Повышение энергоэффективности драг

А.В. Шипулин — проектный инженер ООО «Бош Рексрот».

Золотодобыча, учитывая последние политические события, приобретает все большую значимость в поддержке золотовалютного резерва РФ. В планах правительства России занять вторую позицию по добыче золота после Китая. Значительная часть добытого золота приходится на россыпные месторождения. Однако непрерывно нарастающие темпы разработки приводят к истощению и сокращению рентабельности россыпей. Поэтому возникает необходимость совершенствования технологии и уменьшения себестоимости добытого золота.

Драги, одни из основных машин разработки россыпных месторождений, давно уже не модернизировались. А представленные на рынке китайские аналоги в точности повторяют устаревшие советские образцы. Фактически единственным производителем в России, занимающимся совершенствованием дражного способа добычи, является Иркутский завод тяжелого машиностроения. И усилий одной компании явно недостаточно, чтобы провести комплексную модернизацию как существующего парка машин, так и новых изделий.

Рис. 1. Преобразователь частоты Rexroth с пультом управления.

Поэтому в настоящей статье коротко описаны предложения по модернизации драг, заключающиеся в повышении энергоэффективности привода барабана черпаковой цепи.

Имеющийся на данный момент привод, как правило, бывает двух типов и состоит из:

1. Планетарного привода с кулачковым предохранительным устройством;
2. Двух или четырех сблокированных и синхронно работающих электродвигателей, установленных симметрично с каждой стороны вала верхнего черпакового барабана, с которым они могут быть соединены посредством клиноременных, редукторных или открытых зубчатых передач.

Предложений по модернизации так же будет не одно, а три для разных технико-экономических условий:
1. Частотно-регулируемый привод Rexroth Frequency Converter;
2. Гидравлический привод Hägglunds с собственным тормозом;
3. Гидравлический привод с системой регулирования Rexroth Sytronix.

Рассмотрим каждое из предложений более подробно.

Частотно-регулируемый привод Rexroth Frequency Converter

Наиболее простым из предложенных способов повышения энергоэффективности является использование частотно-регулируемого привода (далее ЧРП) Rexroth Frequency Converter. Название «ЧРП» говорит о том, что регулирование частоты вращения электродвигателя осуществляется путем изменения частоты питающего тока, подводимого к двигателю от преобразователя частоты. Для реализации данного решения необходимо установить частотный преобразователь на имеющийся асинхронный двигатель. Настройка параметров регулирования производится через встроенный пульт управления (рис. 1). Иногда для исключения проблемы электромагнитной совместимости с сетью ЧРП может поставляться с фильтро-компенсирующими устройствами.

Рис. 2. Гидравлические приводы Hägglunds.

Типоразмеры Frequency Converter Fe покрывают диапазон мощности от 0,75 кВт до 160 кВт, что позволяет применять данное решение только на мало- и среднелитражных драгах.

Связь с системой управления вышестоящего уровня в целях автоматизации происходит через ModBus (открытый коммуникационный протокол, основанный на архитектуре ведущий-ведомый (master-slave)) или опционально по PROFIBUS (открытая промышленная сеть, разработанная компанией Siemens AG).

Для оптимального применения в определенных условиях эксплуатации драг необходимо выбрать из двух вариантов частотных преобразователей: G-Серия — для применений в областях с более высокой кратковременной перегрузочной способностью, либо P-Серия — для применений с более высокой длительной нагрузочной способностью.

Рис. 3. Схема конструкции радиально-поршневого гидромотора. 

Т.к. ЧРП предназначены для использования в тяжелых промышленных условиях, все печатные платы покрыты слоем лака, что защищает электронику от агрессивных внешних воздействий, таких, например, как пыль или пар, и значительно увеличивает срок службы оборудования.

Итак, технические характеристики ЧРП Frequency Converter Fe, описанные выше, позволяют добиться следующих преимуществ:

• снижение издержек благодаря рациональному использованию электроэнергии в зависимости от потребности;
• повышение надежности благодаря снижению ударных нагрузок при плавном разгоне и торможении, а так же работе в эффективном режиме;
• защитно-предохранительная функция исключает перегрузку электродвигателей, а также разрушение элементов рабочего органа (цепь, ковши и т.д.);
• регулирование привода для поддержания необходимого уровня производительности;
• комплексная автоматизация драги с помощью коммутации системы управления приводом с автоматизированной системой управления верхнего уровня.

К основным недостаткам можно отнести:

• ограниченность типоразмеров, что исключает применение данного решения на крупнолитражных драгах;
• рабочий диапазон температур от -10°C до +50°C.

Если же руководство предприятия готово пойти дальше по пути повышения энергоэффективности, стоит рассмотреть следующий способ.

