專利名稱：一種火電廠筒式鋼球磨煤機的內(nèi)存煤量檢測方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種檢測方法，特別涉及一種火電廠筒式鋼球磨煤機的內(nèi)存煤量檢測，該方法采取噪聲信號特征頻段提取、能量計算等技術手段，能夠適時檢測火電廠球磨機內(nèi)的存煤量。
背景技術：
制粉系統(tǒng)是火力發(fā)電廠的主要輔助系統(tǒng)之一，制粉系統(tǒng)所用的磨煤機一般分為以下三類筒式鋼球磨煤機、中速磨煤機和風扇磨煤機。其中筒式鋼球磨煤機對煤種的適應性最強，是國內(nèi)應用最廣的一種磨煤機。磨煤機是制粉系統(tǒng)的關鍵設備，它能否正常運行以及是否運行在最佳工況，直接關系到制粉系統(tǒng)的工作效率。對磨機內(nèi)存煤量進行有效監(jiān)控，可大幅度降低電耗、鋼耗，增加磨機出力，降低噪聲，減少粉塵污染，提高運行效率。因此如何準確監(jiān)測磨機內(nèi)存煤量成為關鍵和難點。
由于磨機工作環(huán)境差，粉塵污染大，內(nèi)部環(huán)境惡劣，因此無法直接測量其內(nèi)存煤量，只能通過間接法檢測。目前，應用較多的磨機內(nèi)存煤量檢測的方法有磨音法、振動法以及功率法。現(xiàn)有磨音法是通過單個聲音傳感器簡單檢測磨機噪聲聲強來判斷其內(nèi)存煤量，缺點是檢測精度不高，未能有效去除背景噪聲干擾，特別是當多臺磨機同時在一個車間內(nèi)運行時，臨近磨機運行時所發(fā)出的噪聲會嚴重影響內(nèi)存煤量檢測的準確性。振動法是利用磨機運轉(zhuǎn)時，研磨體和物料偏于磨機的一側，磨機的轉(zhuǎn)動部分處于嚴重的不平衡狀態(tài)，造成不平衡的離心力，并使磨機系統(tǒng)振動，磨機在轉(zhuǎn)速不變時其振動強度與被磨物料量的多少有關這一特性檢測的；振動法的不足在于線性度差，準確度不高。功率法的思路是通過測量磨機運行時電機所消耗的功率來判斷磨機內(nèi)的負荷。在實際應用中，是測量磨機的工作電流。此種方法的不足之處在于磨機的工作電流在整個工作過程中，變化不是很大，測量靈敏度低。
磨機噪聲包括筒體噪聲、電動機產(chǎn)生的噪聲、齒輪傳動部分產(chǎn)生的噪聲、排粉風機產(chǎn)生的噪聲、環(huán)境噪聲以及同一車間臨近磨機產(chǎn)生的噪聲等。與內(nèi)存煤量有關的噪聲只有筒體噪聲，磨機筒體噪聲是筒體轉(zhuǎn)動時鋼球與鋼球、鋼球與襯板、鋼球與筒內(nèi)物質(zhì)之間撞擊而產(chǎn)生的機械噪聲。筒體噪聲有時高達115～120dB，為磨機的主要噪聲源。鋼球撞擊襯板產(chǎn)生的噪聲，與筒體轉(zhuǎn)速、鋼球裝載量等有關，因磨機轉(zhuǎn)速慢，工作轉(zhuǎn)速一般為15r/min～25r/min，并且鋼球和襯板材料為高錳鋼或低、高鉻耐磨合金，或者襯板為耐磨橡膠，其噪聲以中低頻為主。鋼球與鋼球之間的自撞噪聲，因鋼球數(shù)量多、質(zhì)量小，鋼球自撞機會多，其自撞噪聲的頻率要比鋼球與襯板及鋼球與物料之間撞擊的噪聲頻率高，以中高頻為主。
鋼球與鋼球之間以及鋼球、物料與襯板之間的相互撞擊引起的噪聲，按發(fā)生機理可以分為加速度噪聲和自鳴噪聲。加速度噪聲是由于物體的速度迅速變化，在空氣媒質(zhì)中產(chǎn)生壓力擾動而形成的，自鳴噪聲是沖擊引起襯板與筒體的振動輻射及筒內(nèi)反射所引起的。加速度噪聲僅決定整個噪聲樣本中的第一個峰值，在整個噪聲能量中所占的比重較??；而自鳴噪聲是由沖擊能量轉(zhuǎn)化為襯板與筒體振動產(chǎn)生的聲輻射，以及因磨機筒體是一個封閉圓柱體，其筒體是一個強反射面，入射的聲波吸收的少而反射的多。各撞擊噪聲聲波在筒體內(nèi)連續(xù)反射，建立起一個混合響聲場，激起較強的振動，所以自鳴噪聲一般要比加速度噪聲功率高出10dB～20dB。
