CC BY
139
© B.C. Хилов, Л.Я. Сухарев, 2009
B. ^ Хилов, Л.Я. Сухарев
АНАЛИЗ СПОСОБОВ СНИЖЕНИЯ ЭНЕРГОПОТРЕБЛЕНИЯ КОМПРЕССОРНОЙ УСТАНОВКИ БУРОВОГО СТАНКА
Проведен сравнительный анализ возможных способов снижения энергопотребления компрессорной установки. На его основании произведено обоснование способа пуска приводного двигателя
Ключевые слова: энергоносители, энергосберегающие технологии, горнометаллургический комплекс, пневмосистема, буровые станки.
~П связи с постоянным подорожанием энергоносителей и, в ча-
-Я-М стности, увеличением стоимости электрической энергии, все большее внимание уделяется разработке и внедрению энергосберегающих технологий в горнорудной промышленности.
Постановка проблемы
Данная проблема наиболее актуальна для горнометаллургического комплекса, как одного из наиболее энергоемких производств. В случае разработки месторождений полезных ископаемых открытым способом с применением буровзрывных работ одним из наиболее энергоемких процессов является процесс очистки скважины от выбуренной мелочи, снижение энергопотребления которого рассмотрено в данной статье.
Состояние вопроса
До настоящего времени не уделялось достаточное внимание исследованию энергоемкости процесса очистки скважины при бурении и возможности ее снижения. Данные, полученные по результатам экспериментальных исследований, приведенные в источниках [1,2] говорят о возможности снижения энергопотребления и существования оптимального количества подаваемого в скважину воздуха, не приводящего к перерасходу электроэнергии. Общее теоретическое описание процесса очистки скважины от выбуренной мелочи приведено в [3]. Методика оценки экономической целесообразности ограничения холостого хода приведена в [4].
Цели статьи
Целью данной статьи является анализ переходных процессов в системе электроснабжения, приводном двигателе и компрессоре, характеризующих пуск компрессора и обоснование необходимости применения частотно-управляемого пуска для обеспечения возможности отключения компрессора на время технологических перерывов и исключение непроизводительного расхода электроэнергии.
Результаты исследований
Одной из основных причин нерационального расхода электроэнергии является невозможность ограничения холостого хода компрессорной установки. Это в частности обусловлено возникновением динамических перегрузок в компрессоре при пуске, из-за чего ограничено число пусков до капитального ремонта и недопустимой потерей напряжения в питающей сети. Кроме этого сложный закон изменения объема камеры сжатия и протекающих в ней процессов обусловили отсутствие математического описания процессов в винтовом компрессоре и пневмосистеме, позволяющего получить передаточную функцию системы компрессор -пневмосистема, и дало возможность производить имитационное моделирование процесса пуска с учетом взаимного влияния системы электроснабжения, приводного двигателя, компрессора и пневмосети.
Одним из первоочередных способов снижения энергоемкости процесса очистки скважины от выбуренной мелочи является исключение непроизводительного расхода электроэнергии во время технологических перерывов. Для оценки возможных способов снижения энергопотребления и сравнения их эффективности произведем анализ факторов, приводящих к непроизводительному расходу электроэнергии.
Согласно методике, приведенной в [4], была выполнена предварительная оценка экономической целесообразности огра-ничения холостого хода компрессора. При этом использовались данные, предоставленные отделом главного энергетика Цент-рального горнообогатительного комбината (ЦГОК) города Кри-вой Рог. Для количественной оценки экономической целесо-образности было рассчитано критическое время остановки дви-гателя Ткр, которое составило 7,2 с. Для сравнения средняя длительность одной операции по наращиванию бурового става составляет 3-5 минут, а длительность переезда на место сле-дующего бурения 7-10 минут (по данным ЦГОКа). Таким об-ра-зом, при среднем количестве выбуриваемых за смену одним буро-
вым станком скважин, равном 6, время непроизводительного расхода электроэнергии за смену составит 80 минут. Сравнивая критическое время остановки со временем межоперационных перерывов можно сделать вывод об экономической целесо-образности отключения привода компрессора.
Привод компрессорной установки бурового станка СБШ -250МН и предназначенного для его замены бурового станка СБСШ -250Н осуществляется от нерегулируемого асинхронного двигателя мощностью 200 кВт. В связи с этим возможен только прямой пуск привода, из-за чего возникает значительный бросок тока и момента при пуске привода, что в свою очередь, приводит к значительным необоснованным потерям электроэнергии в элементах системы электроснабжения и динамическим перегруз-кам в компрессоре и двигателе. Так же следует обратить внима-ние на то, что компрессорная установка бурового станка СБШ - 250 МН (СБШС -250 Н) оснащена винтовым компрессором, что обуславливает необходимость рассмотрения некоторых требова-ний к работе привода, связанных с конструктивными особен-ностями винтовых компрессоров. В частности конструктивное исполнение предусматривает наличие воздушного зазора между ведущим и ведомым винтами компрессора, как в компрессорах сухого сжатия, так и в маслозаполненных компрессорах. Это достигается путем применения синхронизирующих шестерен [5]. В некоторых случаях для небольших маслозаполненных винтовых компрессоров допустим металлический контакт между роторами без установки синхронизирующих шестерен с креплением валов роторов в подшипниках скольжения [6].
