Акционерная компания «АЛРОСА» является лидером алмазодобывающей отрасли России (97 % всех алмазов в стране), доля в мировом объеме добычи алмазов — 25 %. Прогнозные запасы АК «АЛРОСА» составляют около одной трети общемировых запасов алмазов. Обогатительные мощности компании представлены рудными фабриками (№ 3, 8, 12, 14 и 16), драгами (№201, 202 и 203), россыпными стационарными фабриками (№ 13 и 15), передвижными установками. Суммарная мощность обогатительного комплекса компании превышает 32 млн. тонн обработки сырья в год. Обогатительные фабрики (ОФ) № 12 и 14, работающие в составе этого комплекса, в настоящее время являются крупнейшими среди аналогичных зарубежных алмазодобывающих фабрик. Созданная российскими специалистами на обогатительных фабриках технология обогащения находится на уровне мировых стандартов, а по отдельным технологическим процессам и оборудованию — его превышает. На обогатительных фабриках АК «АЛРОСА» широко применяется бесшаровое измельчение с использованием мельниц мокрого самоизмельчения (ММС) отечественного и зарубежного производства. Размол руды в ММС осуществляется за счет соударения кусков, а также в результате их падения на футеровку барабана. В технологическом процессе обогащения применяется люминесцентная и тяжелосредняя сепарация с использованием люминесцентных отечественных сепараторов, конвейеров различных модификаций, включая вертикальные, грохотов, насосов и другого оборудования с широкой автоматизацией. Применяемая на фабриках компании технология обогащения и используемые реагенты являются экологически чистыми и обеспечивают исключение вредного воздействия на окружающую природную среду. Ведущим предприятием алмазодобывающей отрасли России с крупнейшим открытым карьером в мире является Удачнинский горно-обогатительный комбинат (ГОК), на долю которого приходится самый большой объем добычи алмазов компании (около 60 %). Проектный объём ежегодной обработки руды на фабрике № 12, входящей в состав структурного подразделения Удачнинского ГОКа, составляет 11 млн. тонн. Это самая производительная фабрика в АК «АЛРОСА», первая очередь которой вступила в действие в 1976 г. В управлении производством и технологическими процессами на фабрике используются современные средства автоматизации и вычислительной техники, которые обеспечивают четкую работу оборудования и высокую извлекаемость алмазов. За последние годы на предприятии произошли большие изменения в энергетическом хозяйстве. Службой главного энергетика накоплен немалый опыт по эксплуатации энергетического оборудования. Сегодня на предприятии успешно внедряются современные энергосберегающие технологии. С 2002 г. Удачнинский ГОК ведет подготовку к строительству подземного рудника «Удачный» мощностью 4 млн. тонн руды в год, который позволит продлить срок отработки Удачнинского месторождения еще как минимум на 50 лет. Мощностей обогатительного комплекса Удачнинского ГОКа достаточно для обработки руды трубок «Удачная» и «Зарница», руды разведанных запасов Верхне-Мунской группы месторождений. Для того, чтобы фабрика могла принимать и обрабатывать руду подземного рудника, на ней будет произведена реконструкция, претерпит некоторые изменения технологической процесс.
Рудник «Айхал» был запущен в работу в 1959 г. на месторождении трубки «Айхал». Преобразован в Айхальский ГОК в 1986 г. с последующим наращиванием объемов производства за счет ввода в эксплуатацию карьера «Юбилейный», который является одним из крупнейших в компании и России и обеспечен сырьем до 2021 г. В состав Айхальского ГОКа входят ОФ № 8 и 14. В технологической цепочке фабрики № 14, действующей на полную мощность с 1998 г., работают три самых больших в компании рудоразмольных мельницы типа ММС (диаметр барабана 10,5 м). Такие размеры мельниц позволяют исключить операцию предварительного дробления, которая является обязательной для традиционно используемых мельниц мокрого самоизмельчения. Высокое качество разведанных запасов и проведенные экологические расчеты показывают, что отработка запасов алмазов по трубке «Айхал» является рентабельной до значительной глубины. Поэтому в настоящее время здесь возводится активными темпами подземный рудник с выходом в 2012 г. на проектную мощность 500 тыс. тонн — перспектива ГОКа до 2030 г.
