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高压变频调速技术在大型磨机上的调试及应用实践

矿山机械杂志2018-04-16 13:33:11

  当今世界已进入工业 4.0 时代,自动化和智能化程度不断提高,但多数设备在选型过程中能力会有所富余,且工况条件经常发生变化,需要输出不同的量。采用高压变频技术对设备负载进行调控,既能稳定和优化工艺流程,提高产品质量,又可起到节能降耗的作用,是各行业可持续发展的必然趋势,已广泛应用于大型选矿厂、冶金钢铁、石油化工及电力能源等行业,主要与各种风机、泵等设备配套。据不完全统计,在选矿厂能耗中,磨机约占运行成本的 30%50%,因此,最大限度地降低磨机电耗对于选矿厂节能有着非常重要的意义。

1 选矿厂工艺流程

  某铜矿选矿厂设计矿石处理能力为 4.5 万 t/d,采用目前国内外主流的 SABC 碎磨工艺流程,具体工艺流程如图 所示。矿石通过溜井进入 C160 颚式破碎机,粗碎产品经输送带运输至原矿堆内贮存,再由重板给料机放矿,经输送带运输至半自磨机,半自磨机磨矿产品经双层振动筛筛分,筛上产品 (顽石经输送带运输至湿法厂堆浸,筛下产品进入渣浆泵池,然后泵入旋流器分级,分级溢流进入浮选,分级底流进入球磨机,球磨机磨矿产品进入渣浆池,如此形成一个闭路循环。

图 1 某铜矿选矿厂碎磨工艺流程

2 磨机驱动方式和变频调速的必要性

2.1 大型磨机传统驱动方式

  目前国内外选矿厂多采用“半自磨机 顽石破碎机 球磨机”的 SABC 碎磨工艺,但该工艺受矿石性质影响较大,矿石的硬度和粒度影响着半自磨机的稳定运行。

  受限于齿轮制造水平,磨机齿轮传动单边的最大驱动功率为 8 500 kW,双驱磨机的最大驱动功率为 17 000 kW。当磨机驱动的功率大于 17 000 kW 时,多采用环形电动机驱动。如图 所示,磨机最常用的驱动方式有:同步单电动机驱动、同步双电动机驱动、异步单电动机驱动、异步电动机双驱动及无齿轮驱动 种。

(a)同步单驱动

(b) 同步双驱动

(c)异步单驱动

 (d)异步双驱动

(e无齿轮驱动

图 2 磨机驱动方式示意

2.2 磨机传动系统的启动运行特性

  低速、重载、大冲击是大型磨机运行的典型特点,磨机启动时需要克服传动系统的磨损损耗和研磨体重心的偏移对传动轴所产生的有效力矩。如采用离合器启动,在启动瞬间,会有 4 ~ 7 In 的启冲电流,将对电网造成冲击;在离合器挂接负载的瞬间,会发生二次冲击电流,对电网和机械设备造成冲击,影响电网稳定性和机械设备的使用寿命。同时,由于离合器的发热限制,要求离合器必须在 7 s 左右挂载完毕,而对于变频器启动则无此限制。

  采用变频器启动磨机是可控启动,启动电流和转矩能够精确控制,对电网冲击最小,变频器的精确控制功能避免了冲击性转矩对减速齿轮箱和大小齿轮的损伤,延长了它们的使用寿命。

2.3 大型磨机调速的必要性

  矿石的可研磨性是指矿石在常规的磨矿条件下被破碎的能力,是影响磨机生产率和磨矿效率的重要因素,可磨性与矿石的组成和构造有关,是矿石的固有特性,在设备确定后难以改变。随着开采深度的增加和范围的扩大,矿石的可磨性可能会发生变化。在设备选型时,通常按照处理硬矿石对磨机进行选型。而在开采初期处理较软的矿石时,则通过调整磨机的转速来保证磨机的产量。如果采用传统的定速磨机,只能通过减少磨机的钢球来实现,但是装入钢球太少,定速磨机的磨矿效率是不能接受的。而变频技术在磨机传动系统上的应用,使磨机的转速调节变得容易,为可靠生产提供了保障。