磨機長期的運行實踐表明，磨機內(nèi)的內(nèi)存煤量與磨機噪聲信號之間存在一定的對應關系。當磨機內(nèi)存煤量較少時，磨機噪聲主要來自研磨介質(zhì)與研磨介質(zhì)之間以及研磨介質(zhì)與襯板之間的摩擦和碰撞，噪聲較大且頻率較高；當磨機內(nèi)的存煤量逐漸增大時，隨著磨內(nèi)空間和研磨介質(zhì)之間的空隙逐漸被煤所充填，磨機噪聲主要來自物料和研磨介質(zhì)以及物料和襯板之間摩擦和碰撞，磨音較小且頻率較低。如附圖1～3所示，其中圖1為偏空磨磨機噪聲功率譜圖，圖2為常磨磨機噪聲功率譜圖，圖3為飽磨磨機噪聲功率譜圖。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，提供一種火電廠筒式鋼球磨煤機的內(nèi)存煤量檢測方法，用以解決長期以來困擾火電廠球磨機內(nèi)存煤量難以檢測的問題。該方法采用兩個聲音傳感器同時檢測磨機筒體噪聲和背景噪聲，提取特征頻段，并按照擬合多項式進行數(shù)據(jù)擬合獲取內(nèi)存煤量結果。
為了實現(xiàn)上述任務，本發(fā)明采取如下的技術解決方案一種火電廠筒式鋼球磨煤機內(nèi)存煤量的檢測方法，包括以下步驟1)在磨機入口和磨機入口附近走廊處安裝兩個聲音傳感器，同時測量磨機噪聲和背景噪聲，獲取噪聲數(shù)據(jù)流；2)對噪聲數(shù)據(jù)流的噪聲頻譜進行分析識別，并提取符合該磨機的特征頻段的中心頻率和帶寬兩個參數(shù)；3)對特征頻段內(nèi)的噪聲計算能量值；4)將兩個傳感器獲得的噪聲能量值進行擬合計算，獲得磨機內(nèi)存煤量信息；5)通過采用改進的滑動平均濾波算法對結果進行處理，將實時獲得的擬合計算結果先進行平均值濾波，將結果存放到一個FIFO隊列，然后進行滑動平均濾波，獲得最終內(nèi)存煤量信息。
所述的兩個聲音傳感器，其中一個聲音傳感器為單向型的麥克風，用于檢測磨機筒體噪聲，安裝位置位于磨機入口1/3處，且該麥克風指向鋼球下落撞擊點。另一個聲音傳感器為全向型麥克風，用于檢測背景噪聲，主要有磨機齒輪傳動噪聲、電機噪聲、排粉機噪聲以及鄰磨產(chǎn)生的噪聲，安裝位置位于磨機入口附近走廊處，距離磨機進口端不小于3m。
所述的提取符合該磨機的特征頻段的中心頻率和帶寬兩個參數(shù)的具體步驟是1)在磨機空磨狀態(tài)下，等待開始標定命令；2)開始標定啟動后，按固定的采樣頻率采集噪聲數(shù)據(jù)；3)連續(xù)采集1024點數(shù)據(jù)后，對采集的噪聲數(shù)據(jù)進行FFT變換，將頻譜信息全部存儲；4)轉(zhuǎn)到步驟2)，直到磨機運行接近滿磨狀態(tài)，給出結束標定命令；5)將帶寬值固定，帶寬值取2000Hz；然后搜索中心頻率，搜索從起始中心頻率1500Hz開始，步長為50Hz，終止于中心頻率為3500Hz；搜索帶寬時，起始帶寬為1500Hz，步長為100Hz，終止帶寬為5000Hz，中心頻率由低到高變化，對應于每一個中心頻率，得出一條噪聲能量的變化曲線，將所有中心頻率點搜索完畢，得到一組曲線，查詢其中變化最為靈敏的一條，該曲線對應的中心頻率即為該磨機的特征頻段中心頻率；6)將特征頻段中心頻率固定，帶寬在經(jīng)驗值附近進行調(diào)整，采用與查找特征頻段中心頻率相同的搜索方法，即可得到最佳帶寬值；7)經(jīng)過步驟5)和步驟6)確定出對應于該磨機的特征頻段的中心頻率和帶寬值，在正常工作模式下，實時的將特征頻段以外的信號濾除，得到與磨機內(nèi)存煤量關系最密切的那部分噪聲信息，從而準確測量磨機內(nèi)存煤量信息。
