JP3689453B2

JP3689453B2 - 粉砕機の状態推定装置

Info

Publication number: JP3689453B2
Application number: JP14774195A
Authority: JP
Inventors: 幸穂深山; 晃二山本; 克己下平; 雅文藤井
Original assignee: Babcock Hitachi KK
Current assignee: Mitsubishi Power Ltd
Priority date: 1995-06-14
Filing date: 1995-06-14
Publication date: 2005-08-31
Anticipated expiration: 2020-08-31
Also published as: JPH09958A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、粉砕機の状態推定装置に係わり、特に被粉砕物の生産量、粒径分布の良好な制御応答性を実現し、かつ、粉砕機の故障発生を防止するに好適な制御技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図５は、本発明の適用対象たる粉砕機を、図６は本発明者が既に提案した制御技術を示している。
【０００３】
原料炭１を供給する給炭機２は、速度信号３に従って原料炭運搬速度を加減され、信号３に比例する原料炭を微粉炭製造設備のホッパ４に与える。
【０００４】
原料炭１は、電動機５により回転され、混合手段６をなすターンテーブル上に落下し、後述する分級手段による捕集炭１１，１３と混合され、保有炭７となる。
【０００５】
保有炭７は、遠心力により粉砕手段８をなす前述のターンテーブルの外周に置かれたローラにより粉砕され、該外周を吹き上げる搬送空気９に乗り、需要先に輸送される。この時、該粉砕手段８の外側には粉炭による流動層１０が形成されている。
【０００６】
次に、搬送空気９に乗った粉炭は、重力とのバランスにより、大粒径の粒子が前述の混合手段６へ再循環する重力分級捕集炭１１の流れを生じさせる。また、比較的粒径が小さく該重力分級を通過した粉炭は、ベーン１２により旋回を受けて遠心力により粒径が大なる粒子が同様に再循環する遠心力分級捕集炭１３の流れを生じる。
【０００７】
昨今では、遠心力分級において鋭敏な特性を得るため、ベーン１２に替えて、遠心力を与えるための回転羽を電動機で駆動する回転式分級機が採用される場合もあるが、機能としては同等に考えればよい。
【０００８】
かつて、本発明者は図５に示す粉砕機の制御に当たり、最も重要な被制御量（性能評価において重視すべき量）が粉砕機出口の被粉砕物流量（ことに、負荷変化時の追従性）と被粉砕物の粒度分布であるにも係わらず、これらが直接オンライン計測困難たることに対処するため、図６の制御回路を提案した。
【０００９】
これは、直接オンライン計測困難な量を実機特性に追従させた動特性モデル３０により算出する手法であり、被粉砕原料の粉砕性指数（当該原料の粉砕しやすさを示す；ハードグルーブ指数が有名）の変動で動特性モデル３０の計算精度低下の防止（当該モデルの実機追従）に当たり、粉砕機差圧の予測値３８と実測値１５の一致状況により、粉砕性指数推定機能３１により、粉砕性指数推定値３３を補正して対処している。
【００１０】
また、得られた粉砕性指数推定値３３は、概ね実機における被粉砕原料１の粉砕性指数変動を把握しているから、これを操作量算出機能３２に与えて、粉砕性の悪い原料１に対しては、粉砕機構加圧力指令信号１６を増加させる作用も有している。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
被粉砕原料の粉砕性指数の変動は、操作量算出機能３２においては、粉砕機出口流量偏差信号４０（指令３５に対する過不足）や、粒度分布３９に応じて実機粉砕機の操作量（信号３，１６，１７）を算出する時のキーであり、また、動特性モデル３０の実機追従のポイントとなる重要パラメータであるが、図６の構成では次の問題点がある。
【００１２】
１）粉砕機差圧実測値１５はスロート（前述した搬送空気９のターンテーブル６の外周での吹き出し口）の汚れに依存して変化する。実際、被粉砕物が泥状になってスロート部に付着し、搬送空気９で乾燥されて固化し、あるいは付着物が剥離して、いずれもスロート部の差圧を変化させて、これらは粉砕機差圧を介した粉砕性指数の推定における誤差要因となる。
【００１３】
２）粉砕手段８の磨耗は粉砕性能を変化させ、被粉砕物の粉砕性指数が不変でも、あたかも該粉砕性指数が変化したような推定結果を与える。
