МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ
УНИВЕРСИТЕТ «МИСиС»
ИНСТИТУТ ГОРНЫЙ
КАФЕДРА ЭНЕРГЕТИКИ И ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ ГОРНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ
НАПРАВЛЕНИЕ 13.03.02 «ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКА И ЭЛЕКТРОТЕХНИКА»
ПРОФИЛЬ «УПРАВЛЕНИЕ ЭНЕРГОРЕСУРСАМИ ОРГАНИЗАЦИЙ, ПРЕДПРИЯТИЙ И УЧРЕЖДЕНИЙ»
ВЫПУСКНАЯ
КВАЛИФИКАЦИОННАЯ
РАБОТА БАКАЛАВРА
на тему: Повышение энергоэффективности конусной дробилки в технологической
линии рудоподготовки обогатительной фабрики в условиях ГОК «Вернинский»
Студент Деревнин Игорь Андреевич
Руководитель работы д.т.н., профессор Бабокин Г. И.
Работа рассмотрена кафедрой и допущена к защите в ГЭК
Москва 2020
МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ
УНИВЕРСИТЕТ «МИСиС»
Институт Горный
УТВЕРЖДАЮ
Кафедра ЭЭГП
Зав. кафедрой ЭЭГП
Направление 13.03.02
______________ проф. Ляхомский А.В.
«27»
____________________________________
февраля
2020г.
ЗАДАНИЕ
НА ВЫПОЛНЕНИЕ ВЫПУСКНОЙ
КВАЛИФИКАЦИОННОЙ РАБОТЫ БАКАЛАВРА
Студенту группы Деревнину Игорю Андреевичу
(Ф.И.О. полностью)
Тема работы Повышение энергоэффективности
конусной дробилки в технологической
линии рудоподготовки обогатительной фабрики в условиях ГОК «Вернинское»
Исходные данные: задание для выполнения выпускной квалификационной работы, нормативно-техническая литература, материалы курсовых проектов, отчеты по производственной и преддипломной практикам. Технические параметры конусной дробилки: Производительность Q - 190-730 т/ч ; максимальная
рекомендуемая мощность Nmax - 220 кВт; скорость вращения приводного вала n - 11,6-20 об/с; диаметр
основания подвижного конуса Dk - 1,078 м; ширина разгрузочной щели b - 0,01-0,045 м; механический
КПД привода η - 0,85.
Форма промежуточной отчетности: предоставление разделов и выполнение подготовленных разделов
работы
Смотр хода дипломного проектирования: в соответствии с планом смотра выпускной квалификационной работы
Экономическое обоснование принятого научно-технического решения: технико-экономического обоснование применения безредукторного привода питателя и регулируемого привода конусной дробилки;
характеристики ленточного конвейера КЛС-650;
2
Перечень (примерный) основных вопросов, которые должны быть рассмотрены и проанализированы в
литературном обзоре
Анализ методов повышения энергоэффективности конусных дробилок и энергосберегающих систем электропривода. Анализ процесса дробления.
_______________________________________________________________________________________________
_______________________________________________________________________________________________
_______________________________________________________________________________________________
_______________________________________________________________________________________________
Перечень (примерный) демонстрационного или презентационного материала
Технологическая схема участка дробления; зависимости удельного потребления электроэнергии от коэффициента дробления, сопротивления сжатию исходного материала, скорости вращения конуса; характеристики выбранного СДПМ; капитальные, эксплуатационные затраты, экономии при внедрении СДПМ; зависимости срока
окупаемости от стоимости СДПМ; зависимость КПД от коэффициента тяги в клиноременной передаче; зависимость КПД гидромуфты от скорости вращения турбинного колеса; характеристики электродвигателя WEG
355M/L-04; Общая функциональная схема бездатчикового полеориентированного управления; формы сигналов
на разных этапах преобразования при полеориентированном управлении
Руководитель работы
(Должность, звание, ф.и.о.)
(подпись)
Дата выдачи задания 12.02.2020
Задание принял к исполнению студент
(подпись)
3
АННОТАЦИЯ
Деревнин И.А. Повышение энергоэффективности конусной дробилки
в технологической линии рудоподготовки обогатительной фабрики в условиях
ГОК «Вернинское». – Москва: НИТУ «МИСиС»;
2020, 48 с., 9 ил., 10 табл., библиографический список – 13 наим.
Целью квалификационной работы является исследование закономерностей формирования энергетических характеристик дробилки и разработка технических решений повышающих энергоэффективность конусной дробилки и ленточного питателя. В пояснительной записке представлены зависимости мощности, производительности, удельного энергопотребления от управляющих и возмущающих параметров. Производится выбор синхронного двигателя с постоянными магнитам ленточного питателя, технико-экономическое обоснование выбора, построение математической модели выбранного двигателя. Проведен анализ существующих электроприводов конусной дробилки и обосновано применение частотно-регулируемого электропривода с векторным управлением.
4
Abstract
Derevnin I. A. Energy Efficiency Cone Crusher
in the ore preparation line of the processing plant under the conditions
of «Verninskoye». - Moscow: NUST “MISiS”; 2020
In the work presented 48 pages, 20 figures, 7 tables
The purpose of the qualification work is to study the regularities of the formation
of energy characteristics of the crusher and develop technical solutions that increase
the energy efficiency of the cone crusher and the belt feeder. The explanatory note
presents the dependence of power, productivity, and specific energy consumption on
the control and disturbing parameters. A synchronous motor with permanent magnets
of a belt feeder is selected, a feasibility study of the choice is made, and a mathematical
model of the selected motor is constructed. The analysis of existing electric drives of a
cone crusher is carried out and the application of a frequency-controlled electric drive
with vector control is justified.
5
ОГЛАВЛЕНИЕ
1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ............................................................................................ 9
2. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА
ПОВЫШЕНИЯЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ КОНУСНОЙ ДРОБИЛКИ ........ 12
3. ИССЛЕДОВАНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК КОНУСНОЙ
ДРОБИЛКИ ................................................................................................................ 19
4. ПОВЫШЕНИЕ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ ЭЛЕКТРОПРИВОДА
ПИТАТЕЛЯ................................................................................................................ 25
5. ПОВЫШЕНИЕ ЭНЕГОЭФФЕКТИВНОСТИ ЭЛЕКТРОПРИВОДА
КОНУСНОЙ ДРОБИЛКИ ........................................................................................ 32
5.1 Анализ электропривода конусной дробилки.................................................... 32
5.2 Выбор электродвигателя и частотного преобразователя ................................ 35
5.3 Технико-экономический анализ использования прямого привода с
частотным преобразователем................................................................................... 37
5.4 Выбор закона управления частотного преобразователя ................................. 43
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ......................................................................................................... 48
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ ...................................................... 49
6
ВВЕДЕНИЕ
Процессы дробления и измельчения минерального сырья в горной и строительной промышленности являются широко распространенными и к тому же
энергоемкими технологическими процессами, потребляющими около 20% от потребляемой горно-обогатительным предприятием электрической энергии [1].
Тенденция развития рудоподготовки — это использование высокопроизводительного оборудования большой единичной мощности и интенсификация
процессов дробления. Для дробления материалов применяются щековые, молотковые и конусные дробилки.
Наибольшее применение для дробления твердых материалов нашли конусные дробилки, которые применяются для крупного, среднего и мелкого дробления. Принцип их работы основан на раздавливании материала внутри неподвижного конуса, другим, подвижным конусом. При вращении головка подвижного
конуса с одной стороны приближается к корпусу, разрушая куски сырья, а с другой – удаляется от него, обеспечивая высыпание продукта.
Для достижения цели в дипломной работе поставлены и решены следующие задачи:
-Исследование влияния параметров дробимой руды, скорости вращения
конуса дробилки, коэффициента дробления, размера исходного материала и продукта дробления на энергетические параметры дробилки, потребляемую мощность и удельный расход электроэнергии.
-Замена редукторного электропривода ленточного конвейера на безредукторный электропривод с синхронным двигателем с постоянными магнитами и
технико-экономическая оценка замены.
7
- Замена клиноременной передачи электропривода конусной дробилки на
прямой привод с частотным преобразователем, технико-экономическая оценка
предлагаемого решения.
8
1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Полюс Вернинское представляет собой предприятие по добыче рудного
золота, которое находится в Бодайбинском районе Иркутской области, 1100 км
к северо-востоку от Иркутска. Полюс Вернинское разрабатывает Вернинское золоторудное месторождение. Запущенный в эксплуатацию 30 декабря 2011 года
ГОК Вернинское является одним из самых технически совершенных предприятий золотодобывающей отрасли России.
