高壓變頻器在尾礦輸送系統(tǒng)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
尾礦輸送是選礦廠生產(chǎn)工藝流程的最末端，在尾礦輸送成本費用的總數(shù)中，電能消耗費用占有較大的份額。本文所述的選礦廠其尾礦輸送工藝流程要求在尾礦輸送系統(tǒng)的初級泵站內(nèi)，輸送泵裝配高壓電動機。該高壓電動機的額定參數(shù)為：P=3lOkW，U=6kV，=34A。由于生產(chǎn)條件的限定，初級泵站的運轉(zhuǎn)率幾乎是100％，電動機運行時輸入電流一般為22A左右，月耗電量16104kw．h以上。近年來由于該選礦廠生產(chǎn)工藝流程的改變，使得尾礦輸送的工藝流程出現(xiàn)了兩個途徑。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(tǒng)中，初級泵站的尾礦輸送出現(xiàn)了電能的浪費現(xiàn)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表示電動機輸出功率，P2=200 kW，P1=230 kW；W表示尾礦輸送量，基本是一個恒定值。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機的功率消耗。

2 選用高壓變頻技術是初級泵站最佳改造方案
為了尋求節(jié)約電能的最佳方案，對初級泵站的主體設備進行了改造試驗。在不改變電動機轉(zhuǎn)速的情況下，用210 kW的電動機替換3lOkW電動機。在試驗條件下，初級泵運行的電動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。但是試驗過程中出現(xiàn)了初級泵站啟動過程繁瑣化，啟動時需要利用閥門控制，逐漸實現(xiàn)尾礦的全部輸送，啟動過程所需要的時間長，無法滿足選礦廠生產(chǎn)工藝流程的要求。分析造成這種現(xiàn)象的主要原因是電動機額定容量減少后，電動機的啟動轉(zhuǎn)矩也隨之下降，無法保證輸送泵象原來一樣地迅速啟動。

如果應用高壓變頻技術控制原配電動機，即可實現(xiàn)電能效率的最大化，又可以簡化啟動過程和縮短啟動時間。根據(jù)輸送泵相關參數(shù)的關系式和電動機的轉(zhuǎn)速公式

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

可以得到電動機在不同頻率下運行時與電動機的功率關系式

式(5)說明了電動機運行在較低的頻率下，其消耗電能功率會有較大的降低。但是電動機隨著輸入電源頻率的下降，其轉(zhuǎn)速也隨著下降。輸送泵轉(zhuǎn)速下降后能否保證原系統(tǒng)的工藝流程，也就是說能否保證在流量恒定不變的狀態(tài)下，實現(xiàn)尾礦順利輸送。從上述實驗中得到了系統(tǒng)穩(wěn)定下電動機的輸出功率下降范圍在40～80kW。根據(jù)式(5)的計算比較，輸入電源頻率的變化應在30～45Hz范圍內(nèi)確定。再根據(jù)式(3)的計算比較，電動機的同步轉(zhuǎn)速應在600～900 r／min的范圍內(nèi)確定。為確保高壓變頻器技術在初級泵站的應用投資與收益相符合，再次用8極電動機(同步轉(zhuǎn)速750 r／min)在初級泵站進行了工藝流程試驗，在其它條件不變的情況下，尾礦穩(wěn)定輸送。試驗結果表明電動機在一定范圍低轉(zhuǎn)速下運轉(zhuǎn)，輸送泵能夠保證原生產(chǎn)系統(tǒng)工藝流程。先后兩次電力拖動實驗取得的數(shù)據(jù)，堅定了該系統(tǒng)應用高壓變頻技術能夠?qū)崿F(xiàn)節(jié)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(jù)為：采用“直高”變頻器技術，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)；變頻設備要求重量輕，廠房結構允許最大承重量4500 kg；變頻設備內(nèi)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(tǒng)控制方式采用開環(huán)控制，分7段頻率輸出與工藝流程相對應實現(xiàn)人機對話控制；高壓變頻器系統(tǒng)具備多功能的電信號保護和足夠的過載能力，保證高壓變頻系統(tǒng)運行的可靠性和穩(wěn)定性；設計目標是月節(jié)能4104kWh．

根據(jù)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，通過調(diào)研、比較、論證，最終確定了初級泵站應用高壓變頻器技術的設計方案。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)，設備總重量不大于3 500 kg。其中2#變頻柜長1 600mm，內(nèi)裝整流橋單元和逆變橋單元；3#系統(tǒng)控制柜長970mm，內(nèi)裝控制電路、保護電路和人機對話顯示系統(tǒng)4#低壓柜長800mm，內(nèi)裝低壓電源支持配電設備；l#開關濾波柜長1 600mm，內(nèi)裝開關單元、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(nèi)運轉(zhuǎn)率100％，按全年二次全廠停車檢修時間計算，要求高壓變頻器能夠達到連續(xù)運行750 h以上，無故障運行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(tǒng)過載能力100％，為實現(xiàn)高壓變頻系統(tǒng)運行的可靠性和穩(wěn)定性，在高壓變頻器控制系統(tǒng)中引入過流、短路、缺相、欠壓、過壓、接地、過熱、過載和電涌共9種功能保護，為防止功率器件在系統(tǒng)異常狀態(tài)時損壞，設置主器件工作性能保護電路。為最大化的滿足初級泵站生產(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、停車、頻率分段調(diào)節(jié)和狀態(tài)指示功能；在3#柜控制柜版面還設置人機對話窗口，主控畫面靜態(tài)顯示變頻系統(tǒng)當前運行狀況，移動畫面通過觸摸顯示變頻系統(tǒng)內(nèi)相關溫度和電能參數(shù)。

4 安裝與調(diào)試
從高壓變頻器技術在初級泵站的實用出發(fā)，在市場調(diào)研和技術論證基礎上，通過對制造費用的資金投人和節(jié)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(tǒng)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足現(xiàn)場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(tǒng)完成實體連接后，進行了系統(tǒng)調(diào)試和模擬運行，在凋試過程中解決了方案設計存在的系統(tǒng)控制技術上的缺陷，使頻率的分段區(qū)間最優(yōu)化地包含工藝流程可能出現(xiàn)的變化，從而確保高壓變頻系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性和可靠性，促使電能節(jié)約的最大化。高壓變頻系統(tǒng)投入運行后，通過跟蹤檢測，數(shù)據(jù)采集分析結果令人滿意。采集的數(shù)據(jù)如表l所列，而數(shù)據(jù)經(jīng)統(tǒng)計后列于表2。由表1和表2可見，該高壓變頻系統(tǒng)遵循設計原則，實現(xiàn)了設計目標。

5 結語
高壓變頻器技術應用于尾礦初級泵站取得成功，高壓變頻器系統(tǒng)無故障連續(xù)運行已達4000h，高壓變頻設備運行穩(wěn)定可靠，月節(jié)約電能平均達到5lO4kWh。