При прямом пуске привода компрессора возникают значительные динамические перегрузки в механической части компрессора бурового станка - подшипниках и синхронизирующих шестернях, что приводит к выходу из строя компрессорной установки и ограничению числа пусков до капитального ремонта. В связи с этим пуск привода компрессора производится только в начале смены, после чего приводной двигатель и компрессор работают в непрерывном режиме. В том числе при заштыбовке долота, наращивании бурового става или при переезде на место следующего бурения.
После появления в начале 90-х годов электроприводов переменного тока на основе ЮВТ транзисторов и GTO тиристоров, которые позволяют создание достаточно надежных тиристорных и транзисторных преобразователей с приемлемыми массога-баритными по-
казателями стало возможным создание компактных и надежных приводов по системе тиристорный (транзисторный) преобразователь -двигатель, что позволило осуществление плавного пуска двигателя с частотным регулированием скорости. На буровых станках нового поколения СБШС - 250Н уста-новлены два транзисторных преобразователя на основе ЮВТ транзисторов для питания либо приводов хода, либо привода подачи бурового става и вращателя. Таким образом, появилась возможность использования одного из установленных пре-обра-зователей для осуществления плавного пуска привода компрессора.
На данный момент в условиях ЦГОКа для ограничения потребляемой компрессорной установкой на холостом ходу мощности применяется дросселирование на всасывающем патрубке. В установившемся режиме работы момент на валу при-водного двигателя равен моменту сопротивления, следовательно, мощность на валу двигателя равна мощности компрессора. Это дает возможность утверждать, что энергия, потребляемая приводным двигателем, будет пропорциональна энергии, потреб-ляемой компрессором в процессе работы. Выражение для определения мощности, потребляемой винтовым компрессором, согласно [7], имеет вид (1):
1 k-1
РКОМр = 1,63-г-0Рв(£^ -1),
Л
где Vcг теоретическая объемная производительность идеального компрессора, м3/мин; Рв- среднее давление во всасывающем патрубке, рв
Па; £ = =- - степень повышения давления (СПД); к - показатель Р н
адиабаты; Рн - среднее давление в нагнетательном патрубке, Па.
Теоретическая объемная производительность идеального компрессора определяется по выражению (2):
Vc=(F1+F2)Lz1n1, (2)
где F1, F2 - площадь торцового сечения винтовой впадины ведущего и ведомого ротора, соответственно, м2; L - длина винтовой части роторов, м; z1 - число зубьев ведущего ротора; п1 - скорость вращения ведущего ротора, об/мин.
Таким образом, при нерегулируемом приводе можно на всосе добиться снижения энергопотребления путем дроссели-рования на
всосе, что позволяет снизить Рйа, так как СПД для винтовых компрес-
соров является постоянной и зависит только от геометрических параметров. Данный способ снижения энергопотребления применяется на ЦГОКе и путем замеров установлено, что при этом достигается уменьшение потребляемой мощности до 1/3 от номинальной. Мощность при работе на холостом ходу расходуется не только на покрытие механических потерь в компрессоре и двигателе, но и на поддержание вакуума во всасывающем патрубке. Очевидно, что хотя дросселирование является достаточно эффективным, есть все основания ут-верждать, что наибольшую эффективность даст отключение компрессора на время технологических перерывов.
Начиная с 2003 года на ЦГОКе происходит замена станков СБШ -250МН на станки СБШС - 250Н, в связи с чем изменились требования к уровню питающего напряжения на зажимах элек-тродвигателей основных механизмов (хода, вращателя и подачи бурового става). Это обусловлено заменой приводных двига-телей. На буровом станке СБШ - 250МН привод вышеуказанных механизмов осуществлялся двигателями постоянного тока по системе тиристорный преобразователь - двигатель, а на буровом станке СБШС - 250Н привод их осуществляется от асинхронных двигателей (АД) с короткозамкнутым (КЗ) ротором по системе транзисторный преобразователь (ШИП) - двигатель.
Следовательно, необходим способ пуска, обеспечивающий ограничение динамических нагрузок на компрессор и ограни-чение на допустимом уровне пусковой ток двигателя с целью уменьшения электрических нагрузок на двигатель и питающую сеть в процессе пуска. Последнее требование не столь актуально для бурового станка типа СБШ -250МН, оснащенного преиму-щественно двигателями постоянного тока, но достаточно актуально для станков СБШС - 250Н, основные привода которых (вращателя, подачи бурового става, хода) оснащены асинхрон-ными двигателями. Для двигателей постоянного тока парал-лельного возбуждения момент на валу пропорционален току якоря. Это обуславливает их меньшую чувствительность к колебаниям питающего напряжения, так как ток якоря пропорцио-нален напряжению на якоре.