Алмазодобыча традиционно является наукоемким производством, в котором сосредоточены современные технологии, воплощены передовые проектные решения. Научно-исследовательский и проектный институт ЯКУТНИПРОАЛМАЗ, который располагается в г. Мирный, выполняет значительные объемы научных исследований в области технологии добычи и обогащения полезных ископаемых. Институт выступает в роли генерального проектировщика и является координатором и генератором проектов, в том числе по реконструкции обогатительных фабрик и внедрению энергосберегающих технологий.
На обогатительной фабрике № 12 УГОКа с учетом технического состояния и более 30-летнего срока службы необходима замена всех мельниц мокрого самоизмельчения. Фабрика оборудована семью девятиметровыми бесшаровыми ММС, пять из которых были поставлены японской компанией «Роксайл» и две -сызранским заводом «Тяжмаш».На мельницах «Роксайл» в качестве привода установлены асинхронные высоковольтные (6 кВ) двигатели RVF-1F 3300 кВт с фазным ротором, токосъемными кольцами, щеточным механизмом с нерегулируемой частотой вращения 735 мин-1 и пусковым жидкостным реостатом, который снижает КПД. Из-за высокой скорости вращения асинхронного двигателя мельница «Роксайл» снабжена понижающим двухступенчатым редуктором и зубчатым венцом на барабане, которые нуждаются в нескольких видах интенсивной смазки. Энергетические показатели мельницы «Роксайл»: КПД электродвигателя -0,91; КПД открытой зубчатой передачи — 0,94; КПД редуктора — 0,96; КПД опорных подшипников барабана — 0,98; КПД мельницы в целом -0,804.
Приводом безредукторных мельниц ММС 90-30 советского производства является синхронный высоковольтный двигатель СДМ 32-24-58-80 (6 кВ) мощностью 4000 кВт и частотой вращения 75 мин-1 (массой 168 т). Следует уточнить, что так называемый «безредукторный» вариант ММС 90-30 предполагает наличие открытой силовой понижающей зубчатой передачи, ведомый венец которой диаметром около 9 м установлен на втулке, сидящей на валу барабана (см. рис. 1, б, вал-шестерня). Для подбора оптимального режима измельчения с целью увеличения сохранности алмазов обе мельницы ММС 90-30 были оснащены преобразовательным устройством ПЧВС-4000/6,3, которое позволяет плавно запускать мельницу и задавать необходимую частоту вращения двигателя и, следовательно, барабана мельницы. Энергетические показатели мельницы ММС 90-30 следующие: КПД электродвигателя — 0,95; КПД открытой зубчатой передачи — 0,94; КПД опорных подшипников барабана — 0,98; КПД мельницы в целом-0,875.
Учитывая технологию обогащения алмазосодержащих руд, регулирование вращения барабана мельницы позволяет повысить сохранность природного качества алмазов. В 2003 г. институтом ЯКУТНИПРОАЛМАЗ совместно с институтом ИРГИРЕДМЕТ была выполнена НИР, в которой проводились исследования влияния скорости вращения барабанов ММС на ОФ №12 УГОКа на энергетические показатели привода и выход продукции. Были проведены испытания двух одновременно работающих мельниц ММС 90-30 № 4 с регулируемым приводом и ММС 90-30 № 5 с нерегулируемым приводом. Анализ результатов показал, что при уменьшении частоты вращения барабанов мельниц с 80 до 70 % от критической производительность одной мельницы по исходной руде снизилась на 7,6 %, а удельный расход электроэнергии на измельчение вырос на 3,2 %. Это показывает существенное уменьшение КПД двигателя при снижении частоты вращения и коэффициента загрузки. Результаты испытаний и анализ ситовой характеристики товарной продукции показали также влияние скорости вращения двигателя и соответственно барабана на качество товарной продукции.
