Мельницы и безредукторные приводы: большие, очень большие, самые большие

Маартен ван де Вейфейкен, менеджер по продажам систем приводов, Центр перспективных технологий по обогащению полезных ископаемых, ABB Switzerland Ltd. (Швейцария)

Безредукторный двигатель (который также называют «опоясывающим» или «кольцевым» двигателем) представляет собой очень большой синхронный электромотор. Полюса двигателя монтируются непосредственно на опорном фланце кожуха мельницы, таким образом, корпус мельницы становится ротором. Затем мельницу «оборачивают» статором безредукторного двигателя. Такая передовая концепция позволяет исключить из конструкции все критические механические компоненты, которые присущи традиционной системе привода мельницы: зубчатый венец, ведущую шестерню, редуктор, механическую или пневматическую муфту, вал и подшипники двигателя. Отсутствие таких компонентов значительно повышает КПД и эксплуатационную готовность мельницы. Электропитание безредукторного электродвигателя от циклоконвертера позволяет оператору легко регулировать рабочую скорость мельницы. Первый в мире безредукторный привод для мельницы – Gearless Mill Drive (GMD) – установила в 1969 году компания ABB (в то время носящая название BBC – Brown Boveri & Cie). Безредукторный привод мощностью 6.4 МВт приводил в действие 16-футовую (диаметром 4.87 м) цементную мельницу в Гавре (Франция), которая и сейчас, спустя 40 лет, все еще находится в эксплуатации.

Мельница SAG размером 12.19Ѕ12.19 м на руднике Янакоча (Перу)

Мельница SAG размером 12.19Ѕ12.19 м на руднике Янакоча (Перу)

Тенденции развития конструкций мельниц самоизмельчения и частичного самоизмельчения В середине 1980-х годов безредукторные приводы появились на рынке оборудования для обогащения полезных ископаемых в качестве мощных и надёжных приводных систем для мельниц частичного самоизмельчения (SAG mills). Диаметр первых мельниц SAG составлял около 32 футов (9.75 м), а позднее был увеличен до 34, 36, 38 и 40 футов (12.19 м). Вместе с этим увеличивался и объём мельницы. Диаметр типичной мельницы частичного самоизмельчения – значительно больше её длины. Однако, такая мельница компании Newmont на руднике «Янакоча» (Перу) выполнена одноступенчатой (т.к. шаровая мельница после мельницы SAG не установлена) с диаметром 9.75 м, равным длине мельницы, и безредукторным приводом компании ABB мощностью 16.5 МВт.

Недавно, в рамках проекта Aitik 36, компания Boliden установила в заполярной части Швеции две мельницы диаметром 11.58 м, и довольно внушительной длиной – по 13.72 м. Они имеют самый большой в мире объём и представляют собой мельницы самоизмельчения (AG mills), т.е. без шаровой загрузки. Эти два гиганта приводятся в действие безредукторными приводами компании ABB мощностью 22.5 МВт каждый.

Один из двух приводов GMD мощностью 22.5 МВт для мельницы самоизмельчения размерами 11.58Ѕ13.72 м в проекте Aitik 36 (Швеция)

Один из двух приводов GMD мощностью 22.5 МВт для мельницы самоизмельчения размерами 11.58Ѕ13.72 м в проекте Aitik 36 (Швеция)

Тем не менее, похоже, что это совсем не предел. Компания ABB изготовила и в 2010 г. поставила безредукторный привод мощностью 28 МВт для мельницы диаметром 12.19 м частичного самоизмельчения в проект «Торомочо» компании Minera Chinalco Perú S.A. Это не только самый большой, но и самый первый безредукторный привод, установленный в Андах на высоте 4600 м над уровнем моря. Несколькими месяцами ранее, тоже в 2010 г., для другого проекта компания ABB получила заказ на поставку еще одного безредукторного привода мощностью 28 МВт – для мельницы частичного самоизмельчения такого же размера.

Кроме того, недавно компания ABB выиграла конкурс на разработку безредукторного привода мощностью 28 МВт для первой в мире мельницы SAG диаметром 12.80 м – для проекта «Минас Конга» (Перу) по добыче оксидной медно-золотой руды. В стадии разработки находится множество проектов безредукторных приводов для мельниц частичного самоизмельчения диаметром 12.19 м с вводом их в эксплуатацию в ближайший месяц, а также несколько проектов для мельниц такого же типа, но диаметром 12.80 м. В настоящее время компания ABB уже разработала безредукторные приводы номинальной мощностью до 35 МВт для мельниц частичного самоизмельчения диаметром 13.41 м.