【００１４】
本発明は上記従来技術の欠点を解消し、粉砕性指数の推定精度の向上を図ることができる粉砕機の状態推定装置を提供することを目的とするものである。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明は前記課題の解決に当たり、被粉砕物の粉砕性指数の推定と平行して、スロートの汚れ指数、及び、粉砕手段の磨耗指数の推定を行って対処する。これは次の手法に要約される。
【００１６】
１）粉砕機差圧に加え、ターンテーブルの回転動力も考慮の対象とし、粉砕機の動特性モデルを用い、粉砕機構の磨耗指数仮定値、スロートの汚れ指数仮定値（両者ともに、通常は前回の計算における推定値）に基づき、現時点における被粉砕物保有量を求め、これにより粉砕機の回転動力の予測値、粉砕機差圧の予測値を算出する第１の演算手段、及び、当該予測値と実測の回転動力と粉砕機差圧の偏差から、先の粉砕機構の磨耗量仮定値、スロートの汚れ指数仮定値を修正して、現時点の当該磨耗量の推定値とする第２の演算手段を中心に構成される。
【００１７】
２）第２の演算手段におけるスロートの汚れ指数の推定に当たり、スロートの汚れ指数の変化は被粉砕物粉砕性指数の変化とは異なった挙動を示すことに着目する。
【００１８】
即ち、該粉砕性指数は被粉砕物の産地や性状のばらつきに応じ、数１０分〜数時間を単位に変動するに対し、当該汚れは数日間を単位に進行し、突然に剥離して指数が低下する。従って、両指数に起因する粉砕機差圧の変化は、変化率（変化速度）の差異として区別できる。
【００１９】
３）第２の演算手段における粉砕手段磨耗指数の推定に当たり、磨耗スロートの汚れ指数の変化は被粉砕物粉砕性指数の変化とは異なった挙動を示すことに着目する。
【００２０】
即ち、該粉砕性指数は被粉砕物の産地や性状のばらつきに応じ、数１０分〜数時間を単位に変動するに対し、当該磨耗指数は数カ月間を単位に進行し、粉砕手段の交換により再び低下する。従って、両指数に起因する回転動力の変化は、変化率（変化速度）の差異として区別できる。
【００２１】
４）第２の演算手段において、粉砕機差圧、回転動力の偏差から、スロート汚れ指数、磨耗指数仮定値を修正するに当たり、系の確率微分方程式に基づく最尤推定法、経験的知見によるファジィ推論、実機特性の学習に基づくニューラルネットワーク、最も簡単に実施可能なＰＩ動作等が適用できる。また、粉砕性指数の推定は粉砕機差圧、回転動力を介した手法でそれぞれ推定し、両者の信頼度に応じて加重平均すればよい。
【００２２】
【作用】
上記手段は具体的に以下の作用を行う。
【００２３】
１）第１の演算手段において、周期的に被粉砕物保有量を求めるに当たり、前回の計算時点で求めた当該磨耗量推定値に基づき、現在の当該磨耗量の仮定値を粉砕機の動特性モデルに与える。
【００２４】
当該仮定値は、前回と今回の計算時点の間隔が小さければ、磨耗量の前回値そのままでよいし、そうでない場合は、時間間隔に応じた磨耗量増加分を考慮する。いずれにせよ、当該仮定値は第２の演算手段での計算の初期値に当たるから、真値に近いほど推定が速く収束する。
【００２５】
第１の演算手段は、粉砕機の動特性モデルを用いて、記憶しておいた前回計算時点の被粉砕物保有量、現時点の粉砕手段磨耗量の仮定値、被粉砕原料の供給量から、現時点の被粉砕物保有量を算出し、さらに、当該保有量に対応する回転動力の予測値を求める。さらに、前述の保有炭量と同様に仮定したスロート汚れ指数に基づき粉砕機差圧の予測値を求める。
【００２６】
２）第２の演算手段においては、粉砕機差圧の予測値と実測値の偏差の評価に当たり、該偏差をバンドパスフィルタに通し、突然の変動や、数日間を単位の変動はスロートの汚れ指数の推定に、数１０分〜数時間を単位にした変動は粉砕性指数の変化として区別する。
【００２７】
３）第２の演算手段においては、回転動力の予測値と実測値の偏差の評価に当たり、該偏差をバンドパスフィルタに通し、数カ月を単位の変動は磨耗の影響に、また、数１０分〜数時間を単位にした変動は粉砕性指数の変化として区別する。
４）第１と第２の演算手段の作動形態は、各計算時点において、上述の回転動力、粉砕機差圧の予測値と実測値の偏差が規定値以内となるまで収束計算を繰り返す場合と、１回または規定回数で当該収束計算を打ち切る場合がある。これらは、採用する計算機の計算速度と各計算時点の時間間隔の兼ね合いで決定する。
【００２８】
【実施例】
以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。
【００２９】
図１は本発明の実施例を示すブロック図であり、図６に示す従来例と共通の構成部については同一の部品番号を付し、説明を省略する。