ПАО «Полюс» — крупнейший производитель золота в России и одна из 10
ведущих глобальных золотодобывающих компаний, себестоимость производства на предприятиях которой является одной из самых низких в мире.
Месторождение Вернинское находится в центральной части Бодайбинского района Иркутской области, в 146 км от города Бодайбо, в 6 км от поселка
Кропоткин.
Первичная переработка руды осуществляется по гравитационно-флотационноцианистой схеме с выделением «золотой головки» и последующим гидрометаллургическим извлечением золота.
Для обеспечения усреднения минерального сырья и создания аварийного
запаса организована укладка дробленой руды в штабельный склад трехсуточной
ёмкости.
Руда доставляется с карьера автосамосвалами и после взвешивания на автовесовой поступает в технологический процесс.
Далее руда подаётся в приёмный бункер через приемную решетку с отверстиями 670х740 мм. Крупные куски руды (негабариты) разбиваются гидроманипулятором на решетке бункера. Из бункера исходная руда пластинчатым питателем подается в дробилку Nordberg C150.
9
Дробленая руда подается конвейером и штабелеукладчиком на склад дробленой руды. Работы по формированию склада осуществляются колесным погрузчиком.
Измельчение руды на первой стадии осуществляется в мельнице ММПС7,0х4,2 с выводом надбутарного продукта класса -50+20мм на дробление в дробилке Metso HP 300. Далее, дробленый продукт системой конвейеров направляется в мельницу ММПС-7,0х4,2. Подбутарный продукт класса -20 +15 мм
направляется на вторую стадию измельчения в мельницу МШЦ - 4,5х7,5.
Подбутарный продукт мельницы ММПС-7,0х4,2, класса-15+0мм, направляется на операцию грохочения на грохотах Knelson Sizetec SDS816, совместно
с разгрузкой мельниц МШЦ-4,5х7,5 и МШЦ-4,0х5,5.
Подрешетный продукт грохотов (класса -2+0мм) направляется на операцию гравитации в центробежных концентраторах. Хвосты гравитации направляются на классификацию в батарею гидроциклонов Krebs GMAX-500 (7шт. в батарее диаметр гидроциклонов 500мм).
Слив гидроциклонов направляется на операцию флотации, а пески, являющиеся циркуляционной нагрузкой, делятся на две части:
- одна из частей (70%) песков гидроциклонов совместно с надрешетным продуктом грохочения класса +2мм направляется в мельницу МШЦ-4,5х7,5.
- другая часть песков гидроциклонов (30%) направляется в приемный зумпф
насоса поз. 18-1/2 и далее поступает на гравитацию в двух концентраторах
Knelson-ХD48-MS.
Хвосты гравитации Knelson-ХD48-MS направляются в цикл классификации в гидроциклонах Warman CVX-650 (2шт), с целью обезвоживания и подачи
песков в мельницу МШЦ-4,0х5,5. Слив классификации хвостов гравитации объединяется с разгрузкой мельницы МШЦ-4,0х5,5 и поступает в приемный зумпф
насосов и далее направляется на грохотах Knelson Sizetec SDS816.
10
Технологическая схема участка дробления представлена на рисунке 1.1
Рисунок 1.1— Технологическая схема участка дробления
11
2. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА ПОВЫШЕНИЯ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ КОНУСНОЙ ДРОБИЛКИ
Энергоэффективность работы дробилок определяется техническим удельным расходом электроэнергии, определяемым как отношение потребляемой
электрической мощности P к производительности дробилки Q.
При эксплуатации дробилки изменяются параметры дробимого материала,
режимы работы дробилки и энергоэффективность дробилки, которая характеризуется эксплуатационным удельным расходом электроэнергии, равным отношению потребленной электроэнергии за смену (сутки) к объему или весу выпущенного продукта.
Анализ работ по исследованию энергетических характеристик конусных
дробилок показал, что в работах [1] аналитически и экспериментально исследовано влияние конструктивных и режимных параметров на энергопотребление
дробилок и обоснованы их конструктивные параметры. Так же отмечены высокие затраты энергии на дробление конусными дробилки мелкого дробления
ввиду трудностей при координировании свойств материала, который подвергается дроблению и свойств питания с характеристиками оборудования. Установлены экспериментальные зависимости энергозатрат при дроблении кусков горных пород от характерного размера кусков и относительной деформации.
В статье [4] рассмотрены основные факторы, которые влияют на энергоемкость при дроблении на различных стадиях рудоподготовки с целью доказать
возможность снижения уровня потребления в технологическом процессе. Сделаны выводы, которые доказывают возможность снижения энергозатрат и мощность электропривода дробилки на 25-30% за счет правильного выбора камеры
дробления и организации питания дробилки.
12
В работах [6] предложено характеризовать уровень энергопотребления
дробилок удельной мощностью и относительной мощностью и показано, что эти
параметры зависят от крупности исходного материала, степени дробления, крепости пород. Экспериментальные энергетические характеристики дробилок получены для ряда серийно выпускаемых дробилок применительно к конкретным
физическим свойствам дробимого материала [1]. В работах [2,3,6] для определения мощности, потребляемой электроприводом и производительности дробилки,
приведены различные формулы, полученные аналитически или экспериментально. Большинство из них рассчитаны для конкретных типов дробилок, либо
дают результаты, отклоняющиеся от данных завода изготовителя.
Кроме этого, существует большое количество разработок САУ конусных
дробилок, где рассмотрены системы по стабилизации мощности, потребляемой
электроприводом изменением частоты вращения привода питателя; системы стабилизации производительности дробилки по исходной руде изменением частоты
вращения привода питателя; системы стабилизации суммарного сигнала производительности и мощности с воздействием на частоту вращения привода питателя[7], В работе [8] предложено три типа алгоритма управления частотой качаний подвижного органа дробилки. Для реализации алгоритма первого типа автор
предлагает использовать релейный элемент, который будет изменять входящий
сигнал ступенчато при соответствующих изменениях тока. Для реализации алгоритма 2-го типа необходимо использовать специальные устройства, которые измеряют динамическую составляющую тока по ускорению привода, при этом будет решаться вопрос получения статической составляющей тока из полного тока
во время переходного процесса по корректированию задания. В алгоритме 3-го
типа процесс регулирования происходит в 2 этапа. На первом этапе регулируется
размер щели дробилки, а на втором этапе скорость вращения электропривода [8].
Работу конусных дробилок можно предсказать и, соответственно, обеспечить наиболее эффективный режим дробления таких твердых пород как медная
руда, золотоносный кварцит и железные руды. Предприятия производящие
13
дробилки используют новейшие разработки конструкционных материалов, опыт
эксплуатации и результаты обширных научных исследований.
При работе конусных дробилок в производственных условиях существуют
ограничения, связанные с таким параметрами их работы как предельный объем
загружаемого материала, предельная установленная мощность двигателя, предельные усилия внутри камеры дробления. Ниже описаны указанные параметры
подробнее.
1. Предельный объем загружаемого материала.
Предельный объем имеет место, когда скорость подачи загружаемого материала соответствует скорости его прохода через камеру дробления. Данный
параметр зависит от скорости подачи загружаемого материала, ширины разгрузочной щели, формы камеры дробления, а также от свойств материала, который
подвергается дроблению. дроблению.
2. Предельная установленная мощность двигателя.
Каждый компонент конусной дробилки предназначен для работы с определенным значением мощности двигателя. Попытки превысить значения мощности, установленные производителем, могут привести к перегрузке или уменьшению срока службы. На мощность, потребляемую двигателем, и на выбор камеры дробления влияют характеристики дробимого материала, скорость подачи
питания, ширина разгрузочной щели, коэффициент измельчения и режим дробления.
3. Предельное усилие внутри камеры дробления.
Конические дробилки сконструированы для работы в рамках заданных механических и конструкционных ограничений.
В процессе дробления, внутри камеры возникают усилия, которые, в случае превышения расчетного предела, должны ослабляться, для того чтобы избежать возможного выхода из строя. Этого можно достичь с помощью
14
предварительно нагруженных механических или гидравлических устройств, которые служат в качестве предохранительного механизма, эффективно защищающего долговременную механическую целостность дробилки.
На величину усилия, возникающего в камере дробления влияют такие факторы как: тип материала, скорость подачи питания, наличие «недробимого» материала, ширина разгрузочной щели и режим дробления.