Обогатительная фабрика № 14 АГОКа оснащена двумя мельницами ММС 105-54 (барабан диаметром 10,5 м) с редуктором завода «Тяжмаш» с приводной венцовой шестерней на барабане (рис. 2) и одной аналогичной мельницей компании «Сведала». ММС 105-54 с двумя ведущими шестернями комплектуются двумя высоковольтными асинхронными двигателями с фазным ротором ДАФЗ-4000-6-750 мощностью 4000 кВт и частотой вращения 750 мин-1. Приводом мельницы «Сведала» с редуктором также является асинхронный двигатель N31RXS 900 G6G с фазным ротором мощностью 5600 кВт. После реконструкции ММС 105-54 № 1 в 2003 г. проблемный привод с двумя ведущими шестернями был заменён на одноприводный на базе асинхронного двигателя N3RXS 900 J/6 с фазным ротором и жидкостным реостатом мощностью 7000 кВт и частотой вращения 992 мин1 производства французской компании ALSTROM MOTEUDS. На очереди реконструкция аналогичной двухприводной ММС 105-54 № 2.
Таким образом, недостатками существующего электромеханического привода мельниц, связанными с наличием громоздкого редуктора, муфт и подшипниковых опор электродвигателя, являются: значительные потери энергии (КПД тракта с редуктором менее 90 %); увеличенное занимаемое пространство; износ контактирующих между собой узлов и деталей и, следовательно, затраты на их ремонт; затраты на пополнение смазки и обслуживание подшипниковых опор электродвигателя и зубчатых пар редуктора; загрязнение окружающей среды потерями масла и повышенная пожароопасность; повышенный шум и вибрация электромеханического привода.
Альтернативой электроприводов с редуктором и так называемого «безредукторного» являются кольцевые двигатели. Мировым лидером в области производства мельниц полусамоизмельчения (МПСИ) с полноценным безредукторным низкооборотным синхронным электроприводом является компания Metso Minerals (США). На рис. 3 показана крупнейшая МПСИ (диаметр барабана 11,6 м) мощностью 20000 кВт, установленная в Чили.
Кольцевые многополюсные синхронные двигатели, которые поставляет компания Siemens (Германия), устроены и размещаются на барабане следующим образом. Полюса ротора с обмоткой возбуждения болтами крепятся к фланцу барабана мельницы. Статор с трёхфазной обмоткой якоря, которая питается от преобразователя частоты, охватывает элементы ротора. Таким образом, барабан мельницы становится вращающимся элементом большого низкооборотного синхронного двигателя. Скорость вращения мельницы регулируют путём изменения частоты напряжения, подаваемого на обмотку якоря.
Для кольцевых (безредукторных) электроприводов характерно: отсутствие механического соединения между электродвигателем и мельницей (соответственно нет трения, износа, потерь на тепло и т. п.); высокий КПД (до 98 %) и повышенная надёжность (за счёт отсутствия редуктора); возможность обеспечения медленного вращения и малой подачи перерабатываемого материала путём изменения частоты подаваемого напряжения, можно плавно менять скорость в любом диапазоне изменения частоты — от 0 до максимальной; система управления обеспечивает плавный пуск и остановку привода, торможение и гибкое применение привода в любых нужных потребителю режимах работы мельницы; отсутствие приводной шестерни и системы её смазки; небольшой объём технического обслуживания и меньшая площадь для установки привода.
Редукторные приводы имеют практический потолок мощности порядка 7500 кВт (примерно 10000 л.с.) на одну ведущую шестерню. Безредукторный электропривод с кольцевым двигателем снимает ограничения на размер МПСИ или ММС и её мощность. Недостатком кольцевого электропривода являются относительно большие первоначальные затраты на его разработку, изготовление и установку (стоимость кольцевого привода примерно на 30 % выше стоимости самой мельницы).
При реконструкции ОФ № 12 УГОКа возможны четыре варианта замены оборудования: 1) установка однотипных мельниц ММС 90-30 российского производства (г. Сызрань), оснащённых синхронными двигателями и преобразователями частоты ПЧВС; 2) установка однотипных мельниц «Роксайл» (Metso Minerals), оснащённых асинхронными двигателями и редукторами; 3) заказ проекта, изготовление кольцевых вентильно-индукторных двигателей и приобретение мельниц ММС 90-30 российского производства (г. Сызрань); 4) заказ проекта, изготовление кольцевых вентильно-индукторных двигателей и приобретение мельниц от Metso Minerals.