【００３０】
第１の演算手段５１は、当該時点において実機粉砕機と同一の操作量（原料供給指令信号３、加圧力指令信号１６、分級特性指令信号１７）を入力し、現時点の粉砕性指数の仮定値（前回計算時点の推定値３３）に基づき、動特性モデルを用いて被粉砕物保有量計算値６０を算出する。
【００３１】
図２は第１の演算手段５１における粉砕機差圧予測値３８、及び、回転動力予測値５４の算出部を示すものであり、前者は、被粉砕物保有量計算値５６、搬送空気流量９、前回計算時に第２の演算手段５２で求めたスロート汚れ指数推定値により、後者は、粉砕部通過流量計算値５９、前回計算時に第２の演算手段５２で求めた磨耗指数推定値５７より計算する。
【００３２】
被粉砕物保有量計算値６０、粉砕部通過流量計算値５９等を求める動特性モデルとしては、着目する諸量の関係を実測データで整理した統計モデルでも使用可能であるが、粉砕機内の諸過程（粉砕、分級、混合、滞留等）を忠実に模擬した物理モデルが最も広範囲の条件で高精度であり、本実施例では物理モデルを用いる。
【００３３】
さらに、物理モデルも手法上、各種あって、例えば発明者自身の研究による特願昭６３−１３１３４２号に記したモデルも使用可能であるが、本実施例では発明者の最新の研究に係わり、粒度分布を僅か４つの変数（上記出願明細書の実施例の手法では３０程度の粒度分布のサンプル点を用いていた）で模擬可能で、高精度、低計算量の手法（平成３年１２月１３日；計測自動制御学会中国支部学術講演会にて発明者が講演）を採用することとし、後に詳細に説明する。
【００３４】
第２の演算手段５２は、その詳細を図３に示す通り、粉砕機差圧の実測値１５、予測値３８を入力し、微分＋１次遅れ要素８１よりなるバンドパスフィルタ（微分が低周波数成分をカットし、１次遅れが高周波成分をカットする）にて粉砕性指数のみの寄与成分を取り出し、不感帯＋飽和要素８６で不確定な雑音成分をカットした後、本法の信頼度に応じた重みを定数倍要素８３で乗じ、これを粉砕機差圧変化に基づく粉砕性指数推定値の補正量とする。
【００３５】
当該補正量は、全く同様の処理にて回転動力実測値２９と予測値５４に基づいて、定数倍要素８７で当該信頼度を与えられた回転動力変化に基づく粉砕性指数推定値の補正量とともに、信号加算要素８８で加算され、積分要素８９（両補正信号の継続時間に応じて反応）を用いて、求める粉砕性指数の推定値３３を得る。
【００３６】
一方、粉砕機差圧実測値１５は、１次遅れ要素９０で雑音成分を除去した後、粉砕性指数３３の関数として実験式によりスロート汚れ指数を求めている。この方法は定常状態で多くのデータを平均的に処理しないと信頼度が低いため、スイッチ９２により負荷変化中は当該算出値を除外する。
【００３７】
該期間はアナログメモリ９３により推定値５６の前回値を維持する。回転動力２９により磨耗推定値５７も同様の手順で算出する。
【００３８】
第３の演算手段５３は、詳細を図４に示す通り、粉砕機出口流量の過不足に応じて原料供給量３を、また粉砕性指数推定値３３や保有被粉砕物の量に応じて加圧力指令信号１６を、また粉砕機出口粒度分布３９に応じて分級特性指令信号１７を、さらに所要被粉砕物の量３５（指令）に応じて搬送空気の量をそれぞれ操作する。
【００３９】
なお、１４は粉砕機差圧検出器、１８は混合機構、１９は仮想分級機構、２０は粉砕機構、２１は動力分級機構、２２は遠心分級機構、２３は一次空量指令信号、２８は回転動力検出器、２９は回転動力計測信号、３４は粉砕機出口流量推定値、３６，３７，５５は信号減算要素、５６はスロート汚れ度推定値、６１は被粉砕物層差圧計算値、６２はスロート差圧計算値、６３は信号加算要素、６４〜７０は関数要素、７１は粉砕機差圧予測偏差、７２は回転動力予測偏差、８０は信号減算要素、８２は不感帯＋飽和要素、８４は信号減算要素、８５は微分＋１次遅れ要素、９１は関数要素、９３はアナログメモリ、９４は１次遅れ要素、９５は関数要素、９６はスイッチ、９７はアナログメモリである。
【００４０】
（動特性モデルの詳細な説明）
第１の演算手段５１において、動特性モデルは以下に述べる手順に従い、加圧力指令信号１６から粉砕速度定数Ｐ、分級特性指令信号１７から分級特性ｃ（ｊ）（ξ）、原料供給指令信号３からＱ（ｉｂ）をそれぞれ与えて、被粉砕物７の保有量をＧ（ｂ）として求めればよい。
【００４１】
１）粉砕機内の現象
断面を微小時間に通過する粒子中、粒径ξ以下なる出力割合により粒度分布が定理可能で、その密度関数をｇ（ξ）と表記し、適宜に場所を示す添字を付加する。サンプルされた静止状態の質量粒度分布密度ｆ（ξ）との関係は質量流量Ｑを用いて次式となる。
【００４２】
【数１】