При работе конусных дробилок в случае неадекватного оперативного контроля и поддержании нерациональных условий питания можно потерять значительные преимущества, который достигаются при высокоэффективном дроблении.
Системы питания, которые сконструированы плохо могут значительно
снизить производительность дробилок. К сожалению, данный факт зачастую
упускается из виду операторами, а так же руководством горных предприятий.
Аспекты, которые влияют на производительность конусной дробилки описаны ниже:
1. Работа «под завалом»
Для эффективной работы необходимо обеспечить условие работы «под завалом». Таким условиям соответствует режим работы, при котором камера дробления заполняется до точки, в которой мощность максимальная, но дробилка не
переполняется. В современных технологиях дробления процесс является многоярусным, в нем преобладает межчастичное дробление, которое позволяет достичь более мелкого и высококачественного кубического материала, который
очень ценится на горных предприятиях и в производстве заполнителей.
Условие работы «под завалом» также обеспечивает повышение поверхностной твердости дробящих деталей машины, содержащих марганец, что необходимо для достижения оптимальной износоустойчивости и наименьших затрат
на тонну дробленого материала.
2. Равномерно распределенное питание
15
Для того чтобы обеспечить приемлемый срок службы футеровки, оптимальное использование установленной мощности и производство материалов, которые будут удовлетворять требованиям необходимо, чтобы питание было распределено равномерно по всей камере дробления. Если материал будет распределяться по высоте слоя в зависимости от размера, то дробление будет происходить
неравномерно, а также увеличится износ внутренней поверхности камеры дробления.
В случае избытка фракции конкретного размера и свободы материала питания
происходит неравномерный, произвольный износ частей дробилки, который
снижает эффект «межчастичного дробления». Все это приводит к повышению
эксплуатационных затрат и снижает объем выпуска и качество дробленного материала.
3. Выбор камеры дробления
Важность правильного выбора камеры дробления невозможно переоценить. Это так же важно, как кинематика и динамика самой конструкции дробилки. Камера дробления должна быть выбрана правильно, чтобы она обеспечивала свободное и беспрепятственное проникновение материала питания внутрь
камеры на протяжении всего времени своего срока службы и гарантировала равномерный износ дробящих деталей сверху донизу.
Определение следа износа на старых футеровках четко укажет на то, пригодна ли такая футеровка для конкретной сферы применения или она слишком
мелкая, или наоборот слишком грубая. Часто питание дробилки может меняться
из-за неконтролируемых изменений в условиях процесса переработки. Это может стать результатом того, что ширина разгрузочной щели дробилки верхнего
уровня становится больше из-за износа и производства более крупного продукта,
или наоборот, изменения распределения крупности материала питания на операции замкнутого цикла, как результата изменений эффективности грохота и пр.
Регулярный мониторинг условий питания и плановая проверка изнашиваемых
16
частей дробилки покажут, необходима ли переоценка конструкции камеры дробления.
4. Контроль скорости подачи питания с использованием средств автоматизации
дробилки
При неравномерной подаче руды скорость износа футеров возрастает. Так
же причиной крупного выходного материала плохого качества может быть нерациональное использование мощности. Оба условия повышают затраты и ухудшают качество конечного продукта, а в общем являются неэффективными для
поставленных целей.
Существуют различные системы автоматизации, которые можно приспосабливать для конкретных условий эксплуатации предприятия. Например, если
задать параметр «постоянной нагрузки», то оператор должен выбирать заданное
значение мощности и блок контроля нагрузки автоматический регулирует величину разгрузочной щели, так чтобы мощность, потребляемая двигателем, ограничивалась заданными пределами.
При выборе режима «постоянной ширины разгрузочной щели», оператор
задает нужную установку, и конусная дробилки самостоятельно регулирует этот
параметр. Блок управления будет регулировать заданную установку во время
всего процесса дробления.
Особенностью систем автоматического управления конусными дробилками является возможность «самообучения», которая позволяет добиться требуемого гранулометрического состава конечного продукта дробления и максимального срока службы футеровок за счет компенсации износа механизмов дробилки. Так же можно в режиме реального времени предоставлять всю необходимую информацию о механизме и выявлять неполадки до того, как потребуется
срочный ремонт.
На производительность и качество выходного материала любой дробилки
влияют так же такие параметры как:
17
- содержание влаги;
- содержание вредных материалов;
- содержание глины и липких материалов и т. д.
Влияние возросшей производительности, получение материалов более
мелких фракций и улучшенной формы за счет использования усовершенствованной технологии дробления способствуют достижению наивысшей производительности и минимальным эксплуатационным затратам, которые в свою очередь
обеспечивают максимальную рентабельность.
Процесс дробления материалов является энергоемким и существенно повышает себестоимость и снижает конкурентоспособность конечного продукта
горнодобывающего предприятия. Поэтому исследование, направленные на повышение энергоэффективности конусной дробилки является актуальным.
18
3. ИССЛЕДОВАНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК КОНУСНОЙ ДРОБИЛКИ
Для определения удельного расхода электроэнергии и оценки энергоэффективности дробилки необходимо исследование ее энергетических характеристик – зависимостей потребляемой мощности и удельного расхода электроэнергии в функции параметров дробимого материала и режимов ее работы [12,13].
Применен метод численного эксперимента с помощью аналитической модели.
При исследовании, для определения мощности, потребляемой электроприводом, применена формула [6]:
𝑁дв =
𝜋2 𝜎 2 𝐷к
0,01224𝐸𝜂
2
2 )𝑛𝐾
(𝐷св
− 𝑑св
пр
(1)
где σ– временное сопротивление сжатию исходного материала, МПа; Dk - диаметр основания дробящего конуса, м; Е - модуль упругости материала, МПа; η –
механический КПД привода; Dсв и dcв
– средневзвешенный размер, соответ-
ственно, исходного материала и продукта дробления, м; n – частота вращения
(качаний) дробящего конуса, об/с; kпр – суммарный поправочный коэффициент
учитывающий типоразмер и конструктивное исполнение дробилки, динамику
процесса дробления и степень заполнения камеры дробления.
Объемная производительность конусной дробилки определялась по формуле [3]:
𝑉 = 𝜋𝑑св 𝐷к 𝑙𝑛𝜇,
где 𝑙 =
𝐷к
12
– высота зоны параллельности; μ - коэффициент разрыхления матери-
ала.
Исследование было проведено для дробилки METSO HP-300, которая отличается высокой надежностью, повышенной производительностью, простотой
и удобством технического обслуживания.
Технические характеристики дробилки METSO HP-300:
19
Производительность Q - 190-730 т/ч ; максимальная рекомендуемая мощность
Nmax - 220 кВт; скорость вращения приводного вала n - 11,6-20 об/с; диаметр
основания подвижного конуса Dk - 1,078 м; ширина разгрузочной щели b - 0,010,045 м; механический КПД привода η - 0,85.
Параметры дробимого материала соответствуют месторождению «Вернинское»:
Временное сопротивление сжатию исходного материала σ - 60-130 МПа; среднее
значение временного сопротивления сжатию исходного материала
σ - 99 Мпа;
модуль упругости материала Е - 7000 МПа; коэффициент разрыхления материала
μ – 0,5; плотность руды ρм – 2,7 т/м3; средневзвешенный размер соответственно
исходного материала Dсв – 0,06 м.
Для расчета мощности электродвигателя при различных исследуемых параметрах необходимо рассчитать Кпр - суммарный поправочный коэффициент
характеризующий типоразмер и конструктивное исполнение дробилки.