Первые два варианта предусматривают стандартную и испытанную процедуру приобретения мельниц и традиционных видов двигателей. Для мельниц «Роксайл» Metso Minerals предоставил коммерческие предложения на их изготовление и поставку с редуктором и асинхронным приводом. Для мельниц ММС 90-30 также представлено технико-коммерческое предложение ОАО «Тяжмаш» (г. Сызрань) на поставку мельниц, оснащённых синхронным двигателем СДМЗ и ПЧВС. Однако технические решения, примененные в предлагаемых конструкциях мельниц и характерные для развития техники 70-х годов, морально и физически устарели как с точки зрения энергетической, так и механической.
В качестве альтернативы приводов для мельниц ММС производства «Тяжмаш» и «Роксайл» предлагается использовать безредукторный привод с кольцевым вентильным индукторным двигателем (ВИД). Разработку, поставку, наладку ВИД и гарантийные обязательства будет выполнять ЗАО «ИРИС» (г. Новочеркасск) при использовании научного потенциала Южно-Российского государственного технического университета (Новочеркасского политехнического института) (ЮРГТУ (НПИ)). На данный момент в ходе ведения переговоров о намерениях сотрудничества АК «АЛРОСА» и ЗАО «ИРИС» представлены технико-коммерческие предложения на двигатели мощностью 2600, 3300 и 7600 кВт для кольцевого электропривода соответственно девятиметровых мельниц ММС 90×30 А, «Роксайл» и мельницы ММС 105-54, а также 750 кВт для привода грунтовых насосов ГРАТ-1800. Внедрение регулируемого вентильного индукторного привода (ВИП) для насосов ГРАТ освобождает от использования задвижек и позволяет снизить потери электроэнергии. Экономически и технологически целесообразным является также использование индукторных двигателей в качестве приводов различных насосов на предприятиях тепло-водоснабжения города (посёлка). Электродвигатели подъемных механизмов и главных вентиляторных установок относятся к потребителям 1-й категории по надежности энергоснабжения. Одним из необходимых условий работы таких двигателей является регулирование частоты вращения. ВИД также отличаются от распространенных аналогов двигателей более высокой надежностью.
В соответствии с тематическим планом в 2008 г. в институте ЯКУТНИПРОАЛМАЗ выполнена работа 036-08/07, в которой проведена технико-экономическая оценка экономической эффективности применения вентильно-индукторных двигателей для электропривода ММС обогатительных фабрик АК «АЛРОСА». В работе показана целесообразность и экономическая эффективность использования вентильных индукторных двигателей на обогатительных фабриках по сравнению с асинхронными и синхронными двигателями.
Из преимуществ ВИП с технической и экономической стороны, по сравнению к синхронным и асинхронным двигателям, можно отметить следующие:
— важнейшим с точки зрения энергосбережения преимуществом ВИП является сохранение высокого значения КПД двигателя, близкого к номинальному (для крупных машин 96-98 %), в часто встречающихся режимах работы с неполной нагрузкой на валу;
— более высокий КПД преобразователя (инвертора) за счет работы на низкой частоте 100-300 Гц в отличие от инвертора асинхронного двигателя (АД), работающего в режиме ШИМ на частотах выше 2000 Гц;
— точность управления моментом, возможность регулирования частоты вращения в широком диапазоне при фазовом управлении ВИП (улучшение условий технологии обогащения), более качественный плавный пуск и торможение (увеличение срока службы обмоток двигателя, передаточных деталей и прочих элементов мельницы и двигателя);
— простота конструкции магнитопроводов статора и ротора и катушечных обмоток двигателя, не имеющих пересекающихся лобовых частей, обеспечивает высокую технологичность при изготовлении, повышенные надежность и низкое количество отказов, долговечность и ремонтопригодность (снижение затрат на текущий ремонт и обслуживание);
— ротор не имеет обмоток, потери в стали ротора незначительны, поэтому от него не требуется отвод тепла;
— повышенная живучесть ИД обеспечивается за счет магнитной независимости фазных обмоток в двигателе и электрической независимости фазных блоков в преобразователе частоты, поэтому повреждение какой-либо одной или нескольких фаз не приводит к полной потере работоспособности привода, снижается только его мощность;
— отсутствует редуктор (нет затрат на замену масла и исключается составляющая, снижающая общий КПД передачи);
— высвобождаются производственные площади, что даёт преимущество при реконструкции фабрики.