【００４３】
粉砕前後の諸量にそれぞれ添字ｉｐ、ｏｐを与えると、粒度分布について次の関係がある。
【００４４】
【数２】

【００４５】
ここに、粒径ξを対数軸にとると条件付き確率密度ｇ（ｏｐ｜ｉｐ）はＡｕｓｔｉｎらの解明した粉砕分布定数と一致し、これをｓとする。
【００４６】
【数３】

【００４７】
質量流量については、粉砕機構内で蓄積はないと仮定して次式を得る。
【００４８】
【数４】

【００４９】
第ｊ番目の分級機構について、各「粒子の通過」は互いに独立事象であって、Θ（ｊ）を印字ケータとすれば、実験により解明されている分級効率ｃ（ｊ）（ξ）と次の関係がある。
【００５０】
【数５】

【００５１】
【数６】

【００５２】
分級入口粉体流、循環粉体流、及び、通過粉体流に係わる諸量にそれぞれ添字ｉｊ、ｒｊ、ｏｊを与えると、ベイズ定理により粒度分布密度の次の表式を得る。
【００５３】
【数７】

【００５４】
【数８】

【００５５】
ここに、
【００５６】
【数９】

【００５７】
分布機構周辺の流量は次の通り求められる。
【００５８】
【数１０】

【００５９】
【数１１】

【００６０】
分級機構（ｊ＝０，・・・，ｎ）からの循環粉体流と、原料粉体流（添字ｉｂ）とを混合して流出粉体流（添字ｏｂ）となす機構を考える。ここで、混合機構粉体保有量Ｇ（ｂ）とＱ（ｏｂ）との間に次の関係を仮定する。
【００６１】
【数１２】

