變頻器在尾礦輸送系統和循環水系統中的節能應用

河北鋼鐵集團礦業有限公司承德柏泉鐵礦河北承德 067500

柏 泉鐵礦選二作業區斜板濃密機濃縮后的礦漿進入尾礦砂泵站，沉淀后的清水進入循環水泵站。因選礦工藝中有浮選選磷環節，選磷藥劑使清水水質變差，導致環水泵故障率高，供水水壓不穩定。尾礦輸送系統為接續運行，接續泵站使用前期電耗嚴重。鑒于以上原因，循環水系統和尾礦輸送系統亟需優化改造。

1 尾礦輸送系統優化

1.1 尾礦輸送系統運行現狀

柏泉鐵礦選二作業區有 2 個尾礦砂泵站，一級泵站有 2 臺渣漿泵，串聯運行；二級泵站有 1 臺渣漿泵，用來接續運行。通過 2 條尾礦管路 (一用一備) 將尾礦輸送至尾礦庫。一級泵站與尾礦庫的距離為 1 400 m，尾礦庫初期壩頂部標高比一級泵站高 48 m，尾礦庫每年升高約 8 m。尾礦庫全生命周期共設計三級接續泵站，一級泵站為雙級揚送，二級泵站和三級泵站為單級揚送。尾礦輸送系統簡圖如圖 1 所示。

圖1 尾礦輸送系統簡圖

隨著尾礦庫的不斷升高，一級泵站接近滿負荷運轉，已無法滿足尾礦輸送需求，于是在尾礦庫南側標高 600 m 處增加二級接續泵站。因工藝原因，二級接續泵站投入使用之初，負載率較低，接續砂泵流量存在較大富余，若以額定轉速運行會增加電耗；若采用控制閥門開度調節管路流量，導致單產電耗升高的同時，閥門等易損件磨損快，易損件的檢修時間長，影響生產穩定性。

1.2 變頻調速對比測算

根據流體力學原理，泵的流量Q與n成正比，揚程H與n2成正比，軸的功率P與n3成正比。通過降低泵的轉速，從而改變泵的性能曲線，電動機的功耗將明顯降低[1-4]。

調節泵的轉速，不但省電，而且由于揚程、流量的降低，泵的振動減輕，管道磨損降低。電動機運行頻率較低時，其消耗功率也會有較大降低。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]。

在電動機工頻恒速運行，流量為 100% 情況下(工作點為A)，采取閥門調節方式獲得 70% 流量 (工作點為B)，會導致尾礦管道阻力增大，軸功率下降不明顯。

采用變頻調速電動機控制流量時，由于尾礦管道特性沒有改變，水泵特性發生變化 (工作點為C)，故其輸入功率顯著降低。變頻調節水泵流量如圖 3 所示。

圖2 閥門控制水泵流量

圖3 變頻調節水泵流量

如上所述，軸功率P與n3成正比。采用變頻器進行調速，二級接續砂泵使用初期轉速可降低到額定轉速的 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速控制方式來調節流量，節能效果非常明顯。

1.3 實施方案

初級泵站空間狹小，改造困難比較大，投資費用大。目前初級泵站的運轉率已接近 100%，不再進行改造。把二級接續泵的普通工頻電動機改為變頻調速電動機，并配置高壓變頻控制柜。二級泵站共 2 臺砂泵，需安裝 2 臺變頻啟動柜。

1.4 實施效果

安裝完成后通過調速節能，節能效果可持續到二級接續泵站滿負荷運行為止。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速節能，還可以提高電動機功率因數，降低電動機啟動電流，一舉多得。

2 循環水系統優化

2.1 循環水泵工作現狀

選二作業區循環水泵電動機原使用軟啟動器控制泵的啟停。軟啟動器是一種集電動機軟啟動、軟停車、輕載節能等多功能于一體的新型電動機控制裝置。

循環水泵站原設計安裝 3 臺型號 Y315M-4、功率 160 kW 的電動機，驅動離心泵為選礦車間供水，作業方式為兩用一備。實際啟動離心泵時，需將離心泵的出口閥門關閉，否則軟啟動無法切換到全壓運行，設備無法啟動。為了獲取理想的管路揚程、用水揚程及流量，需頻繁地調整閥門開度，增加了勞動強度。若調整不當，還會發生跳閘事故。同時，整體用水量因停車檢修、沖洗管道、原礦性質變化等原因，需要不停的調節水量。原有工作點調節方式只能是調節閥門開度來控制水量。因為是人工調節，所以調節速度慢，經常造成車間水壓不穩，工藝不穩定。因水質較差，閥門故障率高，工人維修難度和操作強度都非常大。

2.2 變頻優化改造方案

由于水質較差，葉輪磨損嚴重，將 1 號泵更換為渣漿泵，采用 YVF2-400-6 型電動機，功率為 315 kW，加裝變頻啟動柜，低于工頻運行。將 2 號泵電動機由原來的軟啟動改造為變頻啟動，同時在管道上增加壓力傳感器和配套 PLC 控制系統，通過管道壓力調節 2 號水泵變頻器的設定頻率，以調節水泵轉速。通過水泵變頻運轉，實現管道恒壓自動運行。3號泵電動機暫不進行改造，做為備用泵。

2.3 變頻優化改造效果

正常生產下，1 號泵工作頻率為 44 Hz，2 號泵工作頻率在 32～ 40 Hz 之間，節能效果明顯。改造后，既可實現水泵的變頻節能，又可以保證車間水壓，進而穩定生產工藝。1 號和 2 號泵可直接通過變頻啟動，不需要再控制閥門，基本不需要人工操作，降低了工人勞動強度，低頻運行降低了葉輪轉速，提高了易損件使用壽命。

3 經濟效益分析

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濟性對比如表 1 所列 (電費按 0.5 元/(kW·h) 計算)。

表1 閥門控制與變頻控制的經濟性對比

由表 1 可知，采用變頻控制每臺電動機年節約電費 22.2 萬元，尾礦接續二級泵站的 2 臺砂泵年節約電費共計 44.4 萬元。

3.2 循環水泵站效益分析

在循環水泵站，采用閥門控制與變頻控制的經濟性對比如表 2 所列 (電費按 0.5 元/(kW·h) 計算)。

表2 采用閥門控制與變頻控制經濟性對比

由表 2 可知，采用變頻控制循環水泵電動機年節約電費約 23.10 萬元。

4 結語

未來選礦企業的能源利用效率和自動化程度將會越來越高，高能耗、人員密集型的礦山企業將會逐漸失去競爭力。變頻器在循環水系統和尾礦輸送系統中的應用，產生了可觀的經濟效益，不僅降低了設備故障率，增加了易損件的使用壽命，同時穩定了生產工藝，對提高企業的競爭力起到很好的推進作用。