Со стороны ЗАО «ИРИС» также проведено исследование возможности применения ВИД в качестве привода ММС ОФ. Следует при этом отметить, что разработки ЗАО «ИРИС» базируются на почти пятидесятилетием опыте научнопедагогической школы электротехников ЮРГТУ (НПИ). По теме индукторных машин и их электронного управления защитились четырнадцать кандидатов и два доктора наук. Это солидная школа, сотрудничать с которой стремятся не только отечественные, но и зарубежные предприятия, организации и университеты. В работе на основе опыта новочеркасской электротехнической научной школы в области индукторных машин обоснована целесообразность и возможность создания энергосберегающих и надёжных тяговых вентильных индукторных электроприводов большой мощности, которые, без сомнения, найдут применение, прежде всего, в качестве электрической тяги электровозов, большегрузных карьерных самосвалов и автопоездов, тракторных тягачей и экскаваторной техники, в системе электродвижения надводных и подводных кораблей, а также и в электроприводах другого назначения. В настоящее время с учётом успешного опыта внедрения вспомогательных ВИП от 1,1 до 32,5 кВт на объектах ВМФ РФ и испытания ВИД мощностью 500 кВт ЗАО «ИРИС» при содействии учёных ЮРГТУ (НПИ) интенсивно ведет научно-исследователь-ские и проектно-конструкторские работы по созданию ВИД с частотными преобразователямимощностью до 20 ООО кВт на низких оборотах, при которых не требуется применение редукторов. КПД привода составляет 96-98 %. В 2009 г. предприятие поставит для безредукторного электропривода малого морского буксира гребной ВИД мощность 2000 кВт и частотой вращения 200 мин-1 (масса двигателя 30т).
В соответствии с соглашением о сотрудничестве ЗАО «ИРИС» и АК «АЛРОСА» были проведены предварительные проектные работы по созданию низкооборотных кольцевых ВИД для ММС обогатительных фабрик Удачнинского и Айхальского ГОКов и сформированы техникокоммерческие предложения. Конструкция пятифазного кольцевого ВИД для привода мельницы самоизмельчения алмазосодержащих руд ММС 90-30 показана на рис. 4, а, а конструкция кольцевого ВИД на барабане мельницы «Роксайл» -на рис. 4, б.
крепления статорной части. В качестве опоры для ротора электродвигателя привода мельницы самоистирания алмазосодержащих руд применена втулка 5 ведомого зубчатого венца редуктора мельницы, а статорная часть электродвигателя закреплена посредством лап 6 на фундаменте мельницы, охватывая с зазором его роторную часть. При работе двигателя на катушки каждой фазы обмотки поочередно подаются управляющие импульсы напряжения прямоугольной формы от полумостового пятифазного инвертора напряжения. Рабочий магнитный поток проходит через зубчатый магнитопровод статора 7, рабочий воздушный зазор и зубчатый магнитопровод ротора 4 и создает электромагнитный вращающий момент, бесконтактно действующий на зубцы магнитопровода роторной части и через них на втулку зубчатого венца и вал барабана мельницы, приводя его во вращение.
Безредукторный позволяет уменьшить объем занимаемого пространства по длине мельницы примерно в два раза, исключить загрязняющие окружающую среду потери масла, значительно снизить пожароопасность. Кроме этого, в предлагаемом приводе отсутствуют контактирующие между собой узлы и детали, такие как подшипниковые узлы электродвигателя и редуктора, зубчатые пары, что позволяет повысить надежность привода, значительно снизить потери электроэнергии из-за отсутствия трения и увеличить КПД привода на 8-9 %, а также значительно уменьшить шумы (в том числе инфразвук и спектр высокочастотных составляющих) и вибрации привода и исключить затраты на обслуживание и ремонт быстроизнашиваемых контактирующих узлов.
В силу ряда преимуществ (простота конструкции, более низкая себестоимость, надёжность и ремонтопригодность, лучшие энергетические показатели) ВИП очевидно могут составить конкуренцию регулируемым асинхронным электроприводам общепромышленного применения, которые приходят на смену электроприводам постоянного тока.