【００６２】
Ｐは粒径と独立とし、この仮定を正当化するため、混合機構と続く粉砕機構の間に仮想的な分級機構（ｊ＝０）を設けてＡｕｓｔｉｎらの解明したξに依存する粉砕速度定数を考慮する。
【００６３】
ここで、（１）と（１２）に着目し、混合により粒径は変化しないと考えて、（ξ、ξ＋ｄξ）に属する粒子のマスバランス式が得られる。
【００６４】
【数１３】

【００６５】
２）モデルの数学的記述
Θが分布密度ｇ（ξ）に従う時、λ、ρで基準化（アフィン変換）したモーメントを考える。
【００６６】
【数１４】

【００６７】
この時、キュムラントβ（ｋ）（λ、ρ）が対応して求められる。本モデルでは分布密度を次の４パラメータで整理する。
【００６８】
【数１５】

【００６９】
【数１６】

【００７０】
【数１７】

【００７１】
これらより一意にエッジワース展開係数α（ｋ）が求まり、分布密度を具体的に表示できる。
【００７２】
【数１８】

【００７３】
ここにｐ（ξ；μ、σ）はガウス分布、ｈ（ｋ）はｋ次のエルミート多項式である。（３）を（２）に代入すると重畳積分であって、キュムラントの和に帰着し、以下を得る。
【００７４】
【数１９】

【００７５】
【数２０】

【００７６】
【数２１】

【００７７】
【数２２】

【００７８】
ここに添字ｓは粉砕分布定数を、それ以外は各粒度分布密度ｇを指す。さらにμ（ｏｐ）、σ（ｏｐ）、β（３）〔μ（ｏｐ）、σ（ｏｐ）〕、β（４）〔μ（ｏｐ）、σ（ｏｐ）〕は（１５）〜（１７）及び次式を用いて計算できる。
【００７９】
【数２３】

【００８０】
ｃ（ｊ）（ξ）は適当なγ（ｍｊ）、λ（ｍｊ）、ρ（ｍｊ）を用いて近似できる。
【００８１】
【数２４】

【００８２】
ｇ（ｉｊ）（ξ）は（１８）の型式であり、（７），（１０）より循環粉体流の諸量が具体的に求められる。
【００８３】
【数２５】

【００８４】
【数２６】

【００８５】
【数２７】

【００８６】
【数２８】

【００８７】
また、α（ｏｒｊｍｋ）は次式にエルミート多項式の加法定理を適用し、係数を整理して得られる。
【００８８】
【数２９】

【００８９】
（２５）は分布密度の重み付き混合であり、添字ｍについてα（ｏｒｊｍｋ）からｖ（ｋ）〔λ（ｍｒｊ）、ρ（ｍｒｊ）〕が一意に求まり、同一λ、ρのｖ（ｋ）は重み付き加算が可能であるから、結局、（２３），（１５）〜（１７）を用いて、μ（ｒｊ）、σ（ｒｊ）、β（３）〔μ（ｒｊ）、σ（ｒｊ）〕、 β（４）〔μ（ｒｊ）、σ（ｒｊ）〕が計算できる。添字ｏｊの通過粉体流についても同様の理論である。
【００９０】
適当に選んだλ（ｂ）、ρ（ｂ）で基準化すると、（１３）よりｖ（ｋｏｂ）についての微分方程式を得る。
【００９１】
【数３０】