所述的計算特征頻段內(nèi)的噪聲能量值的實現(xiàn)方法是對每采集到1024點數(shù)據(jù)進行頻譜分析，將特征頻段內(nèi)的頻域幅值模取平方后累加。
所述對噪聲能量進行擬合計算，獲得內(nèi)存煤量信息的具體方法是將磨機噪聲信息中的背景噪聲部分濾除，獲得代表內(nèi)存煤量的噪聲信息，然后利用最小二乘法擬合噪聲與內(nèi)存煤量曲線，獲取擬合多項式；在正常工作模式下，通過擬合多項式計算內(nèi)存煤量。
本發(fā)明給出的火電廠筒式鋼球球磨機內(nèi)存煤量的檢測方法，克服了以往檢測方法易受干擾、靈敏度差、線性度不好等缺點。采取同時測量磨機筒體噪聲和背景噪聲的方法，消除各種干擾噪聲源的影響；采取提取特征頻段內(nèi)能量的方法，將與內(nèi)存煤量信息無關的噪聲濾除，提高檢測準確性；采取數(shù)據(jù)擬合方法，從軟件上提高測量靈敏度和準確度。


圖1偏空磨磨機噪聲功率譜圖；圖2常磨磨機噪聲功率譜圖；圖3飽磨磨機噪聲功率譜圖；圖4本檢測方法流程圖；圖5本方法的特征頻段提取流程圖。
下面結合附圖和具體實施方法對本發(fā)明作進一步的詳細描述。
具體實施例方式
本發(fā)明的一種火電廠筒式鋼球磨煤機內(nèi)存煤量的檢測方法的流程圖如圖4所示，具體包括以下步驟1)通過設置在磨機入口和磨機入口附近走廊處安裝的兩個聲音傳感器，同時測量磨機筒體噪聲和背景噪聲，獲取噪聲數(shù)據(jù)流；其中一個聲音傳感器為單向型的麥克風，用于檢測磨機筒體噪聲，安裝位置位于磨機入口1/3處，且該麥克風指向鋼球下落撞擊點。另一個聲音傳感器為全向型麥克風，用于檢測背景噪聲，主要包括磨機齒輪傳動噪聲、電機噪聲、排粉機噪聲以及鄰磨產(chǎn)生的噪聲，安裝位置位于磨機入口附近走廊處，距離磨機進口端不小于3m。
2)對噪聲數(shù)據(jù)進行頻譜分析；3)對特征頻段內(nèi)的噪聲計算能量值；
4)將兩個傳感器獲得的噪聲能量值進行擬合計算，獲得磨機內(nèi)存煤量信息；5)通過濾波算法對結果進行處理，進行輸出及顯示。
上述噪聲采集過程中的參數(shù)選擇是根據(jù)實際需要，選定頻率分辨率Δf，并由此確定FFT的點數(shù)NN＝fs/Δf初步選擇頻率分辨率為Δf為50Hz，信號中最高頻率為10kHz，選擇采樣頻率fs為50kHz，則FFT的點數(shù)N為N＝fs/Δf＝1000由于FFT點數(shù)須為2的整數(shù)次冪，故選擇N為1024，調(diào)整采樣頻率為51.2kHz。對每采集到1024點數(shù)據(jù)進行頻譜分析，將特征頻段內(nèi)的頻域幅值模取平方后累加。
如圖5所示，特征頻段的識別和提取是在標定模式下完成的，提取特征頻段，也就是要確定特征頻段的中心頻率和帶寬兩個參數(shù)；經(jīng)過前期多年研究和現(xiàn)場試驗發(fā)現(xiàn)，不同的磨機，其帶寬基本確定，而中心頻率有較大的變化。