  同时,磨机是靠衬板上的提升条将研磨介质和物料提升至一定高度后,在筒体内产生抛落和泻落运动,通过研磨介质对物料抛落做功进行研磨。磨机衬板既要承受研磨体与物料的冲击和磨损,又要有提升研磨体的作用,衬板提升条的宽度、高度和面角,磨机转速和填充率都对磨矿介质的跌落点有较大的影响。随着生产的连续进行,磨机衬板提升条的形状发生变化,尤其到衬板使用后期磨损剧烈,衬板提升能力降低,磨矿效率下降。因此,要根据不同的矿脉、不同的矿石调节磨机的转速,达到最佳磨合效果,同时提高生产效率,稳定生产流程。

3 磨机变频器设计方案

  某选矿厂设备总装机容量为 62 658 kW,其中半自磨机型号为 φ11.0 m×5.4 m,电动机功率为 2×6 500 kW,球磨机型号为 φ7.9 m×13.6 m,电动机功率为 2×8 500 kW台磨机功率约占全厂的 48%,变频调节将作为该选矿厂节能降耗的重要措施。

3.1 电动机和变频器的选择

  半自磨机的转速低,电动机转速也低,因此选用同步电动机。电动机频率和极数根据变频器的输出频率一起确定,可达到最佳组合。电动机的调速范围为额定转速的 70% ~ 110%,小于额定转速时为恒转矩,大于额定转速时为恒功率。最大转矩为额定转矩的 倍,变频器的过载能力与主机运行曲线相匹配,并具有防轴电流的保护措施。

  根据以上要求,该铜矿选矿厂选择 台国外知名品牌的交流无刷励磁同步电动机,输出功率 6 500 kW,电动机极数 32 极,额定电压 10 kV,额定电流 390 A,转速 187.5 r/min,额定频率 50 Hz,功率因数 1.0,配置 台无刷励磁柜,励磁输出参数满足电动机要求。球磨机电动机和变频器的选择与半自磨机相同,根据球磨机的设备参数,选择 台与半自磨机品牌相同的交流无刷励磁同步电动机,输出功率 8 500 kW,电动机极数 34 极,额定电压 10 kV,额定电流 510 A,转速 176.5 r/min,额定频率 50 Hz,功率因数 1.0,配置 台无刷励磁柜。半自磨机、球磨机变频器参数如表 所列。

表1 某铜矿选矿厂Φ11.0*5.4m半自磨机变频器参数

3.2 变频器控制功能

  2 台变频器的负载可实现自动均衡,具有多机负载自动均衡的控制功能。对于双机变频驱动的负载均衡控制,它采用了带速度传感器的矢量控制,可直接控制电动机的转矩;对于双电动机双变频器的控制,采用主从控制,主机速度闭环控制,同时主机变频器将转矩信号输出到从机,从机进行转矩闭环控制,使从机的转矩和主机相同,因此可以达到 台电动机的负载转矩完全一致的效果。

  磨机变频器的停车控制采用减速停车,先将电动机速度降低到零或者采用变频器自由停车。磨机发生结块或者矿料粘连时,控制系统检测变频器的转矩电流和磨机位置,在矿料粘连或结块的情况下自动运行磨机,防止粘连,可在一定程度上起到防板结的功能。同时,变频器功率元器件在外界突然停电时能够自动关断,防止造成功率元器件反向击穿。

3.3 变频器特点

  与磨机配套的 TMDrive 系列变频器具有以下特点:

  (1) 采用最先进的电压源交直交结构,性能优异。

  (2) 采用经过筛选定制的、相当于航天级的 级功率器件和最好的原材料。逆变部分采用日本三菱公司生产的第五代二合一 IGBT 组件,组件数量少,降低了故障概率,并具有允许的载波频率高、通态压降小、开关损耗小及散热热阻低的特点。运行时的导通损耗和开关损耗都比其他品牌小,使整机效率得到提高。

  (3) 采用日本原装可自愈式金属化薄膜无感电容器,特别适合脉冲电流的快速充放电。电容可自愈,即使过电压击穿也不会短路,仍可继续使用。因此整流二极管和输入熔断器也不会发生故障,单元故障的概率大大降低,还可使 IGBT 的关断过电压降低。

  (4) 采用 级绝缘设计的变压器,绝缘材料采用美国杜邦公司生产的 NORMAX 绝缘纸,绕组材料为铜。变压器的立式结构使一次侧散热较好,变压器的过载能力极强。带有先进的上高压电预充电电路,减小了变压器上高压电时的激磁涌流,降低了整流二极管对电容器的瞬间充电电流,减少了对系统和电网的电流冲击,同时也减少了对变压器的冲击,延长了单元内部整流二极管、电容及变压器的使用寿命。