Тенденции развития шаровых мельниц

По мере того, как увеличиваются размеры мельниц частичного самоизмельчения, растут параметры и шаровых мельниц (Ball mills). В конце 1990-х годов зарождается тенденция к применению безредукторного привода на этих, более крупных, мельницах, а также к его использованию для регулирования скорости. Безредукторные приводы быстро переместились с 20-футовых (диаметром ~6.1 м) шаровых мельниц на 24- и 25-футовые, а затем и на 26-футовые (диаметром 7.92 м) мельницы. В начале 2010 года компания ABB ввела в эксплуатацию в Чили первые безредукторные приводы для двух шаровых мельниц (диаметром 8.23 м), каждый номинальной мощностью 18.6 МВт. Тем не менее, в проекте «Торомочо» эти пределы были вновь подняты двумя безредукторными приводами мощностью 22 МВт для двух шаровых мельниц (диаметром 8.53 м). Ещё для одного из проектов недавно получен заказ на поставку двух безредукторных приводов мощностью 22 МВт – для шаровых мельниц диаметром 8.53 м.

Удельная мощность приводов GMD

Первые в мире две 40-футовые (12.19 м) мельницы частичного самоизмельчения имеют безредукторные приводы номинальной мощностью 20 и 21 МВт, соответственно. Но за последние три года несколько изготовленных безредукторных приводов для 40-футовых мельниц обозначили тенденцию увеличения мощности с 22 МВт до 28 МВт. Таким образом, увеличивается не только диаметр мельниц, но и их «удельная мощность», рассчитываемая как отношение мощности двигателя привода к диаметру мельницы (МВт/фут). Подобная тенденция наблюдается и в конструкциях шаровых мельниц. У первых 26-футовых (7.92 м) шаровых мельниц номинальная мощность привода составляла 15.5 МВт, а сегодня она находится уже в диапазоне от 16.4 до 17.5 МВт. На рис. 1 показана динамика удельной мощности приводов мельниц частичного самоизмельчения и шаровых мельниц за последние 15 лет, в течение которых компания ABB поставляла безредукторные приводы.

Рис. 1 Динамика удельной мощности безредукторных приводов для мельниц компании ABB в проекте «Торомочо» (Перу)

Увеличение удельной мощности оказывает значительное влияние на такие рабочие параметры проекта, как режим охлаждения безредукторного электродвигателя, или, как в проекте «Торомочо», режим эксплуатации в условиях высокогорья. Кроме того, этот фактор влияет и на механические параметры мельницы. Например, номинальная частота вращения мельницы, закладываемая в её проекте, обычно находится в диапазоне 74–78% от критической частоты её вращения. Она находится в прямой зависимости от диаметра мельницы, и это означает, что номинальные частоты вращения мельниц одинакового диаметра существенно не различаются. Следовательно, более высокие значения удельной мощности обеспечивают и более высокие удельные вращающие моменты у безредукторных приводов.

Мельницы в условиях высокогорья

Дополнительную техническую задачу ставит необходимость эксплуатации безредукторных приводов в условиях большой высоты над уровнем моря, т.е. в условиях высокогорья. Например, разреженный воздух высокогорья снижает эффективность охлаждения привода мельницы. Во избежание этого длина пути тока утечки должна быть увеличена, что в свою очередь требует привести в соответствие с этим систему изоляции обмоток. Компания ABB провела испытания полной непрерывной системы изоляции VPI (с пропиткой в вакууме под давлением) в гипобарической камере с имитацией давления на высоте 5000 м над уровнем моря. Высокогорье также влияет на работу персонала, участвующего в монтаже, вводе в эксплуатацию, собственно эксплуатации и техническом обслуживании мельниц. Сами по себе, разработка и изготовление очень больших безредукторных приводов представляет по-настоящему трудную техническую задачу, если учитывать всё вышеперечисленное при необходимости обеспечить соответствующие коэффициенты надёжности оборудования.

После установки, высота статора 40футовой (12.19 м) мельницы частичного самоизмельчения достигает почти 21 м

Компания ABB – единственный поставщик безредукторных приводов, предназначенных для работы в условиях высокогорья – выше 4000 м над уровнем моря.