確定特征頻段的中心頻率和帶寬兩個參數(shù)，按照以下步驟進行1)在磨機空磨狀態(tài)下，等待開始標定命令；2)開始標定啟動后，按固定的采樣頻率采集噪聲數(shù)據(jù)；3)連續(xù)采集1024點數(shù)據(jù)后，對采集的噪聲數(shù)據(jù)進行FFT變換，將頻譜信息全部存儲；1)轉(zhuǎn)到步驟2)，直到磨機運行接近滿磨狀態(tài)，給出結束標定命令；2)將帶寬固定為經(jīng)驗值，取帶寬經(jīng)驗值為2000Hz，中心頻率由低到高變化，對應于每一個中心頻率，都會得出一條從空磨到滿磨過程噪聲能量的變化曲線，將所有中心頻率點搜索完畢，得到一組曲線。查詢其中變化最為靈敏的一條，該曲線對應的中心頻率即為該磨機的特征頻段中心頻率；6)將特征頻段中心頻率固定為步驟5)中搜索出的最佳中心頻率，帶寬從小到大進行調(diào)整，采用與查找特征頻段中心頻率相同的搜索方法，即可得到最佳帶寬值；7)經(jīng)過步驟5)和6)確定了特征頻段的中心頻率和帶寬，即找出了對應于該磨機的特征頻段。
在特征頻段識別和提取過程中，帶寬經(jīng)驗值為2000Hz；搜索中心頻率時，起始中心頻率為1500Hz，步長為50Hz，終止中心頻率為3500Hz；搜索帶寬時，起始帶寬為1500Hz，步長為100Hz，終止帶寬為5000Hz。
所述的對噪聲能量進行擬合計算，獲得內(nèi)存煤量信息的具體方法是1)將磨機噪聲信息中的背景噪聲部分濾除，獲得代表內(nèi)存煤量的噪聲信息E＝aE1-bE2；其中E1為測得的磨機筒體噪聲能量，E2為測得的背景噪聲能量，E為濾除背景噪聲后代表存煤量的噪聲能量，a、b為加權系數(shù)。
2)然后利用最小二乘法擬合噪聲與內(nèi)存煤量曲線，獲取擬合多項式；在正常工作模式下，通過擬合多項式計算內(nèi)存煤量。
根據(jù)標定過程中選取能夠表達完整過程的10組噪聲能量數(shù)據(jù)E(i)，并設定對應的內(nèi)存煤量信息Y(i)，選擇函數(shù)為Y＝a1+a2E+a3E2，通過最小二乘獲得系數(shù)a1～a3。正常運行過程中，即可通過該函數(shù)計算獲得內(nèi)存煤量。
所述的對結果采用改進的滑動平均濾波算法進行處理的具體方法是1)將實時獲得的擬合計算結果先進行平均值濾波；2)將結果存放到一個FIFO隊列，然后進行滑動平均濾波，獲得最終內(nèi)存煤量信息。
該方法采用先平均濾波后滑動平均濾波的方式，既大大減少了儀器需要的緩存空間，又兼顧了結果的更新速度。
采用本發(fā)明提出的檢測方法，解決了火電廠筒式鋼球磨煤機的內(nèi)存煤量難以檢測的問題。能夠?qū)?nèi)存煤量的進行有效監(jiān)控，為火電廠制粉系統(tǒng)的安全、經(jīng)濟運行提供了保障。
權利要求
1.一種火電廠筒式鋼球磨煤機內(nèi)存煤量的檢測方法，其特征在于，該方法包括以下步驟1)在磨機入口和磨機入口附近走廊處安裝兩個聲音傳感器，同時測量磨機噪聲和背景噪聲，獲取噪聲數(shù)據(jù)流；2)對噪聲數(shù)據(jù)流的噪聲頻譜進行分析識別，并提取符合該磨機的特征頻段的中心頻率和帶寬兩個參數(shù)；3)對特征頻段內(nèi)的噪聲計算能量值；4)將兩個傳感器獲得的噪聲能量值進行擬合計算，獲得磨機內(nèi)存煤量信息；5)通過采用改進的滑動平均濾波算法對結果進行處理，將實時獲得的擬合計算結果先進行平均值濾波，將結果存放到一個FIFO隊列，然后進行滑動平均濾波，獲得最終內(nèi)存煤量信息。
