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★ 施耐德電氣（中國(guó)）有限公司 劉軍祥

摘要：通過(guò)對(duì)某銅鈷礦選礦工藝磨機(jī)系統(tǒng)分析，提出基于中壓變頻技術(shù)工藝需求的系統(tǒng)化解決方案，并在電氣驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)、裝備工藝與生產(chǎn)工藝控制方面進(jìn)行了實(shí)踐，獲得磨機(jī)應(yīng)用場(chǎng)景條件下中壓變頻系統(tǒng)功能的創(chuàng)新成果，取得良好的經(jīng)濟(jì)效益。

關(guān)鍵詞：中壓變頻；磨機(jī)；防板結(jié)保護(hù)檢測(cè)

1　引言

非洲某銅鈷礦采用半自磨+球磨+頑石破的SABC工藝流程如圖1所示，設(shè)計(jì)處理能力為10kt/d。分別配備半自磨機(jī)和球磨機(jī)各一臺(tái)，半自磨機(jī)規(guī)格為φ6.7×5.6m，采用一臺(tái)功率3600kW同步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。球磨機(jī)規(guī)格為φ5.8×8.08m溢流型球磨機(jī)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)為功率4500kW同步電動(dòng)機(jī)。半自磨機(jī)排料端設(shè)有振動(dòng)篩，篩上物通過(guò)返料皮帶進(jìn)入頑石破碎系統(tǒng)破碎后返回半自磨機(jī)給料皮帶進(jìn)入半自磨機(jī)。

圖1 半自磨（SAG）+球磨（BM）+頑石破（Crusher）的SABC工藝流程圖

由于礦石性狀受不同礦坑、礦體、礦段的影響差異很大，致使常規(guī)定速破磨系統(tǒng)的工藝調(diào)節(jié)手段難以穩(wěn)定洗選工藝料流產(chǎn)量，且工藝調(diào)整的及時(shí)性、響應(yīng)速度和適應(yīng)能力均受到工藝調(diào)節(jié)手段的制約，嚴(yán)重影響整條產(chǎn)線的臺(tái)時(shí)利用率。加之非洲地區(qū)電網(wǎng)供電穩(wěn)定性差，偶發(fā)性停電事故頻發(fā)、電力恢復(fù)周期不確定，這也使產(chǎn)線的快速恢復(fù)能力變得尤為重要。

基于上述工藝及電氣條件的原因，考慮在該SABC選礦工藝流程中，采用電網(wǎng)接入能力友好、磨機(jī)啟動(dòng)平滑、連續(xù)調(diào)速能力便捷的中壓變頻調(diào)速技術(shù)，實(shí)現(xiàn)半自磨機(jī)、球磨機(jī)系統(tǒng)的電氣與工藝控制需求。

2　電氣系統(tǒng)方案

該地區(qū)電網(wǎng)為11kV、50Hz供電，受當(dāng)?shù)貧庀笠蛩丶熬钟螂娋W(wǎng)供電、本土化技術(shù)人員能力有限等客觀條件限制，要求中壓變頻器具有對(duì)電網(wǎng)沖擊小、抗晃電、抗電網(wǎng)電壓波動(dòng)能力強(qiáng)、磨機(jī)非計(jì)劃停機(jī)后可直接重載再啟動(dòng)，電氣系統(tǒng)可利用率高、自動(dòng)化程度高，可一鍵操作、一鍵啟動(dòng)等，盡可能降低對(duì)現(xiàn)場(chǎng)人員操作水平的要求。因此，該系統(tǒng)采用二拖二變頻互為備用、工/變頻雙向在線切換的中壓變頻供配電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)方案如圖2所示。

圖2中，QS表示高壓進(jìn)線隔離開(kāi)關(guān)、QF表示高壓開(kāi)關(guān)、TF表示中壓變頻器、RL表示同步切換電抗器柜、KK表示勵(lì)磁柜電源開(kāi)關(guān)、LC表示勵(lì)磁柜、LG表示勵(lì)磁電機(jī)、SM表示同步電動(dòng)機(jī)。系統(tǒng)配備完備的電氣、機(jī)械、控制邏輯三重保護(hù)功能，確保電氣系統(tǒng)及人身安全。

正常運(yùn)行時(shí)，QF11合閘，變頻器TF01通過(guò)QF12與球磨機(jī)電動(dòng)機(jī)連接，驅(qū)動(dòng)球磨機(jī)運(yùn)行。QF21合閘，變頻器TF02通過(guò)QF22與球磨機(jī)電動(dòng)機(jī)連接，驅(qū)動(dòng)半自磨機(jī)運(yùn)行。當(dāng)TF01故障或退出時(shí)，系統(tǒng)可由TF02通過(guò)QF24與球磨機(jī)電動(dòng)機(jī)連接將其拖至50Hz后無(wú)擾切換至工頻QF13供電運(yùn)行。反之亦然。

