河北鋼鐵集團(tuán)礦業(yè)有限公司承德柏泉鐵礦河北承德 067500

柏 泉鐵礦選二作業(yè)區(qū)斜板濃密機(jī)濃縮后的礦漿進(jìn)入尾礦砂泵站，沉淀后的清水進(jìn)入循環(huán)水泵站。因選礦工藝中有浮選選磷環(huán)節(jié)，選磷藥劑使清水水質(zhì)變差，導(dǎo)致環(huán)水泵故障率高，供水水壓不穩(wěn)定。尾礦輸送系統(tǒng)為接續(xù)運(yùn)行，接續(xù)泵站使用前期電耗嚴(yán)重。鑒于以上原因，循環(huán)水系統(tǒng)和尾礦輸送系統(tǒng)亟需優(yōu)化改造。

1 尾礦輸送系統(tǒng)優(yōu)化

1.1 尾礦輸送系統(tǒng)運(yùn)行現(xiàn)狀

柏泉鐵礦選二作業(yè)區(qū)有 2 個(gè)尾礦砂泵站，一級(jí)泵站有 2 臺(tái)渣漿泵，串聯(lián)運(yùn)行；二級(jí)泵站有 1 臺(tái)渣漿泵，用來(lái)接續(xù)運(yùn)行。通過(guò) 2 條尾礦管路 (一用一備) 將尾礦輸送至尾礦庫(kù)。一級(jí)泵站與尾礦庫(kù)的距離為 1 400 m，尾礦庫(kù)初期壩頂部標(biāo)高比一級(jí)泵站高 48 m，尾礦庫(kù)每年升高約 8 m。尾礦庫(kù)全生命周期共設(shè)計(jì)三級(jí)接續(xù)泵站，一級(jí)泵站為雙級(jí)揚(yáng)送，二級(jí)泵站和三級(jí)泵站為單級(jí)揚(yáng)送。尾礦輸送系統(tǒng)簡(jiǎn)圖如圖 1 所示。

圖1 尾礦輸送系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

隨著尾礦庫(kù)的不斷升高，一級(jí)泵站接近滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，已無(wú)法滿足尾礦輸送需求，于是在尾礦庫(kù)南側(cè)標(biāo)高 600 m 處增加二級(jí)接續(xù)泵站。因工藝原因，二級(jí)接續(xù)泵站投入使用之初，負(fù)載率較低，接續(xù)砂泵流量存在較大富余，若以額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行會(huì)增加電耗；若采用控制閥門開度調(diào)節(jié)管路流量，導(dǎo)致單產(chǎn)電耗升高的同時(shí)，閥門等易損件磨損快，易損件的檢修時(shí)間長(zhǎng)，影響生產(chǎn)穩(wěn)定性。

1.2 變頻調(diào)速對(duì)比測(cè)算

根據(jù)流體力學(xué)原理，泵的流量Q與n成正比，揚(yáng)程H與n2成正比，軸的功率P與n3成正比。通過(guò)降低泵的轉(zhuǎn)速，從而改變泵的性能曲線，電動(dòng)機(jī)的功耗將明顯降低[1-4]。

調(diào)節(jié)泵的轉(zhuǎn)速，不但省電，而且由于揚(yáng)程、流量的降低，泵的振動(dòng)減輕，管道磨損降低。電動(dòng)機(jī)運(yùn)行頻率較低時(shí)，其消耗功率也會(huì)有較大降低。閥門控制水泵流量如圖 2 所示（圖 2 中矩形AH1OQ1和矩形AH2OQ2的面積分別代表流量 100% 和流量 70% 的軸功率)[5]。

在電動(dòng)機(jī)工頻恒速運(yùn)行，流量為 100% 情況下(工作點(diǎn)為A)，采取閥門調(diào)節(jié)方式獲得 70% 流量 (工作點(diǎn)為B)，會(huì)導(dǎo)致尾礦管道阻力增大，軸功率下降不明顯。

采用變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)控制流量時(shí)，由于尾礦管道特性沒有改變，水泵特性發(fā)生變化 (工作點(diǎn)為C)，故其輸入功率顯著降低。變頻調(diào)節(jié)水泵流量如圖 3 所示。

圖2 閥門控制水泵流量

圖3 變頻調(diào)節(jié)水泵流量

如上所述，軸功率P與n3成正比。采用變頻器進(jìn)行調(diào)速，二級(jí)接續(xù)砂泵使用初期轉(zhuǎn)速可降低到額定轉(zhuǎn)速的 82%，流量降到額定流量的 82%，軸功率降到額定功率的 55.14%。可見，在水泵中采用變頻調(diào)速控制方式來(lái)調(diào)節(jié)流量，節(jié)能效果非常明顯。

1.3 實(shí)施方案

初級(jí)泵站空間狹小，改造困難比較大，投資費(fèi)用大。目前初級(jí)泵站的運(yùn)轉(zhuǎn)率已接近 100%，不再進(jìn)行改造。把二級(jí)接續(xù)泵的普通工頻電動(dòng)機(jī)改為變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)，并配置高壓變頻控制柜。二級(jí)泵站共 2 臺(tái)砂泵，需安裝 2 臺(tái)變頻啟動(dòng)柜。

1.4 實(shí)施效果

安裝完成后通過(guò)調(diào)速節(jié)能，節(jié)能效果可持續(xù)到二級(jí)接續(xù)泵站滿負(fù)荷運(yùn)行為止。使用初期頻率只有 41 Hz，軸功率降幅接近 45%。安裝變頻控制柜不但可以變頻調(diào)速節(jié)能，還可以提高電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)，降低電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)電流，一舉多得。