По формуле (1) для предельных параметров материала дробилки и максимальной установленной мощности дробилки найден Кпр:
𝐾пр =
0,01224𝐸𝜂𝑁дв
2 − 𝑑 2 )𝑛
𝜋 2 𝜎 2 𝐷к (𝐷св
св
Для рассматриваемой конусной дробилки METSO HP-300 и при Dсв=60
мм, ширине разгрузочной щели равной 10 мм и средневзвешенном размере частиц дробления равен dсв=20 мм коэффициент Kпр=1,39
Принимая, что размер продукта дробления равен ширине разгрузочной
щели, рассчитаны зависимости производительности (Q), потребляемой мощности электродвигателя (p) и удельного расхода конусной дробилки (ω) от коэффициента дробления (i), представленные в табл. 3.1 и на рис. 3.1
20
Таблица 3.1—Зависимость удельного потребления электроэнергии от коэффициента дробления
1400
0,9
0,8
1200
0,7
1000
0,6
800
0,5
600
0,4
0,3
400
0,2
200
0,1
0
0
0,0
2,0
4,0
6,0
ω, кВтч/т
N, кВт
Мощность, Мощность, Мощность,
потребляе потребляе потребляе
Удельное Удельное Удельное
мая
мая
мая
энергопот энергопот энергопот
Коэффици двигателе двигателе двигателе
ребление ребление ребление
Диаметр ент
м при
м при
м при
Производи при
при
при
выходной дроблени σсж=60
σсж=100 σсж=130 тельность σсж=60
σсж=100 σсж=130
щели d, м я i
МПа
МПа
МПа
Q, т/ч
МПа
МПа
МПа
0,010
6,00
51,26
142,38
240,63
295,45
0,17
0,48
0,81
0,013
4,62
50,25
139,57
235,88
384,09
0,13
0,36
0,61
0,016
3,75
48,97
136,04
229,90
472,73
0,10
0,29
0,49
0,019
3,16
47,44
131,76
222,68
561,36
0,08
0,23
0,40
0,022
2,73
45,63
126,76
214,23
650,00
0,07
0,20
0,33
0,025
2,40
43,57
121,02
204,53
738,64
0,06
0,16
0,28
0,032
1,88
37,73
104,79
177,10
945,46
0,04
0,11
0,19
0,038
1,58
31,57
87,71
148,23
1122,73
0,03
0,08
0,13
0,045
1,33
23,07
64,07
108,28
1329,55
0,02
0,05
0,08
Мощность при σсж=60
Мощность при σсж=100
Мощность при σсж=130
Производительность
Удельное энергопотребления
при σсж=60
Удельное энергопотребления
при σсж=100
Удельное энергопотребления
при σсж=130
8,0
i
Рисунок 3.1—Зависимость удельного потребления электроэнергии от коэффициента дробления
Из данных рис. 3.1 следует, для σmax=130 при изменении коэффициента
дробления от 1,3 до 6 производительность дробилки уменьшается от 1329 т/ч до
295 т/ч; потребляемая электроприводом мощность растет в пределах от 108 кВт
до 240 кВт, а удельное энергопотребление увеличивается 0,08 кВтч/т до 0,81
кВтч/т
21
Зависимости удельного потребления электроэнергии от сопротивления
сжатию исходного материала представлена в табл. 3.2 и рис. 3.2
Таблица 3.2—Зависимость удельного потребления электроэнергии от сопротивления сжатию исходного материала
N, кВт
1000,00
0,70
900,00
0,60
800,00
Удельное
энергопот
ребление
при i=1,9
Удельное
энергопот
ребление
при i=3,2
Удельное
энергопот
ребление
при i=4,6
0,04
0,05
0,07
0,09
0,11
0,13
0,16
0,19
0,08
0,12
0,15
0,19
0,23
0,28
0,34
0,40
0,13
0,18
0,23
0,29
0,36
0,44
0,52
0,61
ω, кВтч/т
Потребляе Потребляе Потребляе
Предел
мая
мая
мая
прочности
Производи Производи Производи
мощности мощности мощности
при
тельность тельность тельность
при
при
при
сжатии
при i=1,9 при i=3,2 при i=4,6
коэффици коэффици коэффици
σсж, МПА
енте
енте
енте
60
37,7
47,4
50,2
945,5
561,4
384,1
70
51,3
64,6
68,4
945,5
561,4
384,1
80
67,1
84,3
89,3
945,5
561,4
384,1
90
84,9
106,7
113,1
945,5
561,4
384,1
100
104,8
131,8
139,6
945,5
561,4
384,1
110
126,8
159,4
168,9
945,5
561,4
384,1
120
150,9
189,7
201,0
945,5
561,4
384,1
130
177,1
222,7
235,9
945,5
561,4
384,1
0,50
700,00
Мощность при i=1,9
600,00
0,40
500,00
0,30
400,00
300,00
0,20
Мощность при i=3,2
Мощность при i=4,6
Производительность при i=4,6
Производительность при i=1,9
200,00
0,10
100,00
0,00
0,00
50
70
90
110
130
150
σсж, Мпа
Рисунок 3.2—Зависимость удельного потребления электроэнергии от сопротивления сжатию исходного материала
При изменении предела прочности при сжатии от 60 МПа до 130 Мпа при
i=4,6 мощность, потребляемая электродвигателем дробилки, растет в виде квадратичной функции от 50 кВт до 235 кВт, при этом производительность остается
равной 384 т/ч, а удельное энергопотребление увеличивается от 0,13 кВтч/т до
0,61 кВтч/т
22
На табл. 3.3 и на рис. 3.3 представлены зависимости мощность, производительности удельного энергопотребления от скорости вращения конуса
Таблица 3.3—Зависимость удельного потребления электроэнергии от скорости
вращения конуса
Мощность,
Скорость
Удельное
потребляемая Производитель
вращения
энергопотребл
электродвигата
ность Q, т/ч
конуса, об/мин
ение кВтч/т
лем, кВт
128,3
146,7
165,0
183,3
201,7
220,0
172,3
197,0
221,6
246,2
270,8
295,5
N, кВт
350
0,95
300
0,9
250
0,85
200
150
0,745
0,745
0,745
0,745
0,745
0,745
ω, кВтч/т
700
800
900
1000
1100
1200
Мощность
Производительность
Удельное
энергопотребления
0,8
100
0,75
50
0
0
500
0,7
1500
1000
n, об/мин
Рисунок 3.3—Зависимость удельного потребления электроэнергии от скорости вращения конуса
Из рисунка 3.3 следует, что при увеличении скорости вращения дробилки
от 700 до 1200 об/мин производительность увеличивается от 172 т/ч до 295 т/ч
при этом мощность растят прямо пропорционально производительности дробилки от 128 кВт до 220 кВт, а удельное энергопотребление при этом не изменяется и равно 0,74 кВтч/т.
23
Исследования позволяют выяснить параметры, которые влияют на удельный расход электроэнергии. Исходя из зависимостей можно сделать следующие выводы:
1. С увеличением коэффициента дробления мощность, потребляемая электроприводом,
увеличивается неравномерно, при этом производительность дробилки снижается, а показатель удельного энергопотребления растет;
2. При увеличении придела прочности при сжатии и неизменном коэффициенте дробления мощность, потребляемая электроприводом дробилки и удельное энергопотребление, увеличиваются, а производительность не изменяется;
3. С увеличением скорости вращения мощность, потребляемая электроприводом дробилки и производительность дробилки, увеличиваются прямо пропорционально. При
этом удельное энергопотребление не изменяется;
4. Установленные зависимости удельного расхода от параметров исходного материала и
режимов работы дробилки позволяют оценить ее энергоэффективность и могут быть
использованы при автоматизации процесса дробления.
На основе анализа результатов исследования предложены технические решения
по улучшению энергоэффективности конусной дробилки:
1. Разработка безредукторного электропривода ленточного питателя с синхронным двигателем с постоянными магнитами;
2. Разработка регулируемого электропривода конуса дробилки;
3. Разработка системы автоматического регулирования, которая обеспечивает заданную производительность дробилки при минимальном удельном расходе
электроэнергии.
Из вышеуказанного детально было рассмотрено 1 решение, для которого
было проведено технико-экономическое обоснование.
24
4. ПОВЫШЕНИЕ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ ЭЛЕКТРОПРИВОДА
ПИТАТЕЛЯ
Повышения энергоэффективности электропривода ленточного питателя
можно достичь за счет использования безредукторного электропривода с синхронным двигателем с постоянными магнитами [13].
Анализ синхронных двигателей с постоянными магнитами, разработанных
различными фирмами, показал, что стоимость экспериментальных образцов
равно 1-1,5 млн. руб. Исходя из опыта разработки систем электропривода и других технических изделий можно сделать вывод, что стоимость изготовления экспериментальных образцов снижается в примерно 2 раза и при серийном производстве стоимость снижается еще в 1,5-2 раза. В связи с этим при технико-экономическом анализе стоимость СДПМ рассмотрена в пределах от 100 тыс. руб.
до 1 млн. руб.
Для замены привода с редуктором и асинхронным двигателем на безредукторный с синхронным двигателем с постоянными магнитами необходимо рассчитать технические характеристики, которыми должен обладать СДПМ.
Было решено производить замену на ленточном конвейере КЛС – 650 с
двигателем SEW KA97/T DRS160 M4 BE20HR.