Однако ряд обстоятельств препятствует активному продвижению ВИП на рынок. Несмотря на то, что себестоимость АД выше, чем ВИД, при их массовом производстве они стоят на рынке дешевле, чем индукторные двигатели, изготавливаемые по индивидуальному заказу. То же относится и к инверторам напряжения.Трёхфазные мостовые инверторы, которые 1фоизводятся серийно, также стоят дешевле, чем полумостовые, которые применяются для питания и управления ВИД с совмещёнными обмотками якоря и возбуждения (индукторный реактивный двигатель или двигатель с самовозбуждением).
Одним из вариантов на пути продвижения ВИД на рынок является его адаптация для питания от мостового инвертора. В ЗАО «ИРИС» предложена и апробирована схема питания и управления от мостового инвертора двухпакетного ВИД с двумя трёхфазными обмотками, смещёнными в пространстве на 180 эл. град, (шестифазная машина), защищённая патентом. В этом двигателе от положительных импульсов через диоды питается одна трёхфазная обмотка, а от отрицательных — смещенных по фазе во времени на 180 эл. град., — другая.
По сравнению с трёхфазным ВИД с одной обмоткой, который питается от полумостового инвертора, предложенный вариант имеет пониженные пульсации момента, вдвое больший коэффициент мощности и обеспечивает экономию силового кабеля. ВИД с двумя трёхфазными обмотками могут выполняться не только в двухпакетном, но и в однопакетном (низкооборотаые) исполнениях. Однопакетное исполнение шестифазного ВИД по сравнению с двухпакетным имеет меньшие массогабаритные характеристики и более высокий КПД. На конструкцию однопакетного ВИД с двумя трёхфазными обмотками также получен патент.
На ОФ № 12 УГОКа полупроводниковые преобразователи, которые питают двигатели привода насосов ГРАТ-1800, расположены на расстоянии примерно 40 м от насоса, поэтому для практической реализации был выбран вариант ВИД с питанием от мостового преобразователя с использованием трёхфазного трёхжильного кабеля.
В настоящее время в проработке ЗАО «ИРИС» находится перспективный вариант кольцевого ВИД с магнитно-независимыми автономными П-образными элементами сердечника статора, в котором также реализована возможность питания от мостовых трёхфазных инверторов напряжения. Обмотки двигателя соединяются в треугольник.При возбуждении электромагнита, т.е. подачи тока в его обмотку, зубцы ротора втягиваются в область магнитного поля, что создает вращающий момент. Путём поочерёдного возбуждения соответствующих электромагнитов статора, на которые набегают зубцы ротора, обеспечивается непрерывность вращения ротора. Для того, чтобы не возникало тормозного момента у электромагнитов, с которых сбегают зубцы ротора, ток выключается. Изменением частоты возбуждения электромагнитов меняется частота вращения ротора и, соответственно, барабана мельницы. Следует отметить, что в этой индукторной машине одновременно возбуждаются не менее трёх из шести фазных электромагнитов на участке фазной зоны. Это обеспечивает малые пульсации вращающего момента.
Предложенная конструкция кольцевого ВИД с разъёмными элементами статора существенно упрощает технологию его монтажа и снижает массу электротехнической стали. Питание обмоток перспективного ВИД может быть реализовано от нескольких мостовых инверторов, каждый из которых независимо питает фазные катушки двух диаметрально расположенных фазных зон кольцевого ВИД, что обеспечивает повышенную надёжность системы питания и высокую её ремонтопригодность.Вышедший из строя полупроводниковый преобразователь может быть отключён без потери работоспособности привода.
Выводы:
1. Модернизация обогатительных фабрик АК «АЛРОСА» должна осуществляться с учётом современного научно-технического уровня развития в области электромеханики, силовой электроники и микропроцессорной техники.
2. Вентильный индукторный привод в настоящее время является одним из наиболее перспективных, технически и экономически обоснованных вариантов для обеспечения эффективной модернизации оборудования обогатительных фабрик АК «АЛРОСА».
3. При выборе варианта исполнения крупногабаритного кольцевого вентильного индукторного двигателя большой мощности следует учитывать не только энергетические и массогабаритные показатели, но и технологичность монтажа, а также вопросы обеспечения повышенной надёжности его работы и ремонтопригодности.