2 循環(huán)水系統(tǒng)優(yōu)化

2.1 循環(huán)水泵工作現(xiàn)狀

選二作業(yè)區(qū)循環(huán)水泵電動(dòng)機(jī)原使用軟啟動(dòng)器控制泵的啟停。軟啟動(dòng)器是一種集電動(dòng)機(jī)軟啟動(dòng)、軟停車、輕載節(jié)能等多功能于一體的新型電動(dòng)機(jī)控制裝置。

循環(huán)水泵站原設(shè)計(jì)安裝 3 臺(tái)型號(hào) Y315M-4、功率 160 kW 的電動(dòng)機(jī)，驅(qū)動(dòng)離心泵為選礦車間供水，作業(yè)方式為兩用一備。實(shí)際啟動(dòng)離心泵時(shí)，需將離心泵的出口閥門關(guān)閉，否則軟啟動(dòng)無(wú)法切換到全壓運(yùn)行，設(shè)備無(wú)法啟動(dòng)。為了獲取理想的管路揚(yáng)程、用水揚(yáng)程及流量，需頻繁地調(diào)整閥門開度，增加了勞動(dòng)強(qiáng)度。若調(diào)整不當(dāng)，還會(huì)發(fā)生跳閘事故。同時(shí)，整體用水量因停車檢修、沖洗管道、原礦性質(zhì)變化等原因，需要不停的調(diào)節(jié)水量。原有工作點(diǎn)調(diào)節(jié)方式只能是調(diào)節(jié)閥門開度來(lái)控制水量。因?yàn)槭侨斯ふ{(diào)節(jié)，所以調(diào)節(jié)速度慢，經(jīng)常造成車間水壓不穩(wěn)，工藝不穩(wěn)定。因水質(zhì)較差，閥門故障率高，工人維修難度和操作強(qiáng)度都非常大。

2.2 變頻優(yōu)化改造方案

由于水質(zhì)較差，葉輪磨損嚴(yán)重，將 1 號(hào)泵更換為渣漿泵，采用 YVF2-400-6 型電動(dòng)機(jī)，功率為 315 kW，加裝變頻啟動(dòng)柜，低于工頻運(yùn)行。將 2 號(hào)泵電動(dòng)機(jī)由原來(lái)的軟啟動(dòng)改造為變頻啟動(dòng)，同時(shí)在管道上增加壓力傳感器和配套 PLC 控制系統(tǒng)，通過(guò)管道壓力調(diào)節(jié) 2 號(hào)水泵變頻器的設(shè)定頻率，以調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速。通過(guò)水泵變頻運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)管道恒壓自動(dòng)運(yùn)行。3號(hào)泵電動(dòng)機(jī)暫不進(jìn)行改造，做為備用泵。

2.3 變頻優(yōu)化改造效果

正常生產(chǎn)下，1 號(hào)泵工作頻率為 44 Hz，2 號(hào)泵工作頻率在 32～ 40 Hz 之間，節(jié)能效果明顯。改造后，既可實(shí)現(xiàn)水泵的變頻節(jié)能，又可以保證車間水壓，進(jìn)而穩(wěn)定生產(chǎn)工藝。1 號(hào)和 2 號(hào)泵可直接通過(guò)變頻啟動(dòng)，不需要再控制閥門，基本不需要人工操作，降低了工人勞動(dòng)強(qiáng)度，低頻運(yùn)行降低了葉輪轉(zhuǎn)速，提高了易損件使用壽命。

3 經(jīng)濟(jì)效益分析

3.1 尾礦接力泵站效益分析

在尾礦接力泵站，采用閥門控制與變頻控制的經(jīng)濟(jì)性對(duì)比如表 1 所列 (電費(fèi)按 0.5 元/(kW·h) 計(jì)算)。

表1 閥門控制與變頻控制的經(jīng)濟(jì)性對(duì)比

由表 1 可知，采用變頻控制每臺(tái)電動(dòng)機(jī)年節(jié)約電費(fèi) 22.2 萬(wàn)元，尾礦接續(xù)二級(jí)泵站的 2 臺(tái)砂泵年節(jié)約電費(fèi)共計(jì) 44.4 萬(wàn)元。

3.2 循環(huán)水泵站效益分析

在循環(huán)水泵站，采用閥門控制與變頻控制的經(jīng)濟(jì)性對(duì)比如表 2 所列 (電費(fèi)按 0.5 元/(kW·h) 計(jì)算)。

表2 采用閥門控制與變頻控制經(jīng)濟(jì)性對(duì)比

由表 2 可知，采用變頻控制循環(huán)水泵電動(dòng)機(jī)年節(jié)約電費(fèi)約 23.10 萬(wàn)元。

4 結(jié)語(yǔ)

未來(lái)選礦企業(yè)的能源利用效率和自動(dòng)化程度將會(huì)越來(lái)越高，高能耗、人員密集型的礦山企業(yè)將會(huì)逐漸失去競(jìng)爭(zhēng)力。變頻器在循環(huán)水系統(tǒng)和尾礦輸送系統(tǒng)中的應(yīng)用，產(chǎn)生了可觀的經(jīng)濟(jì)效益，不僅降低了設(shè)備故障率，增加了易損件的使用壽命，同時(shí)穩(wěn)定了生產(chǎn)工藝，對(duì)提高企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力起到很好的推進(jìn)作用。