Характеристики конвейера представлены в табл. 4.1
25
Таблица 4.1—Характеристики ленточного конвейера
Производительность конвейера, т/ч
200
Скорость движения ленты, м/с
1,6
Длина конвейера, м
22,4
Угол наклона, град
17°30'
Ширина ленты, мм
650
Мощность привода, кВт
11
Выбор синхронного двигателя с постоянными магнитами производим в
следующем порядке:
1. Найдем угловую скорость барабана конвейера:
𝜔б =
2𝜐к
1,6
=2∗
= 6,4 с−1
𝐷б
0,5
2. Найдем угловую скорость вала двигателя:
𝜔дв = 0,105 ∗ 𝑛дв = 0,105 ∗ 1465 = 153,3 с−1
3. Найдем передаточное отношение редуктора:
𝑖=
𝜔дв 153,3
=
= 24
𝜔б
6,4
4. Найдем момент на валу двигателя:
Мдв =
𝑃дв 11000
=
= 71,75 Нм
𝜔дв
153,3
4. При отсутствии редуктора момент, который необходимо развивать СДПМ будет равен:
Мсдпм = Мдв ∗ 𝑖 = 71,75 ∗ 23,9 = 1715 Нм
5. Найдем скорость вращения вала СДПМ:
𝑛сдпм =
𝜔б
6,4
об
=
= 61
0,105 0,105
мин
Выбираем двигатель 1FW6160 c характеристиками представленными в
табл.2
26
Таблица 4.2—Характеристики выбранного СДПМ
Номинальное напряжение Uн, В
600
Максимальный момент вращения Mmax, Нм
2860
Момент вращения состояния покоя M0, Нм
1870
Номинальный момент вращения Mн, Нм
1750
Макс. число оборотов при макс. моменте вра-
68
щения nmax при Mmax, мин-1
Макс. число оборотов при ном. моменте вра-
110
щения nмах при Mн, мин-1
Момент инерции ротора J, 10-2 кгм2
53,1
Вес около статор+ротор
124,3
Ток состояния покоя I0, А
56
Ном. ток Iн, А
52
Макс. ток Imax, А
98
Расчетная мощность Ррасч, кВт
46,9
SINAMICS S120 модуль двигателя Требуемый ном. ток Iн/ Imax, А
60/113
Внедрение СДПМ будет оправдано, если будет обеспечено получение достаточного экономического эффекта на каждый рубль вложенных средств.
Для анализа оправданности внедрения СДПМ в работу ГОК «Вернинский»
проведем технико-экономический анализ, в котором сравним затраты на эксплуатацию базового варианта с применением АД и варианта технического решения
с применением СДПМ
Технико-экономическая оценка технического решения должна включать:
- техническое решение по разрабатываемому мероприятию,
- расчет капитальных затрат,
- расчет эксплуатационных затрат и экономии,
- расчет периода окупаемости вложений.
1. Техническое решение по разрабатываемому мероприятию.
27
Предлагаемым решением является замена редукторного электропривода с
асинхронным двигателем на безредукторный электропривод с синхронным двигателем с постоянными магнитами. Данное решение направлено на повышение
энергоэффективности за счет повышения КПД и уменьшения подвижных элементов механизма, которые нуждаются в постоянном обслуживании.
Для расчета примем время работы конвейера равным T=7500 ч/г; Нагрузка
конвейера равномерная; Потребляемая мощность равна номинальной мощности;
cos=0,85; КПД СДПМ равным 0,95; Цена на электроэнергию Ц=2,2 руб/кВтч
2. Расчет капитальных затрат.
Капитальные затраты для реализации включают: стоимость оборудования,
затраты на проектные и монтажные работы, затраты на доставку оборудования.
Примем что стоимость электродвигателя 1FW6160 равной 100 тыс. руб.,
стоимость проектных и монтажных работ примем равной 10% от стоимости
электродвигателя, доставку примем равной 5% от стоимости электродвигателя.
Полученные данные представлены в табл. 4.3
Таблица 4.3—Капитальные затраты
№
Наименование статей
затрат
п/п
Затраты,
тыс. руб.
1.
Оборудование
100
2.
Проектные и
электромонтажные
работы (10 %)
10
3.
Доставка (5 %)
5
4.
Другие затраты
Итого:
115
3. Расчет эксплуатационных затрат и экономии
28
Расчет эксплуатационных затрат и экономии производим в следующем порядке:
1. Производим расчет потребляемой энергии в год при базовом (существующем)
варианте W1:
𝑃АД =
𝑀н 0,105𝑛АД 71,75 ∗ 0,105 ∗ 1465
=
= 15767,1 Вт
𝜂АД 𝜂ред
0,875 ∗ 0,80
𝑊1 = 𝑃АД 𝑇 = 15767,1 ∗ 7500 = 118253 кВтч/год
2. Производим расчет потребляемой энергии в год при внедрении разрабатываемого мероприятия W2.
𝑃СДПМ =
𝑀н 0,105𝑛 СДПМ 1750 ∗ 0,105 ∗ 61
=
= 11799 Вт
𝜂СДПМ
0,95
𝑊2 = 𝑃СДПМ 𝑇 = 11799 ∗ 7500 = 88490,1 кВтч /год
3. Определяем экономию энергоресурсов ∆W:
∆𝑊 = 𝑊1 − 𝑊2 = 118253 − 88490,1 = 29762,8 кВтч/год
4. Снижение эксплуатационных затрат на электроэнергию при внедрении разрабатываемого мероприятия находим по формуле:
∆Эээ = ∆𝑊Ц = 29762,8 ∗ 2,2 = 65478 руб./год,
где Ц – тариф на энергоресурс, руб/кВтч.
5. Рассчитаем стоимость обслуживания редуктора:
Предположим, что стоимость обслуживания редуктора равна 10% от стоимости редуктора, тогда стоимость обслуживания будет равна:
Цобслуж ред = 0,1 ∗ 50000 = 5 тыс.
руб
год
6. Определим суммарное снижение эксплуатационных затрат:
∆Э∑
= ∆Эээ + Цобслуж ред = 65,5 + 5 = 70,5 тыс. руб./год
Полученные данные представлены в табл. 4.4
29
Таблица 4.4—Расчет эксплуатационных затрат и экономии
№
п/п
1
1,1
1,2
1,3
2
2,1
2,2
2,3
3
4
5
6
Наименование статей Обозначение Размерность
Значение
Эксплутационные затраты при базовом (существующем)
Объем потребления
ТЭР в натуральном
W1
кВтч/год
118253,0
выражении
Тариф на ТЭР
Ц
руб./ед.
2,2
Стоимость
Э1
тыс. руб./год
260,2
потребленного ТЭР
эксплутационные затраты в результате внедрения
Объем потребления
ТЭР в натуральном
W2
кВтч/год
88490,1
выражении
Тариф на ТЭР
Ц
руб./ед.
2,2
Стоимость
Э2
тыс. руб./год
194,7
потребленного ТЭР
Экономия ТЭР в
натуральном
∆W
кВтч/год
29762,8
выражении
Снижение затрат по
∆Э
тыс. руб./год
65,5
ТЭР
Снижение затрат на
обслуживание
Цобслуж ред тыс. руб./год
5
редуктора
суммарное снижение
эксплутационных
∆Э∑
тыс. руб./год
70,5
затрат
4. Расчет периода окупаемости вложений
Расчет периода окупаемости вложений проводим без учета амортизационных отчислений и дисконтирования денежных средств.
Расчет периода окупаемости проводился для стоимость синхронного двигателя в пределах от 100 тыс. руб. до 1 млн. руб. Полученные зависимости представлены на рис. 4.4
30
Срок окупаемости, лет
16,0
14,0
12,0
10,0
8,0
6,0
4,0
2,0
0,0
0
200
400
600
800
1000
1200
Стоимость, тыс. руб
Рисунок 4.4—Анализ зависимости срока окупаемости от стоимости СДПМ
Из рис. 4.4 видно, что при стоимости СДПМ равной 100 тыс. руб. срок окупаемости предлагаемого технического решения составляет 1,4 года, при повышении стоимости до 500 тыс. руб. срок окупаемости составляет уже 7,1 год.
Отрасль производства синхронных двигателей с постоянными магнитами
новая и в промышленности еще не налажено серийное производство, в связи с
этим цены на данный тип двигателей довольно высокие.