  (5) 独有的控制电源停电 2 s 内不停机的功能,可采用双路互投的控制电源,满足电源切换时间的要求,是允许控制电源短时停电的唯一国际品牌变频器,也是唯一不需要 UPS 就可以保证运行可靠性的变频器。

4 变频器的调试及现场应用情况

  半自磨机和球磨机变频器经过一年多的调试和使用,运行已较为稳定,主要出现过以下问题:① 变频器误报故障信号;② 程序上存在一定缺陷,如慢传本地操作后,按停止按钮电动机停止,但指示灯未亮直接转换远程。通过调整时间继电器并修改缺陷程序,变频器已正常运行。

  众所周知,半自磨工艺受矿石可磨性以及给矿粒度影响较大,半自磨功率、中空轴油压以及顽石产量变化幅度较大,一定的转速率对原矿粒度组成有一定的适应性,而球磨机供矿相对较为稳定,功率及油压变化不大,因此,生产过程中须及时对半自磨机转速进行调整。半自磨机变频器的使用主要有两个目的,一是稳定半自磨机产能,降低吨矿电耗;二是保护衬板,防止衬板被钢球砸裂。如图 所示,磨机转速对钢球的抛落轨迹影响很大,进而对磨机的磨矿效果也产生较大的影响。

图 3 磨机转速对磨矿介质运动轨迹的影响

  选矿厂自 2016 年 10 月投产,期间由于种种原因,处理矿量一直维持在较低水平,直至 2017 年 月份达产,目前半自磨机处理能力稳定在 1 8001 920 t/h。经过 年的生产实践,初步总结出一套变频器的调试经验。

  (1) 避免空磨或涨肚 判断半自磨机涨肚的方法有几种,传统方式为电动机功率/电流先升高后急剧下降,顽石产量降低。但随着磨机监测手段的不断完善,目前已配套了轴油压监测方法,涨肚时半自磨机中空轴油压升高。根据生产现场大量的半自磨机运行数据,分析出临界涨肚的主要参数,并给出了半自磨机的工作范围,具体如表 所列。

表 2 半自磨机临界涨肚的主要参数和正常工作范围

  由表 数据分析得出,当半自磨机处理矿量稳定在 1 800 ~ 1 920 t/h 时,单电动机功率达 6 100 kW,出料端 轴油压达 7.1 MPa,计算得磨机内混合充填率达 36%,此时半自磨机开始处于涨肚状态。因此,正常生产时半自磨机单个电动机功率控制在 5 600 ~ 5 800 kW,出料端 轴油压控制在 6.5 ~ 6.8 MPa,磨机内混合充填率为 26% ~ 30%,即可达到较好的磨矿效果,并在很大程度上保护了衬板。若功率或出料端 轴油压低于控制范围时,则降低半自磨机转速,反之则迅速提高半自磨机转速。

  (2) 避免筒体衬板提升条高度对处理能力的影响 半自磨机筒体衬板提升条高度和面角对钢球抛落点影响较大,具体如图 所示。为防止抛落点过高砸裂衬板或抛落点过低影响磨机处理能力,可大致将筒体衬板分为 个周期,并相应规定了半自磨转速率范围,具体如表 所列。

图 4 衬板提升条高度和面角对磨矿介质运动轨迹的影响

表 3 半自磨机筒体衬板使用周期与转速率范围

  半自磨机转速率的改变对电动机功率产生很大影响,如图 所示,转速每调节一次,都会造成功率的较大变化,因此调速是调节磨机功率的一个重要手段。采用变频调控后,半自磨机功率明显降低,筒体衬板使用前期可降低 15% ~ 30%,中期最多可降低 15%

图 5 半自磨机转速率对功率的影响

  同时,需要特别指出的是,随着半自磨机筒体衬板提升条高度的降低,半自磨机处理能力将会下降,到衬板使用后期约影响 10% 的处理能力。采用变频调控后,可在最大程度上降低筒体衬板提升条高度对处理能力的影响 (可控制在 5% 以内)

5 结语

  福建某铜矿半自磨机高压变频技术应用实践表明,变频调控技术不仅在节能降耗和保护筒体衬板方面意义重大,还是半自磨机操作过程中的一种重要调节手段,可稳定半自磨处理能力,尤其可最大限度降低筒体衬板使用后期的不利影响,是一项较为有效的生产工艺和节能降耗手段,对同行业矿山具有借鉴意义。

 

转载自:《矿山机械》2018年第1期


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