兩套中壓變頻系統(tǒng)可與兩臺(tái)磨機(jī)實(shí)現(xiàn)多種運(yùn)行模式的組合（見(jiàn)表1），滿足任意一臺(tái)變頻器故障都不影響磨機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，最大限度保障選礦工藝的生產(chǎn)連續(xù)性要求。同時(shí)，可滿足任意一臺(tái)變頻器需要進(jìn)行檢修退出或磨機(jī)運(yùn)行中再恢復(fù)變頻調(diào)速運(yùn)行，均無(wú)需中斷生產(chǎn)、不影響生產(chǎn)的連續(xù)性；極大地提高了系統(tǒng)的可用性。

圖2 二拖二工/變頻雙向切換一次動(dòng)力系統(tǒng)電氣原理圖

表1 半自磨機(jī)（SAG）+球磨機(jī)（BM）運(yùn)行模式組合表

（“√”-可用，“×”-故障或退出，“-”-退出）

3　裝備工藝與變頻需求分析

通常中壓變頻器在面向重載或特殊應(yīng)用時(shí)，最常見(jiàn)的做法是放大變頻器的選型規(guī)格。如1600kW的負(fù)載電動(dòng)機(jī)功率，為其選配2000kW或更高功率等級(jí)的中壓變頻器。選型功率放大后，變頻器能夠輸出更高電流或轉(zhuǎn)矩，滿足啟動(dòng)或抗沖擊的需求，避免變頻器頻繁跳閘或運(yùn)行中的不必要保護(hù)。實(shí)則這種做法存在很大風(fēng)險(xiǎn)。表面上看，放大設(shè)備選型、增加成本、提高變頻輸出能力，變頻器的電氣適應(yīng)能力更強(qiáng)，但同時(shí)也讓變頻器負(fù)載異常不能提供有效保護(hù)。變頻器為了克服磨機(jī)低速、重載的啟動(dòng)需求，提供遠(yuǎn)超電動(dòng)機(jī)額定電流的輸出能力，而不能對(duì)于磨機(jī)啟動(dòng)時(shí)的異常工況提供有效保護(hù)，則可能造成磨機(jī)設(shè)備嚴(yán)重?fù)p壞的災(zāi)難性事故。簡(jiǎn)單地放大變頻器選型規(guī)格并不可取。

球磨機(jī)、半自磨機(jī)設(shè)備都是通過(guò)筒體旋轉(zhuǎn)，由筒體內(nèi)側(cè)具有提升條的襯板（簡(jiǎn)稱：襯板）將物料和鋼球帶起而形成持續(xù)的泄落或拋落，進(jìn)而使物料研磨或破碎的過(guò)程。如圖3所示，在磨機(jī)由rad0初始位置啟動(dòng)時(shí)，物料隨筒體旋轉(zhuǎn)重心G提升，達(dá)到一定角度后物料在球磨機(jī)、半自磨機(jī)筒體內(nèi)形成穩(wěn)定的料面傾角rad2，進(jìn)而獲得穩(wěn)定的研磨或破碎效能。由于SABC工藝流程中，采用工藝循環(huán)水進(jìn)行物料輸送，因而，一旦礦區(qū)停電、磨機(jī)突停，磨內(nèi)水與固態(tài)物料的混合物就會(huì)出現(xiàn)離析。一定時(shí)間后，固態(tài)物料在筒體底部沉積，物料與鋼球的混合物在礦粉泥化的作用下與筒體襯板產(chǎn)生“板結(jié)”現(xiàn)象，附著于筒體而不能正常脫落。筒體附著的板結(jié)物料一旦轉(zhuǎn)過(guò)rad3位置，繼續(xù)向上運(yùn)行抬升物料重心大于rad3至rad4，則磨內(nèi)上百噸的板結(jié)物料將攜帶鋼球一起因自身重力作用而脫落，并急速垮塌砸向磨機(jī)底部的襯板和筒體。上百噸的物料瞬時(shí)沖擊，會(huì)直接造成襯板破損、筒體變形、空心軸彎曲的惡性生產(chǎn)事故。

圖3 磨機(jī)啟動(dòng)過(guò)程重心與旋轉(zhuǎn)角度過(guò)程關(guān)系圖

由此可知，如果采用通用變頻器放大選型，盡管在電氣上可以將磨機(jī)開(kāi)起來(lái)，卻不能為磨機(jī)提供有效的防板結(jié)檢測(cè)和保護(hù)，避免板結(jié)“塌料”的嚴(yán)重事故發(fā)生。因此，在中壓變頻器應(yīng)用于磨機(jī)系統(tǒng)時(shí)，必須提供有效的防板結(jié)保護(hù)功能，避免磨機(jī)在板結(jié)狀態(tài)下變頻重載啟動(dòng)發(fā)生事故。

4　應(yīng)用效果

針對(duì)磨機(jī)裝備工藝與礦磨生產(chǎn)工藝的研究，該項(xiàng)目為半自磨、球磨機(jī)系統(tǒng)配備了ATV1200C系列磨機(jī)專用中壓變頻器，滿足半自磨機(jī)、球磨機(jī)的低速、重載、大功率應(yīng)用需求。磨機(jī)專用中壓變頻器不僅在電氣指標(biāo)上達(dá)到180%額定電流15s，130%額定功率輸出60s的要求，滿足磨機(jī)滿載啟動(dòng)需要；在軟件功能上還針對(duì)性開(kāi)發(fā)了可控軟啟、防板結(jié)保護(hù)檢測(cè)、“S”形加減速特性、低速慢驅(qū)、可控停車等磨機(jī)專用控制及保護(hù)功能，以更好地適應(yīng)磨機(jī)工藝需求、發(fā)揮中壓變頻技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