Предложено техническое решение по замене редукторного электропривода с асинхронным двигателем на безредукторный электропривод с синхронным двигателем с постоянными магнитами, которое позволяет достигнуть суммарного снижения эксплуатационных затрат равного 70.5 тыс. руб. в год при
сроке окупаемости от 1.4 года до 6 лет в зависимости от стоимости СДПМ.
31
5. ПОВЫШЕНИЕ ЭНЕГОЭФФЕКТИВНОСТИ ЭЛЕКТРОПРИВОДА КОНУСНОЙ ДРОБИЛКИ
5.1 Анализ электропривода конусной дробилки
В мировой практике наиболее широко используются следующие типы привода
конусных дробилок крупного дробления;
1) привод с клиноременной передачей и встроенной зубчатой конической парой;
2) привод с применением гидравлических муфт и трансформаторов с понизительной зубчатой передачей.
3) непосредственный привод, в котором приводной электродвигатель соединяется эластичной муфтой с приводным валом;
Для крупных конусных дробилок наибольшее применение находит привод
с клиноременной передачей. Он состоит из приводного вала с малой конической
шестерней, смонтированного в отдельном (цельнолитом или разъемном) корпусе
и встроенного в один из боковых патрубков станины, клиноременной передачи
и приводного электродвигателя. Ведомый шкив ременной передачи устанавливается консольно на приводном валу или на промежуточном валу на двух собственных опорах. В этом случае промежуточный вал соединяется с приводным с
помощью эластичной или зубчатой муфты. Такая установка ведомого шкива используется на крупных дробилках с целью разгрузки приводного вала от действия изгибающего момента, создаваемого усилием натяжения ремней и веса
шкива.
Достоинством привода с клиноременной передачей является простота конструкции и высокая надежность в эксплуатации. Действительно, обрыв или вытяжка отдельных ремней не нарушают нормальной работы дробилки, так как
обычно передача рассчитывается на работу 3/4 числа ремней.
32
Одним из главных недостатков клиноременной передачи с точки зрения
энергоэффективности является наличие значительных потерь (на гистерезис, на
скольжение ремня, аэродинамическое сопротивление, а так же потери на трение
при радиальном перемещении ремня в процессе входа и выхода его из канавки.)
КПД ременной передачи зависит от коэффициента тяги φ и соответствующего
ему относительного скольжения ремня ξ. По мере увеличения относительной
нагрузки до некоторого значения φ0 наблюдается линейное нарастание скольжения ремня от упругих деформаций, сопровождаемое ростом КПД из-за уменьшения влияния потерь хо-лостого хода.
Зависимость КПД от коэффициента тяги в клиноременной передаче пред-
КПД
ставлены на рис. 5.1 [9]
1
0,9
0,8
0,7
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
φmax
Рисунок 5.1—Зависимость КПД от коэффициента тяги в клиноременной
передаче
При оптимальной нагрузке КПД клиноременной передачи составляет
0,92…0,97 [9].
Другим недостатком является низкая долговечность передачи. Рабочий
ресурс равен 1-5 тыс. ч, после чего требуется ремонт.
Недостатком привода с клиноременной передачей являются большие маховые массы шкивов, которые способствуют возникновению значительных динамических нагрузок. Наибольшие нагрузки возникают при заклинивании
33
подвижного конуса при попадании не дробимого тела, которое сопровождается
в некоторых случаях поломками деталей дробилки (в основном малой конической шестерни). Поэтому при применении такого привода следует использовать
шкивы с возможно меньшими маховыми массами
Гидропривод в результате экспериментальных исследований показал ряд
преимуществ, таких как уменьшение динамических нагрузок при пусковых режимах, обеспечение защиты деталей дробилки при перегрузках, но при этом
КПД гидромуфты растет пропорционально увеличению частоты вращения турбинного колеса. Зависимость КПД гидромуфты от скорости вращения турбин-
КПД
ного колеса представлена на рис. 5.2
1
0,9
0,8
0,7
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
nт/nном
Рисунок 5.2—Зависимость КПД гидромуфты от скорости вращения турбинного колеса
В номинальном режиме частота вращения турбинного вала гидромуфты на 1,5—
4% меньше частоты вращения вала насоса при этом кпд гидромуфты составляет
95—98%.
Достоинство непосредственного привода состоит в отсутствии шкивов
клиноременной передачи, обладающих большими маховыми массами, в малом
весе и малых габаритных размерах. Однако отсутствие ременной передачи
34
является одновременно и недостатком, так как требует более квалифицированного монтажа и ухода при эксплуатации (нарушение центрирования приводного
вала с валом электродвигателя приводит к выходу последнего из строя). В качестве соединительных муфт обычно применяются эластичные муфты, снижающие динамические нагрузки в приводном валу за счет уменьшения жесткости
последнего. КПД непосредственного привода зависит от КПД электродвигателя
и может быть повышен с помощью использования частотного преобразователя,
который позволит так же ограничить нагрузки при соответствующей системе
управления.
Проанализировав различные типы привода конусной дробилки, можно
прийти к выводу, что наиболее перспективным на данный момент является прямой привод с использованием частотного преобразователя. Для оценки эффективности использования прямого привода с частотным преобразователем произведем выбор ЧП и технико-экономический анализ предлагаемого технического
решения.
5.2 Выбор электродвигателя и частотного преобразователя
Перед началом выбора двигателя проанализируем технические характеристики установленного базового двигателя. По данным предприятия на дробилке
METSO HP-300 установлен электродвигатель WEG 355M/L-04 с характеристиками, представленными в таблице 5.2 [10]
35
Таблица 5.1—Характеристики электродвигателя WEG 355M/L-04
Номинальная мощность, кВт
220
Габарит
355 M/L
Номинальный крутящий момент, Нм 2820
Кратность пускового тока
6,3
Номинальная скорость, об./мин.
745
КПД при 75% загрузке
95,7
Коэффициент при 75 загрузке
0,74
Номинальный ток, А
420
Производитель так же указывает, что данный электродвигатель разрешается использовать с преобразователями частоты до 575 В, соответственно нет
необходимости замены установленного электродвигателя на новый.
Выбор преобразователя частоты для асинхронного двигателя осуществляется на основе следующих соотношений:
𝑈НПЧ ≥ 𝑈НЛ;
380 В ≥ 380 В
𝐼НПЧ> 𝐼Н1,
424 А> 420 А
где 𝑈НПЧ, 𝐼НПЧ – номинальные линейное напряжение и ток нагрузки преобразователя частоты;
𝑈НЛ, 𝐼Н1 – номинальные линейное напряжение и фазный ток статора двигателя.
Исходя из технических характеристик двигателя WEG 355M/L-04 представленных в таблице, выберем преобразователь частоты [11] Altivar 71 Plus с
характеристиками, представленными в таблице 5.2:
36
Таблица 5.2—Характеристики частотного преобразователя Altivar 71 Plus
Серия продукта
Altivar 71 Plus
Тип продукта
Привод с регулируемой частотой
вращения
Номинальное напряжение питания
380...415 V +/- 10 %
Частота сети питания
50...60 Hz +/- 5 %
Мощность двигателя, кВт
250 кВт в 380...415 V
линейный ток
424 А для 400 V AC 50/60Hz / 250 кВт
Профиль управления асинхронным Отношение напряжения/частоты, 5
электродвигателем
точки
Управление вектором потока с датчиком, стандартный
Отношение напряжения/частоты, 2
точки
Управление вектором потока без датчика, система адаптивного управления со стабилизацией мощности
Управление вектором потока без датчика, стандартный
Отношение напряжения/частоты энергосбережение,
квадратичная
функция U/f
Управление вектором потока без датчика, 2 точки
5.3 Технико-экономический анализ использования прямого привода с частотным преобразователем
Сравним энергопотребление при использовании клиноременной передачи,
которая установлена в конусной дробилке на данный момент, гидромуфты и
37
предлагаемого решения с использованием прямого привода с частотным преобразователем.
Для расчета примем время работы конусной дробилки равным T=7500 ч/г;
Нагрузка двигателя равномерная; Потребляемая мощность равна номинальной
мощности; КПД электродвигателя равным 0,95; Цена на электроэнергию Ц=2,2
руб/кВтч
1. Расчет капитальных затрат.
Капитальные затраты для реализации энергосберегающего мероприятия
включают: стоимость оборудования, затраты на проектные и монтажные работы,
затраты на доставку оборудования.
Полученные данные представлены в таблице 5.3
Таблица 5.3—Капитальные затраты
№
Наименование статей затрат
п/п
Затраты,
тыс. руб.
1.