Гидравлический привод Hägglunds с собственным тормозом

Гидравлические приводы Hägglunds (рис. 2) включают в себя гидромотор, насосную станцию, а также систему управления. Гидромотор применяется в качестве привода вала верхнего черпакового барабана и монтируется на него без дополнительных передаточных устройств с помощью полого вала. Источником энергии для гидромотора служит насосная станция, основу которой составляют быстродействующие регулируемые насосы, преобразующие механическую энергию двигателя в гидравлическую энергию системы. Такая компоновка удачно вписывается в блочно-модульную концепцию современных драг.

Рис. 4. Сравнительная диаграмма перегрузочной способности приводов.

«Мозгом» гидросистемы является электронная система управления Hägglunds Spider, обеспечивающая, помимо функционирования гидропривода, непрерывную связь с системой управления драги. Такой способ взаимодействия между системами драги позволяет постоянно контролировать нагрузку на приводном валу и скорость движения черпаковой цепи.

Отличительной особенностью таких приводов являются высокие показатели мощности на единицу веса. А их максимальная мощность может достигать 2 МВт (до 1970 кНм). Кроме того возможно увеличение мощности привода с помощью установки до двух гидромоторов на каждом из концов вала. Это становится возможным благодаря компактной конструкции радиально-поршневого гидромотора с полым валом, который вы можете увидеть на рисунке 3.

Также немаловажно, что системы Hägglunds могут работать в самых тяжелых условиях, в которых эксплуатируются драги (высокая влажность, пыль, брызги, большие перепады температур и т.д.), и так до 30 лет.

Рис. 5. Гидравлический привод с системой регулирования Rexroth Sytronix.

И чтобы еще раз подтвердить преимущества прямого гидропривода Hägglunds относительно привода с асинхронным двигателем, смотрите таблицу 1.

После установки гидромотора напрашивается последняя из модернизаций, заключающаяся в комбинировании частотно-регулируемого привода и гидропривода.

Гидравлический привод с системой регулирования Rexroth Sytronix Электрогидравлическая система регулирования Rexroth Sytronix (рис. 5) представляет собой комплексное решение на основе двух рассмотренных ранее способов модернизации (ЧРП Rexroth Frequency Converter и гидропривод Hägglunds). Состоит она, как правило, из электроники, управляющей насосом, и самого гидропривода с мотором.

Особенность	Прямой гидропривод Hägglund	Привод с асинхронным двигателем
Пусковой момент	До 300%	До 200%
Время нахождения под нагрузкой	Без ограничений	Ограниченно из-за перегрева двигателя
Крутящий момент на протяжении всего диапазона скоростей вращения (см. рис. 4)	Полный крутящий момент	Пониженный на малых оборотах
Чувствительность к ударным нагрузкам	Не чувствителен	Очень чувствителен
Два направления вращения	Да	Да, при использовании специального редуктора
Необходимость редуктора	Нет	Да
Основание	Нет	Да, если не применяется кронштейн для редуктора
Частые пуски/ остановки	Без ограничений	Ограничены из-за перегрева двигателя
Вес оборудования присоединяемого к валу	Небольшой	Большой, зависит от размеров привода и основания
Размеры привода	Очень компактный	Большой, особенно при большой мощности
Чувствительность к тяжелым условиям эксплуатации	Нечувствителен	Чувствителен, должен быть установлен в проветриваемом помещении
Гармоническое искажение	Нет	Да, необходимо применение низкогармонического преобразователя или фильтра

Табл. 1. Сравнение характеристик прямого привода Hägglunds с приводом с асинхронным двигателем.

Т.к. основные технические параметры ЧРП и гидропривода были рассмотрены ранее, то наибольший интерес в этой системе представляет система управления насосом. Ее структура приведена на рис. 6 и, как можно заметить, она позволяет регулировать давление, расход и мощность. Таким образом, не составит труда управлять не только производительностью, но и крутящим моментом на приводном валу.

К тому же такие системы несут с собой значительные сопутствующие преимущества. Компактность привода обеспечивается за счет уменьшения объемов гидравлического бака и системы охлаждения (их значимость снижается при повышении энергоэффективности). А принцип Plug&Play позволяет быстро произвести установку предварительно сконфигурированного привода, и, как следствие, сократить простои оборудования. Расширенные возможности диагностики и контроля состояния, ведущие к более надежной работе. Снижение уровня шума в среднем на 20 дБ облегчает соблюдение санитарных норм.

Рис. 6. Структура системы управления насосом частотно-регулируемого привода Rexroth Frequency Converter.

И т.к. Rexroth Sytronix объединяет все преимущества гидравлики и электроники, такое решение будет более современным и рациональным. А результат экономии будет значительней. Это позволяет достигнуть экономии энергии от 30% до 80%.

Итак, предложенные выше способы модернизации в первую очередь направлены на повышение энергоэффективности главного привода драги для снижения издержек при добыче золота. А также данные решения позволят повысить надежность, обслуживаемость и функциональность. Учитывая, что только модернизация главного привода позволяет добиться такой экономии, можно только предполагать, насколько большим будет экономический эффект от комплексной модернизации драг.


Опубликовано в журнале «Золото и технологии», № 3 (25)/сентябрь 2014 г.