变频器在尾矿输送系统和循环水系统中的节能应用

2021-04-19

矿山机械 2021年4期

河北钢铁集团矿业有限公司承德柏泉铁矿河北承德 067500

柏泉铁矿选二作业区斜板浓密机浓缩后的矿浆进入尾矿砂泵站，沉淀后的清水进入循环水泵站。因选矿工艺中有浮选选磷环节，选磷药剂使清水水质变差，导致环水泵故障率高，供水水压不稳定。尾矿输送系统为接续运行，接续泵站使用前期电耗严重。鉴于以上原因，循环水系统和尾矿输送系统亟需优化改造。

1 尾矿输送系统优化

1.1 尾矿输送系统运行现状

柏泉铁矿选二作业区有 2 个尾矿砂泵站，一级泵站有 2 台渣浆泵，串联运行；二级泵站有 1 台渣浆泵，用来接续运行。通过 2 条尾矿管路 (一用一备) 将尾矿输送至尾矿库。一级泵站与尾矿库的距离为 1 400 m，尾矿库初期坝顶部标高比一级泵站高 48 m，尾矿库每年升高约 8 m。尾矿库全生命周期共设计三级接续泵站，一级泵站为双级扬送，二级泵站和三级泵站为单级扬送。尾矿输送系统简图如图 1 所示。

图1 尾矿输送系统简图

随着尾矿库的不断升高，一级泵站接近满负荷运转，已无法满足尾矿输送需求，于是在尾矿库南侧标高 600 m 处增加二级接续泵站。因工艺原因，二级接续泵站投入使用之初，负载率较低，接续砂泵流量存在较大富余，若以额定转速运行会增加电耗；若采用控制阀门开度调节管路流量，导致单产电耗升高的同时，阀门等易损件磨损快，易损件的检修时间长，影响生产稳定性。

1.2 变频调速对比测算

根据流体力学原理，泵的流量Q与n成正比，扬程H与n2成正比，轴的功率P与n3成正比。通过降低泵的转速，从而改变泵的性能曲线，电动机的功耗将明显降低[1-4]。

调节泵的转速，不但省电，而且由于扬程、流量的降低，泵的振动减轻，管道磨损降低。电动机运行频率较低时，其消耗功率也会有较大降低。阀门控制水泵流量如图 2 所示（图 2 中矩形AH1OQ1和矩形AH2OQ2的面积分别代表流量 100% 和流量 70% 的轴功率)[5]。

在电动机工频恒速运行，流量为 100% 情况下(工作点为A)，采取阀门调节方式获得 70% 流量 (工作点为B)，会导致尾矿管道阻力增大，轴功率下降不明显。

采用变频调速电动机控制流量时，由于尾矿管道特性没有改变，水泵特性发生变化 (工作点为C)，故其输入功率显著降低。变频调节水泵流量如图 3 所示。

图2 阀门控制水泵流量

图3 变频调节水泵流量

如上所述，轴功率P与n3成正比。采用变频器进行调速，二级接续砂泵使用初期转速可降低到额定转速的 82%，流量降到额定流量的 82%，轴功率降到额定功率的 55.14%。可见，在水泵中采用变频调速控制方式来调节流量，节能效果非常明显。

1.3 实施方案

初级泵站空间狭小，改造困难比较大，投资费用大。目前初级泵站的运转率已接近 100%，不再进行改造。把二级接续泵的普通工频电动机改为变频调速电动机，并配置高压变频控制柜。二级泵站共 2 台砂泵，需安装 2 台变频启动柜。

1.4 实施效果

安装完成后通过调速节能，节能效果可持续到二级接续泵站满负荷运行为止。使用初期频率只有 41 Hz，轴功率降幅接近 45%。安装变频控制柜不但可以变频调速节能，还可以提高电动机功率因数，降低电动机启动电流，一举多得。

2 循环水系统优化

2.1 循环水泵工作现状

选二作业区循环水泵电动机原使用软启动器控制泵的启停。软启动器是一种集电动机软启动、软停车、轻载节能等多功能于一体的新型电动机控制装置。

循环水泵站原设计安装 3 台型号 Y315M-4、功率 160 kW 的电动机，驱动离心泵为选矿车间供水，作业方式为两用一备。实际启动离心泵时，需将离心泵的出口阀门关闭，否则软启动无法切换到全压运行，设备无法启动。为了获取理想的管路扬程、用水扬程及流量，需频繁地调整阀门开度，增加了劳动强度。若调整不当，还会发生跳闸事故。同时，整体用水量因停车检修、冲洗管道、原矿性质变化等原因，需要不停的调节水量。原有工作点调节方式只能是调节阀门开度来控制水量。因为是人工调节，所以调节速度慢，经常造成车间水压不稳，工艺不稳定。因水质较差，阀门故障率高，工人维修难度和操作强度都非常大。

2.2 变频优化改造方案

由于水质较差，叶轮磨损严重，将 1 号泵更换为渣浆泵，采用 YVF2-400-6 型电动机，功率为 315 kW，加装变频启动柜，低于工频运行。将 2 号泵电动机由原来的软启动改造为变频启动，同时在管道上增加压力传感器和配套 PLC 控制系统，通过管道压力调节 2 号水泵变频器的设定频率，以调节水泵转速。通过水泵变频运转，实现管道恒压自动运行。3号泵电动机暂不进行改造，做为备用泵。

2.3 变频优化改造效果

正常生产下，1 号泵工作频率为 44 Hz，2 号泵工作频率在 32～ 40 Hz 之间，节能效果明显。改造后，既可实现水泵的变频节能，又可以保证车间水压，进而稳定生产工艺。1 号和 2 号泵可直接通过变频启动，不需要再控制阀门，基本不需要人工操作，降低了工人劳动强度，低频运行降低了叶轮转速，提高了易损件使用寿命。