Оборудование
1300
2.
Проектные и электромонтажные ра- 130
боты (10 %)
3.
Доставка (5 %)
4.
Другие затраты
65
Итого:
1495
3. Расчет эксплуатационных затрат и экономии
Расчет эксплуатационных затрат и экономии производим в следующем порядке:
38
1. Производим расчет потребляемой энергии в год при использовании клиноременной передачи и гидромуфты с эксплуатационным КПД равным 0,9:
𝑃клин =
𝑃ном
220 кВт
=
= 257,3 кВт
𝜂АД 𝜂клин 0,95 ∗ 0,9
𝑊клин = 𝑃клин 𝑇 = 257,3 ∗ 7500 = 1929,8 мВтч/год
𝑃гидр =
𝑃ном
220 кВт
=
= 254,5 кВт
𝜂АД 𝜂гидр 0,95 ∗ 0,91
𝑊гидр = 𝑃гидр 𝑇 = 254,5 ∗ 7500 = 1908,6 мВтч/год
где 𝑃клин и 𝑃гидр − мощность, потребляемая двигателем дробилки при использовании клиноременная передачи и гидромуфты соответственно; 𝑃ном − номинальная мощность установленного двигателя; 𝜂АД , 𝜂клин и 𝜂гидр. − КПД установленного асинхронного двигателя, клиноременной передачи и гидромуфты соответственно; 𝑇 −время работы дробилки за 1 год; 𝑊клин и 𝑊гидр − электрическая
энергия, потребляемая двигателем дробилки при использовании клиноременная
передачи и гидромуфты соответственно.
2. Производим расчет потребляемой энергии в год при внедрении разрабатываемого мероприятия W2.
𝑃прям =
𝑃ном
220 кВт
=
= 236,3 кВт
𝜂АД 𝜂ЧП 0,95 ∗ 0,98
𝑊прям = 𝑃прям 𝑇 = 236,3 ∗ 7500 = 1772,3 мВтч /год,
где 𝑃прям − мощность, потребляемая двигателем дробилки при использовании
прямого привода; 𝜂ЧП − КПД частотного преобразователя; 𝑊прям − электрическая энергия, потребляемая двигателем дробилки при использовании прямого
привода.
3. Определяем экономию энергоресурсов:
∆𝑊 1 = 𝑊клин − 𝑊прям = 1929,8 − 1772,3 = 157,5 мВтч/год
∆𝑊 2 = 𝑊гидр − 𝑊прям = 1908,6 − 1772,3 = 136,3 мВтч/год
39
где ∆𝑊 1 и ∆𝑊 2 − экономия ресурсов при использовании прямого привода по
сравнению с клиноременной передачей и гидромуфтой.
4. Снижение эксплуатационных затрат на электроэнергию при внедрении разрабатываемого мероприятия находим по формуле:
∆Эээ1 = ∆𝑊1 Ц = 157,5 ∗ 103 ∗ 2,2 = 346,5 тыс. руб./год,
∆Эээ2 = ∆𝑊2 Ц = 136,3 ∗ 103 ∗ 2,2 = 299,9 тыс. руб./год,
где ∆Эээ1 и ∆Эээ2 − снижение эксплуатационных затрат на электроэнергию при
использовании прямого привода по сравнению с клиноременной передачей и
гидромуфтой.
5. Рассчитаем стоимость обслуживания каждого типа привода:
Стоимость обслуживания складывается из стоимости ремонта и стоимости
приводных ремней. На дробилке Metso HP-300 установлено 8 клиновых ремней
стоимость которых равна 3 тыс. руб. за шт. Срок службы каждого ремня равен
4000 часов, соответственно в год требуется заменять ремни 2 раза. Стоимость
обслуживания примем равной 30% от стоимости ремней, тогда суммарная стоимость обслуживания будет равна:
Цобслуж клин = 3 ∗ 8 ∗ 2 + 3 ∗ 8 ∗ 0,3 = 55,2 тыс.
руб
год
Примем стоимость обслуживания гидромуфты равной Цобслуж гидр =
5
тыс.руб.
год
Непосредственный привод с частотным преобразователем в обслуживании
не нуждается
6. Определим суммарное снижение эксплуатационных затрат:
∆Э∑ клин = ∆Эээ1 + Цобслуж
клин
= 346,5 + 55,2 = 401,7тыс. руб./год
∆Э∑ гидр = ∆Эээ2 + Цобслуж гидр = 299,9 + 5 = 304,9 тыс. руб./год
Полученные данные представлены в табл. 5.4 и 5.5
40
Таблица 5.4—Расчет эксплуатационных затрат и экономии при замене клиноременной передачи
№
п/п
1
1,1
1,2
1,3
2
2,1
Наименование статей
Обозначение
Размерность
Значение
Эксплуатационные затраты при использовании клиноременной
передачи
Объем потребления
ТЭР в натуральном выWклин
МВтч/год
1929,8
ражении
Тариф на ТЭР
Ц
руб./ед.
2,2
Стоимость потребленЭклин
тыс. руб./год
4245,6
ного ТЭР
эксплуатационные затраты в результате внедрения энергосберегающего мероприятия
Объем потребления
ТЭР в натуральном выWпрям
МВтч/год
1772,3
ражении
Ц
руб./ед.
2,2
Эпрям
тыс. руб./год
3899,1
3,0
Экономия ТЭР при переходе с клиноременной передачи
∆W1
МВтч/год
157,5
4
Снижение затрат по
ТЭР при переходе с
клиноременной передачи
∆Э1
тыс. руб./год
346,5
5
Снижение затрат на обслуживание клиноременной передачи
Цобслужклин
тыс. руб./год
55,2
6
суммарное снижение
эксплутационных затрат при переходе с
клиноременной передачи
∆Э∑
тыс. руб./год
401,7
2,2
2,3
Тариф на ТЭР
Стоимость потребленного ТЭР
41
Таблица 5.5—Расчет эксплуатационных затрат и экономии при замене гидромуфты
№
п/п
1
1,1
Наименование статей
Обозначение
Размерность
Значение
Эксплуатационные затраты при использовании гидромуфты
Объем потребления ТЭР в
натуральном выражении
Wгидр
МВтч/год
1908,6
Тариф на ТЭР
Ц
руб./ед.
2,2
Стоимость потребленного
1,3
Эгидр
тыс. руб./год
4198,9
ТЭР
Эксплуатационные затраты в результате внедрения энергосберегаю2
щего мероприятия
1,2
2,1
2,2
2,3
Объем потребления ТЭР в
натуральном выражении
Тариф на ТЭР
Стоимость потребленного
ТЭР
Wпрям
МВтч/год
1772,3
Ц
руб./ед.
2,2
Эпрям
тыс. руб./год
3899,1
3
Экономия ТЭР при переходе
с гидромуфты
∆W2
МВтч/год
136,3
4
Снижение затрат по ТЭР при
переходе с гидравлической
муфты
∆Э2
тыс. руб./год
299,9
5
Снижение затрат на обслуживание гидромуфты
Цобслуж гидр
тыс. руб./год
5
6
суммарное снижение эксплуатационных затрат при переходе с гидравлической
муфты
∆Э∑
тыс. руб./год
304,9
42
7. Расчет периода окупаемости вложений
Расчет периода окупаемости вложений проводим без учета амортизационных отчислений и дисконтирования денежных средств.
𝑡клин =
𝑡гидро =
КЗ
1495
=
= 3,7 лет
∆Э∑ клин 401,7
КЗ
∆Э∑ гидро
=
1495
= 4,3 года
351,5
Предложенное техническое решение по использование прямого привода с
частотным преобразователем позволяет достигнуть суммарного снижения эксплуатационных затрат равного 401,7 тыс. руб./год при сроке окупаемости 3,7 лет,
если ранее использовалась клиноременная передача и 351,5 тыс. руб./ год при
сроке окупаемости в 4,3 года, если ранее использовалась гидромуфта.
5.4 Выбор закона управления частотного преобразователя
В современных электроприводах для регулирования момента и скорости
используются методы частотного векторного и скалярного управления.
Самым распространённым способом управления асинхронным двигателем
является скалярное управление. Такой способ используют в приводах насосов,
вентиляторов, компрессоров и других механизмов для эффективной работы которых необходимо поддерживать скорость или другой технологический параметр (к примеру, давление в трубе, с применением соответствующего датчика).