綜合來(lái)看，該系統(tǒng)方案在電氣控制、裝備工藝控制方面，主要實(shí)現(xiàn)了以下特性：

（1）磨機(jī)可控軟啟動(dòng)功能，有效控制啟動(dòng)過(guò)轉(zhuǎn)矩對(duì)聯(lián)軸器、啟動(dòng)離合器、大小齒輪的沖擊。實(shí)現(xiàn)磨機(jī)防板結(jié)保護(hù)檢測(cè)

（如圖4所示），消除磨機(jī)物料板結(jié)狀態(tài)下變頻器重載啟動(dòng)容易發(fā)生板結(jié)“塌料”的風(fēng)險(xiǎn)。

圖4 磨機(jī)重載啟動(dòng)過(guò)程防板結(jié)保護(hù)動(dòng)作曲線圖

（2）實(shí)現(xiàn)磨機(jī)生產(chǎn)停電后，重載滿負(fù)荷直接啟動(dòng)的能力（如圖5所示）；消除啟動(dòng)前需要慢驅(qū)盤車的過(guò)程。將選礦生產(chǎn)的恢復(fù)時(shí)長(zhǎng)由原來(lái)的1.5~2h達(dá)產(chǎn)，縮短到15~20min達(dá)產(chǎn)，僅此一項(xiàng)每年為產(chǎn)線增產(chǎn)40000t。

圖5 磨機(jī)重載啟動(dòng)過(guò)程電流曲線圖

（1-輸入電流，2-輸出電流）

（3）在磨機(jī)變頻切工頻、工頻切變頻的在線切換過(guò)程中，變頻器實(shí)現(xiàn)了同步電動(dòng)機(jī)雙向電流平穩(wěn)無(wú)擾的切換過(guò)程（如圖6所示）；切換電流＜1.2In，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速與電網(wǎng)電流無(wú)擾切換。

圖6 磨機(jī)變頻切工頻、工頻切變頻在線無(wú)擾切換過(guò)程電流曲線圖

（紅色-變頻電流，黑色-工頻電流）

（4）半自磨機(jī)、球磨機(jī)采用變頻調(diào)速運(yùn)行后，產(chǎn)線工藝調(diào)整靈活?？筛鶕?jù)來(lái)料性狀、返礦量、襯板磨損率、填充率、加球量等指標(biāo)隨時(shí)調(diào)節(jié)半自磨機(jī)、球磨機(jī)轉(zhuǎn)速配比，平衡兩磨負(fù)荷穩(wěn)定磨機(jī)系統(tǒng)產(chǎn)能（如圖7所示）。系統(tǒng)實(shí)際處理能力達(dá)到480t/h，相比于設(shè)計(jì)值增產(chǎn)15%，每年處理能力增加44.6萬(wàn)噸。

圖7 半自磨機(jī)變頻生產(chǎn)調(diào)速運(yùn)行電流頻率過(guò)程曲線

（紅色-輸出電流，黑色-運(yùn)行頻率）

（5）采用可控停車技術(shù)后，消除磨機(jī)停車過(guò)程的“鐘擺”現(xiàn)象，將磨機(jī)停機(jī)時(shí)間由10min縮減到90s內(nèi)（如圖8所示）。為設(shè)備檢修贏得寶貴的生產(chǎn)時(shí)間。

圖8 磨機(jī)變頻可控停車過(guò)程曲線圖

5　結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)選礦工藝、破磨裝備工藝的研究，將工藝需求與變頻器電氣與控制性能相結(jié)合，不僅有效發(fā)揮中壓變頻軟起、調(diào)速的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，還針對(duì)性開(kāi)發(fā)出磨機(jī)專用控制功能，更好地服務(wù)于裝備工藝、生產(chǎn)工藝，為中壓變頻行業(yè)由傳統(tǒng)風(fēng)機(jī)、泵類的通用負(fù)載應(yīng)用市場(chǎng)向面向行業(yè)應(yīng)用、裝備需求的工藝應(yīng)用解決方案定制，提供了有益的借鑒。

該系統(tǒng)的運(yùn)用也為礦山行業(yè)的裝備智能化、數(shù)字化、高效化提供了寶貴的、可借鑒的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，為現(xiàn)代化礦山的節(jié)能增效提供了有效途徑，為企業(yè)創(chuàng)造了顯著的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

作者簡(jiǎn)介：

劉軍祥（1975-），男，河北人，工程師，現(xiàn)就職于施耐德電氣（中國(guó)）有限公司工業(yè)自動(dòng)化事業(yè)部，長(zhǎng)期從事中壓變頻技術(shù)的創(chuàng)新應(yīng)用研究與變頻系統(tǒng)化解決方案的實(shí)踐工作。

摘自《自動(dòng)化博覽》2022年6月刊