Для асинхронного двигателя момент будет пропорционален квадрату питающего напряжения. Поэтому возникает необходи-мость поддержания на допустимом уровне отклонения питающего напряжения для исключения «опрокидывания» работающих двига-телей и обеспечения возможности нормальных условий пуска.
Это объясняется тем, что для карьеров с большой протяженностью ЛЭП, от которых, как правило, получают питание, как мощные экскаваторы, так и буровые станки, оказывающиеся в силу технологических особенностей ведения горных работ наиболее удаленными потребителями. Это обуславливает сложность поддержания допустимого уровня напряжения на зажимах потребителей бурового станка, особенно в пиковом режиме при пуске двигателя экскаватора, питающегося от общей с буровым станком ЛЭП, подключенного до бурового станка.
Так как по данным исследований [8] усредненный износ буровых станков составляет 80-100%, а для ГОКов Криво-рожского бассейна износ составляет до 100%, и требуется замена оборудования, то проблема поддержания уровня пи-тающего напряжения и снижения пиковых нагрузок вызы-вающим потери напряжения является актуальной.
Для выбора способа пуска, обеспечивающего ограничение на допустимом уровне потери напряжения в питающей сети, которая по данным ЦГОКа в различных случаях составляла 12-15%) в режиме пиковых нагрузок, и ограничения пускового момента двигателя на допустимом для компрессора уровне, проведем сравнительный анализ возможных способов пуска.
В условиях карьера существует несколько способов поддержания уровня питающего напряжения в распределительных сетях: увеличение сечения ЛЭП, осуществление глубокого вво-да, применение на бортовых подстанциях трансформаторов с регулированием под нагрузкой, применение продольной и поперечной компенсации реактивной мощности. Это позво-лило бы частично решить поставленную задачу - обеспечить необходимый уровень напряжения на зажимах пускаемого двигателя и других потребителей бурового станка. Но при этом единственным способом, обеспечивающим плавный пуск с возможностью регулирования пускового тока и пускового момента (то есть решающим первую и вторую задачи) является частотно управляемый пуск привода компрессора.
В заключение делаем вывод, что в связи с неизбежной в скором времени заменой морально и физически изношенных буровых станков на большинстве ГОКов Украины неизбежно будут ужесточены требования к качеству питающего напря-жения. В первую очередь из-за широкого внедрения электро-приводов переменного тока (АД с КЗ ротором) вместо приводов постоянного тока из-за
более высокой надежности, низкой стоимости изготовления и обслуживания и массога-баритных показателей, необходимо принятие мер по повы-шению качества питающего напряжения и повышению на-дежности и долговечности оборудования. Применительно к буровым станкам такой мерой является применение частотнорегулируемого пуска привода компрессора.
-------------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Буткин В.Д Проектирование режимных параметров автоматизированных станков шарошечного бурения. М.: Недра, 1979.- 208 с, ил.
2. Влияние расхода сжатого воздуха на эффективность шарошечного буре-ния/Б.Н. Кутузов, И.Г. Михеев, А.В. Домаховский//Горный журнал. - 1965, - №4, с. 32-34.
3. Жуковский АА, Нанкин Ю.А., Сушинский ВА. Привод и системы управления буровых станков для карьеров. М.: Недра, 1990.- 233 с, ил.
4. Енергозбереження: Навч. Поабник / Ю.Т. Розумний, В.Т. Запса, Ю.В. Степаненко; Нацюнальний прничий ушверситет.- Дншропетровськ: НГУ, 2005.-166 с.
5. Хлумский В. Ротационные компрессоры и вакуум-насосы. - М: «Машиностроение», 1971. - 128 с.
6. Сакун И.А Винтовые компрессоры. Основы теории, расчет, конструкция - Л.: «Машиностроение», 1970. - 400 с.
7. АндреевП.А. Винтовые компрессорные машины - Л.: Судпромгиз, 1961.- 252 с.
8. Современное состояние и перспективы развития предприятий по добыче и переработке железорудного и флюсового сырья в Украине/В.А. Колосов, В.П. Воловик, Н.И. Дядечкин//Горный журнал.-2000, - №6, с. 162-164. шгЛ
B.C. Hilov, L.J. Suharev
THE ANALYSIS OF WAYS OF DECREASE IN POWER CONSUMPTION OF COMPRESSOR INSTALLATION OF THE CHISEL MACHINE TOOL
The article deals with the comparative analysis ofpossible ways of decrease energy consumption by compressor. The substantiation of a way of start-up of a drive motor is examined.
Key words: the energy carriers which are power saving up technologies, горнометаллургический a complex, a pneumatic system, chisel machine tools.
___ Коротко об авторах ______________________________________________________
Хилов B.C. - канд техн. наук,
Сухарев Л.Я.
Национальный горный университет, Днепропетровск.