Проблемы транспортировки

Наряду с проектированием, изготовлением и монтажом, ряд сложных задач приходится решать при доставке безредукторного привода к месту его эксплуатации. Приводы GMD состоят из крупногабаритных и тяжелых деталей. Например, статор настолько велик, что для облегчения транспортировки его обычно разбирают на четыре секции. Например, один сегмент статора для безредукторного привода мельницы частичного самоизмельчения мощностью 28 МВт в проекте «Торомочо» имеет транспортные размеры ~14.8b6.1b3.4 м и массу 130 т. После доставки на объект эти четыре части статора монтируют вокруг уже установленной мельницы. Становится понятной стремление размещать заводы по изготовлению безредукторных электродвигателей как можно ближе к портам. Вместе с тем, для проекта «Торомочо» дополнительную сложность для доставки крупногабаритного оборудования и составляющих элементов приводов создаёт множество мостов и тоннелей.

Другой аспект транспортной проблемы возник при доставке безредукторного привода мощностью 22 МВт для 40футовой (12.19 м) мельницы частичного самоизмельчения для проекта «Маунт-Миллиган» компании Terrane Metals (Канада). Доставка крупногабаритных и массивных деталей привода мельницы к месту монтажа, в 155 км к северо-западу от Принс-Джордж в центральной Британской Колумбии, была запланирована на зимний период, по промёрзшим грунтам дорог. Но даже в таких условиях из-за весовых ограничений статор пришлось разделить на пять частей. Это уже второй случай в практике доставки приводов, когда статор пришлось разделять на пять частей: ранее в 2010 году компания ABB успешно смонтировала и ввела в эксплуатацию безредукторный привод в Чили, статор которого также был разобран на пять частей.

Обслуживание

После транспортировки, монтажа и сдачи в эксплуатацию мельница может начинать работу по измельчению руды. Однако, в отрасли хорошо известно о нескольких авариях различной степени серьезности, которые произошли несколько лет назад на больших безредукторных приводах.

Анализ этих аварий показал, что тяжесть последствия некоторых из них могла быть уменьшена при помощи регулярных инспекций и заблаговременных профилактических действий. Тем не менее, как реакция на прошлые аварии, компания ABB внесла ряд изменений в конструкцию, ужесточила процедуры проверки качества, пересмотрела процесс проектирования и разработала дополнительные защитные функции, что позволило создать более совершенную, с позиции технического обслуживания, систему безредукторного привода. Стремясь к повышению надёжности, эксплуатационной готовности и безаварийному функционированию мельничных приводов в течение всего срока службы, компания ABB предлагает всеохватывающую и хорошо организованную инфраструктуру обслуживания и технической сервисной поддержки. На протяжении всего жизненного цикла безредукторных приводов инженеры компании ABB готовы прийти на помощь при монтаже и вводе в эксплуатацию, при эксплуатации и обслуживании, а также при модернизации и модификации. Например, компания настоятельно рекомендует пользоваться подробными программами профилактического технического обслуживания для исключения любых аварийных простоев мельниц. Основой для сопровождения специалистами ABB каждого этапа жизненного цикла мельниц служат договора на техническое обслуживание, обучение персонала и технические консультации.

Первопроходцы

В проекте «Торомочо» сочетание высокой удельной мощности привода для надёжной эксплуатации мельницы в условиях высокогорья станет новым непревзойдённым рубежом в истории измельчения руд. Успех будет достигнут благодаря тщательному соблюдению всех возросших требований – от проектирования, изготовления и транспортировки до монтажа, ввода в эксплуатацию, эксплуатации и техническому обслуживанию. Смещение спроса горнодобывающих предприятий в сторону мельниц увеличенного диаметра с большей удельной мощностью, эксплуатационной готовностью и надёжностью будет и дальше способствовать творческим усилиям в области инноваций, технических разработок и методов обслуживания. Ключевыми факторами, стимулирующими эту тенденцию, служат истощение богатых залежей, возрастание объёмов переработки бедных руд, требования по увеличению общего КПД и эксплуатационной готовности, обеспечиваемые большими мельницами с безредукторными приводами. К чему это приведёт? Пока преобладает спрос на мельницы всё большего диаметра с ещё более высокой удельной мощностью, компания ABB продолжит расширять пределы возможного.

Журнал "Горная Промышленность" №1 (95) 2011, стр.46