高壓變頻器在尾礦輸送系統改造中的應用

1 尾礦輸送工藝流程變化引起電能效率降低
尾礦輸送是選礦廠(chǎng)生產(chǎn)工藝流程的最末端，在尾礦輸送成本費用的總數中，電能消耗費用占有較大的份額。本文所述的選礦廠(chǎng)其尾礦輸送工藝流程要求在尾礦輸送系統的初級泵站內，輸送泵裝配高壓電動(dòng)機。該高壓電動(dòng)機的額定參數為：P=3lOkW，U=6kV，=34A。由于生產(chǎn)條件的限定，初級泵站的運轉率幾乎是100％，電動(dòng)機運行時(shí)輸入電流一般為22A左右，月耗電量16104kw．h以上。近年來(lái)由于該選礦廠(chǎng)生產(chǎn)工藝流程的改變，使得尾礦輸送的工藝流程出現了兩個(gè)途徑。一是原有的向上50m輸送，經(jīng)300m管道至二級泵站；二是新設的向下5 m輸出經(jīng)1200m管道至尾礦匯集站。按選礦廠(chǎng)生產(chǎn)設定要求尾礦向下輸送率≥85％，尾礦向上輸送率≤15％。在這種生產(chǎn)系統中，初級泵站的尾礦輸送出現了電能的浪費現象。雖然初級泵站的月耗電量已降至131O4kWh，但是電能效率卻大幅下降，即H2W／P2遠小于HW／P1，式中H表示尾礦輸送高度，H2=一5m，H1=50m；P表示電動(dòng)機輸出功率，P2=200 kW，P1=230 kW；W表示尾礦輸送量，基本是一個(gè)恒定值。如此電能消耗的不合理性，改造初級泵站已成必然。但是通過(guò)論證，由于受經(jīng)費條件和地理位置的限制，初級泵站徹底改造困難比較大，投資費用大。最終，減少初級泵站電能浪費的方法，只有是在保證尾礦輸送情況下盡可能地降低電動(dòng)機的功率消耗。

2 選用高壓變頻技術(shù)是初級泵站最佳改造方案
為了尋求節約電能的最佳方案，對初級泵站的主體設備進(jìn)行了改造試驗。在不改變電動(dòng)機轉速的情況下，用210 kW的電動(dòng)機替換3lOkW電動(dòng)機。在試驗條件下，初級泵運行的電動(dòng)機輸出功率降低到了135 kW，試驗取得了成功，為初級泵站的電氣改造奠定了理論基礎。但是試驗過(guò)程中出現了初級泵站啟動(dòng)過(guò)程繁瑣化，啟動(dòng)時(shí)需要利用閥門(mén)控制，逐漸實(shí)現尾礦的全部輸送，啟動(dòng)過(guò)程所需要的時(shí)間長(cháng)，無(wú)法滿(mǎn)足選礦廠(chǎng)生產(chǎn)工藝流程的要求。分析造成這種現象的主要原因是電動(dòng)機額定容量減少后，電動(dòng)機的啟動(dòng)轉矩也隨之下降，無(wú)法保證輸送泵象原來(lái)一樣地迅速啟動(dòng)。

如果應用高壓變頻技術(shù)控制原配電動(dòng)機，即可實(shí)現電能效率的最大化，又可以簡(jiǎn)化啟動(dòng)過(guò)程和縮短啟動(dòng)時(shí)間。根據輸送泵相關(guān)參數的關(guān)系式和電動(dòng)機的轉速公式

式中：H表示泵的揚程；
qv表示泵的流量；
p表示電動(dòng)機的功率；
n表示電動(dòng)機的同步轉速。

可以得到電動(dòng)機在不同頻率下運行時(shí)與電動(dòng)機的功率關(guān)系式

式(5)說(shuō)明了電動(dòng)機運行在較低的頻率下，其消耗電能功率會(huì )有較大的降低。但是電動(dòng)機隨著(zhù)輸入電源頻率的下降，其轉速也隨著(zhù)下降。輸送泵轉速下降后能否保證原系統的工藝流程，也就是說(shuō)能否保證在流量恒定不變的狀態(tài)下，實(shí)現尾礦順利輸送。從上述實(shí)驗中得到了系統穩定下電動(dòng)機的輸出功率下降范圍在40～80kW。根據式(5)的計算比較，輸入電源頻率的變化應在30～45Hz范圍內確定。再根據式(3)的計算比較，電動(dòng)機的同步轉速應在600～900 r／min的范圍內確定。為確保高壓變頻器技術(shù)在初級泵站的應用投資與收益相符合，再次用8極電動(dòng)機(同步轉速750 r／min)在初級泵站進(jìn)行了工藝流程試驗，在其它條件不變的情況下，尾礦穩定輸送。試驗結果表明電動(dòng)機在一定范圍低轉速下運轉，輸送泵能夠保證原生產(chǎn)系統工藝流程。先后兩次電力拖動(dòng)實(shí)驗取得的數據，堅定了該系統應用高壓變頻技術(shù)能夠實(shí)現節能降耗的最初設想。

