为粗粉分离器循环倍率系数；既为球磨机出力。k ，由公式( 2 4 ) 计算： 弘c 一寿一参 亿4 ， 式( 2 4 ) 中e 为空磨常数，约为0 5 5 。 由公式( 2 2 ) 一( 2 4 ) 可知球磨机的进出口差压峨球磨机出力、通风量、钢球装载量g 和存 煤量m 。有关系。所以，进出口差压与料位的关系也是十分密切的。为了进一步研究球磨 机的压差信号，对实验现场数据进行处理和分析。 时问詹 时涠詹 图2 _ 4 压著特性图 l l 重v_|鹱轵 奎堕叁堂堡兰生兰垡笙义 从图2 4 可以看到，当给煤量阶梯形上升时，压差信号基本是连续增大的，这也体现 了差压信号的延迟特性。当球磨机给煤量比较小的时候，差压随给煤量的增大缓慢变化； 当给煤量增加到4 5 t h 时，进出口压差显著增大。现场经验表明，此时球磨机料位很可能 已处于危险区，如图1 1 中b 区所示。 2 2 4 振动特性 球磨机振动的能量来源于电动机。电动机先通过一系列传动装置( 联轴节、齿轮等) ， 克服一定的摩擦将能量传递给球磨机滚筒。筒内波浪型衬板再将大部分能量传递给钢球和 煤料。球磨机运行时，落下的钢球与煤料层、其它钢球、衬板以及筒壁发生碰撞。钢球的 一部分能量被煤料层吸收，实现煤的破碎和碾磨过程；钢球的另一部分能量消耗在钢球之 间的碰撞摩擦以及钢球与衬板的碰撞摩擦，这一部分的能量释放导致了滚筒的振动，煤料 的一部分能量也由煤块与筒体的撞击和摩擦传到了筒体，并沿着简体和轴承传