2.如權利要求1所述的檢測方法，其特征在于，所述的兩個聲音傳感器，其中一個聲音傳感器為單向型的麥克風，用于檢測磨機筒體噪聲，安裝位置位于磨機入口1/3處，且該麥克風指向鋼球下落撞擊點；另一個聲音傳感器為全向型麥克風，用于檢測背景噪聲，主要包括磨機齒輪傳動噪聲、電機噪聲、排粉機噪聲以及鄰磨產(chǎn)生的噪聲，其安裝位置位于磨機入口附近走廊處，距離磨機進口端不小于3m。
3.如權利要求1所述的檢測方法，其特征在于，所述的提取符合該磨機的特征頻段的中心頻率和帶寬兩個參數(shù)的具體步驟是1)在磨機空磨狀態(tài)下，等待開始標定命令；2)開始標定啟動后，按固定的采樣頻率采集噪聲數(shù)據(jù)；3)連續(xù)采集1024點數(shù)據(jù)后，對采集的噪聲數(shù)據(jù)進行FFT變換，將頻譜信息全部存儲；4)轉(zhuǎn)到步驟2)，直到磨機運行接近滿磨狀態(tài)，給出結束標定命令；5)將帶寬值固定，帶寬值取2000Hz；然后搜索中心頻率，搜索從起始中心頻率1500Hz開始，步長為50Hz，終止于中心頻率為3500Hz；搜索帶寬時，起始帶寬為1500Hz，步長為100Hz，終止帶寬為5000Hz，中心頻率由低到高變化，對應于每一個中心頻率，得出一條噪聲能量的變化曲線，將所有中心頻率點搜索完畢，得到一組曲線，查詢其中變化最為靈敏的一條，該曲線對應的中心頻率即為該磨機的特征頻段中心頻率；6)將特征頻段中心頻率固定，帶寬在經(jīng)驗值附近進行調(diào)整，采用與查找特征頻段中心頻率相同的搜索方法，即可得到最佳帶寬值；7)經(jīng)過步驟5)和步驟6)確定出對應于該磨機的特征頻段的中心頻率和帶寬值，在正常工作模式下，實時的將特征頻段以外的信號濾除，得到與磨機內(nèi)存煤量關系最密切的那部分噪聲信息，從而準確測量磨機內(nèi)存煤量信息。
4.如權利要求1所述的檢測方法，其特征在于，所述的計算特征頻段內(nèi)的噪聲能量值的實現(xiàn)方法是，對每采集到的1024點數(shù)據(jù)進行頻譜分析，對特征頻段內(nèi)的頻域幅值模取平方后累加。
5.如權利要求1所述的檢測方法，其特征在于，所述的對噪聲能量進行擬合計算，獲得內(nèi)存煤量信息的具體方法是，將磨機噪聲信息中的背景噪聲部分濾除，獲得代表內(nèi)存煤量的噪聲信息，然后利用最小二乘法擬合噪聲與內(nèi)存煤量曲線，獲取擬合多項式；在正常工作模式下，通過擬合多項式計算內(nèi)存煤量。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種火電廠筒式鋼球磨煤機的內(nèi)存煤量檢測方法，用以解決長期以來困擾火電廠球磨機內(nèi)存煤量難以檢測的問題。本發(fā)明采用兩個聲音傳感器同時測量磨機筒體噪聲和背景噪聲，以消除背景噪聲帶來的干擾；采取提取特征頻段內(nèi)能量的方法，將與內(nèi)存煤量信息無關的噪聲濾除，提高檢測準確性；并按照擬合多項式進行數(shù)據(jù)擬合獲取內(nèi)存煤量結果，最后對擬合結果采取改進的滑動平均濾波進行平滑處理，提高測量靈敏度和準確度?？朔艘酝鶛z測方法易受干擾、靈敏度差、線性度不好等缺點，能夠?qū)?nèi)存煤量的進行有效監(jiān)控，為火電廠制粉系統(tǒng)的安全、經(jīng)濟運行提供了保障。
文檔編號B02C25/00GK1836784SQ20061004268
公開日2006年9月27日 申請日期2006年4月20日 優(yōu)先權日2006年4月20日
發(fā)明者張彥斌, 賈立新, 司剛全, 曹暉, 趙德生 申請人:西安交通大學, 西安桑瑞自動化有限責任公司