3 高壓變頻器與尾礦輸送設備的匹配設計
初級泵站高壓變頻器與尾礦輸送設備匹配設計的原則依據為：采用“直高”變頻器技術(shù)，電壓等級6 kV；變頻設備體積要小，允許占有最大空間2350mm1200mm5000mm(高寬長(cháng))；變頻設備要求重量輕，廠(chǎng)房結構允許最大承重量4500 kg；變頻設備內設電源輸入高壓真空斷路器，距離6kV控制室100m；高壓變頻器系統控制方式采用開(kāi)環(huán)控制，分7段頻率輸出與工藝流程相對應實(shí)現人機對話(huà)控制；高壓變頻器系統具備多功能的電信號保護和足夠的過(guò)載能力，保證高壓變頻系統運行的可靠性和穩定性；設計目標是月節能4104kWh．

根據初級泵站環(huán)境與工藝流程要求，在遵守設計原則的基礎上，通過(guò)調研、比較、論證，最終確定了初級泵站應用高壓變頻器技術(shù)的設計方案。最終選用的高壓變頻設備由4臺箱柜組成，總體積2 200mm1200mm4970mm(高寬長(cháng))，設備總重量不大于3 500 kg。其中2#變頻柜長(cháng)1 600mm，內裝整流橋單元和逆變橋單元；3#系統控制柜長(cháng)970mm，內裝控制電路、保護電路和人機對話(huà)顯示系統4#低壓柜長(cháng)800mm，內裝低壓電源支持配電設備；l#開(kāi)關(guān)濾波柜長(cháng)1 600mm，內裝開(kāi)關(guān)單元、電抗器單元、濾波器單元及主變頻電路。為了確保尾礦初級泵站在生產(chǎn)月內運轉率100％，按全年二次全廠(chǎng)停車(chē)檢修時(shí)間計算，要求高壓變頻器能夠達到連續運行750 h以上，無(wú)故障運行4500 h以上。以此確定高壓變頻器的設計必須達到450 kW，從而保證系統過(guò)載能力100％，為實(shí)現高壓變頻系統運行的可靠性和穩定性，在高壓變頻器控制系統中引入過(guò)流、短路、缺相、欠壓、過(guò)壓、接地、過(guò)熱、過(guò)載和電涌共9種功能保護，為防止功率器件在系統異常狀態(tài)時(shí)損壞，設置主器件工作性能保護電路。為最大化的滿(mǎn)足初級泵站生產(chǎn)工藝流程控制，在3#控制柜板面設置變頻器指令元件，具有啟動(dòng)、停車(chē)、頻率分段調節和狀態(tài)指示功能；在3#柜控制柜版面還設置人機對話(huà)窗口，主控畫(huà)面靜態(tài)顯示變頻系統當前運行狀況，移動(dòng)畫(huà)面通過(guò)觸摸顯示變頻系統內相關(guān)溫度和電能參數。

4 安裝與調試
從高壓變頻器技術(shù)在初級泵站的實(shí)用出發(fā)，在市場(chǎng)調研和技術(shù)論證基礎上，通過(guò)對制造費用的資金投人和節電效益的綜合分析，高壓變頻器委托成都佳靈電器制造有限公司生產(chǎn)。高壓變頻系統設置7段頻率分段控制功能，輸出頻率在5～60 Hz之間任意選擇以適應初級泵站工藝流程需要。高壓變頻器的安裝不但要能夠滿(mǎn)足現場(chǎng)設備運行操作的要求，而且也要充分考慮設備的檢修維護和巡視檢查的高壓電氣安全要求。高壓變頻系統完成實(shí)體連接后，進(jìn)行了系統調試和模擬運行，在凋試過(guò)程中解決了方案設計存在的系統控制技術(shù)上的缺陷，使頻率的分段區間最優(yōu)化地包含工藝流程可能出現的變化，從而確保高壓變頻系統運行的穩定性和可靠性，促使電能節約的最大化。高壓變頻系統投入運行后，通過(guò)跟蹤檢測，數據采集分析結果令人滿(mǎn)意。采集的數據如表l所列，而數據經(jīng)統計后列于表2。由表1和表2可見(jiàn)，該高壓變頻系統遵循設計原則，實(shí)現了設計目標。

5 結語(yǔ)
高壓變頻器技術(shù)應用于尾礦初級泵站取得成功，高壓變頻器系統無(wú)故障連續運行已達4000h，高壓變頻設備運行穩定可靠，月節約電能平均達到5lO4kWh。