Принцип действия скалярного управления асинхронным двигателем основан на соблюдении закона
𝑈
𝑓𝑛
= 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡, 𝑈 − амплитуда питающего напряжения,
𝑓 − частота питающего напряжения. Выбор n зависит от требований, которые
предъявляются к нагрузке электропривода. Как правило, в качестве независимого воздействия выступает частота, а напряжение при определенной частоте
43
определяется видом механической характеристики, а также значениями критического и пускового моментов.
При использовании скалярного управления можно обеспечить постоянство перегрузочной способности асинхронного двигателя. Перегрузочная способность не зависит от частоты напряжения, но при значениях частоты близких
к нулю происходит снижение момента развиваемого двигателем.
На практике скалярное управление можно реализовать просто, но тем не
менее данный вид управления имеет существенные недостатки. Во-первых, изза того, что скорость электропривода зависит от нагрузки, то невозможно регулировать значение скорости без соответствующего датчика. Во-вторых, невозможно регулировать значение момента на валу двигателя. Решением данной проблемы является установка датчика момента, но как показывает практика, стоимость подобных датчиков зачастую превышает стоимость электропривода. Втретьих, скалярное управление не позволяет одновременно регулировать значение момента и скорость вращения вала, поэтому приходится выбирать регулируемую величину в зависимости ее важности в технологическом процессе.
Недостатки скалярного управления можно устранить использую векторное
управления. Векторное управление имеет такие преимущества как:
•
Точность регулирования скорости вращения вала, даже при отсутствии
датчика скорости
•
Плавное вращение двигателя на малых частотах
•
Возможность достичь номинального значения момента на валу при значении скорости равном нули, при использовании датчика скорости
•
Возможность регулировать резкие скачки нагрузки без влияния на скорость электропривода
•
Высокий уровень КПД двигателя, за счет сниженных потерь из-за намагничивания и нагрева.
•
Снижение потерь на намагничивание и нагрев, вследствие чего повышается КПД двигателя
44
Векторное управление - метод управления бесщеточными электродвигателями переменного тока, который позволяет независимо и практически безынерционно регулировать скорость вращения и момент на валу электродвигателя.
Векторное управление основывается на принципе контроля величины, частоты и фазы напряжения. Можно сказать, что контролируется величина и
угол пространственного вектора. Этот тип управления позволяет избежать
всех несовершенств скалярного управления
К недостаткам векторного управления можно отнести:
•
необходимость задания параметров электродвигателя;
•
большие колебания скорости при постоянной нагрузке;
•
большая вычислительная сложность.
самыми распространенными методами векторного управления являются
полеориентированное управление и прямое управление моментом. Рассмотрим
подробнее полеориентированное управление.
Полеориентированное управление (ПОУ) - метод регулирования, при котором поле и момент контролируют отдельно, при этом электродвигателем переменного тока управляют как ДПТ с независимым возбуждением.
Общая функциональная схема бездатчикового полеориентированного
управления представлена на рисунке 5.3
Рисунок 5.3—Общая функциональная схема бездатчикового полеориентированного управления
45
В полеориентиованном управлении потокосцепление и момент контролирует вектор тока статора. Таким образом, ток возбуждения и ток якоря объединены в вектор тока статора и не могут контролироваться раздельно. Разъединить
токи можно с помощью математических вычислений, т. е. разложить мгновенное
значение вектора тока статора на 2 вектора: продольную составляющую тока статора, которая создает поле и поперечную составляющую тока статора, которая
создает момент во вращающейся системе координат dq, которая ориентированная по полю ротора. Исходя из этого, можно сделать вывод что управление двигателем переменного тока при таком методе соответствует управлению двигателем постоянного тока с независимым возбуждением и может быть осуществлено,
используя инвертер ШИМ с линейным ПИ регулятором и пространственно-векторной модуляцией напряжения.
В полеориентированном управлении момент и поле контролируются косвенно посредством управления составляющими вектора тока статора.
Мгновенные значения токов статора преобразовываются к dq вращающейся системе координат с помощью преобразования Парка αβ/dq, для выполнения которого также требуется информации о положении ротора. Поле контролируется через продольную составляющую тока Isd, в то время как момент контролируется через поперечную составляющую тока Isq. Обратное преобразование
Парка (dq/αβ), математический модуль преобразования координат, позволяет вычислить опорные составляющие вектора напряжения Usα* и Usβ*. Формы сигналов на разных этапах преобразования представлены на рисунке 5.4
Рисунок 5.4—Формы сигналов на разных этапах преобразования
46
В современном практике используют 2 метода определения положения ротора: с помощью датчика положения ротора, который устанавливают на электродвигателе или используют алгоритм, который позволяет вычислять положение
ротора в данный момент на основании параметров, которые находятся в системе
управления.
47
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Основные результаты выпускной квалификационный работы, следующие:
1. исследованы энергетические характеристики конусной дробилки, получены
зависимости мощности, потребляемой двигателем и производительности конусной дробилки от сопротивления сжатию исходного материала (σ), коэффициента дробления (i), частоты вращения подвижного конуса (n). Исследования
позволяют выяснить параметры, которые влияют на удельный расход электроэнергии.
2. Рассчитан и выбран синхронный двигатель с постоянными магнитами, произведена технико-экономическая оценка технического решения, расчет капитальных, эксплуатационных затрат и расчет периода окупаемости вложений.
3. Произведен анализ электропривода конусной дробилки, сравнение приводов
с клиноременной передачей, гидравлической муфтой и прямым приводом, выбран частотный преобразователь для электропривода дробилки, произведена
технико-экономическая оценка использования частотного преобразователя и
выбран закон векторного управления частотным преобразователем
48
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
1. Червяков, С. А. Обоснование конструктивных и режимных параметров энергосберегающих конструкций конусных дробилок: автореф. дис. на соиск. учен.
степ. канд. технич. наук (05.05.06) / Червяков Сергей Алексеевич; Уральский государственный горный университет. – Екатеринбург, 2004 – 24 с.
2. Пономарев, В. Б. Щековые и конусные дробилки: методические указания по
курсовому проектированию/ В. Б. Пономарев, А. Б. Лошкарев.- Екатеринбург:
ГОУ-ВПО УГТУ-УПИ, 2008. – 71с.
3. Софронов, В. Л. Машины и аппараты химических производств / В. Л. Софронов. – Северск: СГТА, 2008. - 263 с.
4. Лагунова Ю. А. Энергопотребление при дроблении горных пород конусными
дробилками // Известия УГГГА: сб. науч. ст. – Екатеринбург., 2000, №9. – 158161 с.
5. Фурин В. О., Федулов К. А., Турьянский Б. В. Интеллектуальные конусные
дробилки ПАО «Уралмашзавод» // Научно-технический и производственный
журнал: горная промышленность. – 2016. - №6 (130) – 15-20 с.
6. Терещенко А. Н. КИНЕМАТИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ КОНУСНОЙ ДРОБИЛКИ /
Терещенко А. Н. // МЕЖДУНАРОДНАЯ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ МОЛОДЫХ УЧЕНЫХ БГТУ ИМ. В. Г. ШУХОВА: Сборник труд.
конф. – Белгород, 2017. – с. 2297-2304
7. Прокофьев Е. В. Автоматизация технологических процессов и производств.
Часть 1. Автоматизация технологических комплексов подготовительных процессов: учебное пособие. Екатеринбург: Изд-во УГГУ, 2006.
8. Марасанов В. М., Дылдин Г. П. Регулятор скорости вращения электропривода
конусной дробилки // Известия УГГГА: сб. науч. ст. – Екатеринбург., 2017, №2.
– 78-81 с.
9. https://studfile.net/preview/2014864/ (дата обращение 19.05.2020)
49
10. http://www.xn----7sbfedebebzdrkbi5bmwkezhiw8r1a.xn--p1ai/product/weg-w22355m-l-220kvt/ (дата обращения 19.05.2020)
11.
https://www.se.com/ua/ru/product/ATV71ES5C25N4/enclosed-variable-speed-
drive-atv71-plus---250-kw---400v---ip54---ready-to-use/?range=2373-altivar-71-plus
(дата обращения 19.05.2020)
12. Деревнин И. А. Исследование энергетических характеристик конусной дробилки. В кн.: 75-е Дни науки студентов НИТУ «МИСиС», Москва, 2020.
13. Бабокин Г. И., Деревнин И. А. Исследование энергетических характеристик
конусной дробилки // Горный информационно-аналитический бюллетень. –
2020. - №6
50
Отзывы:
Авторизуйтесь, чтобы оставить отзыв