【００９２】
（２３），（１５）〜（１７）を適用すれば、μ、σ、β（３）（μ、σ）、β（４）（μ、σ）とｖ（ｋ）（λ、ρ）の相互変化が可能だから、（１９）〜（２９）の結論を代入し、（３０）を離散時間系の逐次計算として解くことができる。この時、Ｐａｄｅ近似の採用で安定な数値計算が可能となる。
【００９３】
【発明の効果】
本発明は以下の効果がある。
【００９４】
１）粉砕機の被粉砕物の粉砕性指数の推定に当たり、誤差要因となる粉砕手段の磨耗指数を並行して推定することで、前者の推定精度向上を図ることができ、また、後者の把握に伴う粉砕機の保守管理指針を提供できる。
【００９５】
２）粉砕機の被粉砕物の粉砕性指数の推定に当たり、誤差要因となるスロートの汚れ指数を並行して推定することで、前者の推定精度向上を図ることができ、また、後者の把握に伴う粉砕機の保守管理指針を提供できる。
【００９６】
３）粉砕機の被粉砕物の粉砕性指数の推定に当たり、回転動力、粉砕機差圧の双方を考慮し、高精度化できる。
【００９７】
るボイラ出口蒸気温度と該蒸気圧力の変動改善を両立できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例に係る粉砕機の状態推定装置のブロック図である。
【図２】図１中の第１の演算手段のブロック図である。
【図３】図１中の第２の演算手段のブロック図である。
【図４】図１中の第３の演算手段のブロック図である。
【図５】粉砕機の一例を示す構成図である。
【図６】従来例に係る粉砕機の状態推定装置のブロック図である。
【符号の説明】
５１第１の演算手段
５２第２の演算手段
５３第３の演算手段
５４回転動力予測値
５５信号減算要素
５６スロート汚れ度推定値
５７粉砕機構磨耗度推定値

Claims

回転する被粉砕物の保有手段と、当該回転動力の計測手段と、前記保有手段の外周近傍における被粉砕物の粉砕手段とを有する粉砕機において、
現計算時点の粉砕機への被粉砕原料の供給量、前回計算時点の前記粉砕手段の磨耗状況推定値、被粉砕物の粉砕性指数の推定値、粉砕機の被粉砕物保有量推定値を用い、現計算時点における粉砕機の被粉砕物保有量推定値と、これに基づく前記保有手段の回転動力予測値の算出機能を有する第１の演算部と、
該第１の演算部で算出した回転動力予測値と回転動力計測値との一致状況から、現時点の前記粉砕手段の磨耗状況、及び、被粉砕物の粉砕性指数の推定値を演算する機能を有する第２の演算部と、
第１、第２の演算部が前回計算時点に算出した諸量を参照できる記憶装置と、を備えたことを特徴とする粉砕機の状態推定装置。
請求項１記載において、前記第２の演算部は、前記第１の演算部で算出した回転動力予測値の変化率と、回転動力計測値の変化率との一致状況から、被粉砕物の粉砕性指数の推定値を演算することを特徴とする粉砕機の状態推定装置。
回転する被粉砕物の保有手段と、前記保有手段の外周近傍における被粉砕物の粉砕手段と、前記保有手段の外周から被粉砕物の搬送空気を吹き上げるスロートと、該搬送空気の流路にあって前記粉砕手段の後流部と前記スロート入口間の差圧の計測手段とを有する粉砕機において、
現計算時点の粉砕機への被粉砕原料の供給量、搬送空気の流量、前回計算時点の前記スロートの汚れ指数推定値、粉砕機の被粉砕物保有量推定値を用い、現計算時点における粉砕機の被粉砕物保有量推定値と、これに基づく差圧予測値の算出機能を有する第１の演算部と、
該第１の演算部で算出した該差圧予測値と計測値との一致状況から、現時点の前記スロートの汚れ指数推定値、被粉砕物の粉砕性指数の推定値を演算する機能を有する第２の演算部と、
第１、第２の演算部が前回計算時点に算出した諸量を参照できる記憶装置と、を備えたことを特徴とする粉砕機の状態推定装置。
請求項３記載において、前記第２の演算部は、前記第１の演算部で算出した前記粉砕手段の後流部と前記スロート入口間の差圧予測値の変化率と、差圧計測値の変化率との一致状況から、被粉砕物の粉砕性指数の推定値を演算することを特徴とする粉砕機の状態推定装置。
請求項２及び４記載の粉砕機の状態推定装置にあって、
被粉砕物の粉砕性指数の推定に当たり、請求項２の機能により得た推定値と、請求項４の機能により得た推定値とを加重平均することを特徴とする粉砕機の状態推定装置。