Разработка энергосберегающих технологий при переработке минерально-сырьевых ресурсов (на примере горно-металлургической промышленности)

Актуальность и востребованность темы диссертации. На сегодняшний день в странах мира с различными уровнем обеспеченности электрической энергией, в среднем, энергопотребление в промышленности составляет 37%, в том числе на горно-металлургическую промышленность приходится 12%. В связи с истощением легко извлекаемых запасов минерального сырья и вовлечением в эксплуатацию запасов, локализованных в более сложных горно-геологических условиях, потребление электроэнергии горно-металлургическими производствами постоянно растёт. Согласно статистическим данным, годовое потребление электрической энергии в горно-металлургической отрасли в мире составляет 913,2 ТВт-ч. По результатам исследований к 2030 году рост потребления электрической энергией составит в среднем 1,8% в год. Особое внимание уделяется внедрению мероприятий по обеспечению потребностей и требований промышленных предприятий, энергосбережению и повышению эффективности технологического процесса, оптимизации потребления электрической энергии.
В Республике Узбекистан горно-металлургическая промышленность является одним из крупных потребителей энергоресурсов, в которой особое внимание направлено на организацию эффективных мероприятий по внедрению высокоэффективных технологий. В этом отношении заметные результаты достигнуты при создании высокоэффективных систем управления технологическим процессом, нормировании потребления электрической энергии, усовершенствовании систем управления технологическим процессом на основе интеллектуальных систем.
Особое значение приобретают вопросы снижения энергоемкости технологического процесса обогащения руды и повышения энергетической эффективности технологии переработки минерально-сырьевых ресурсов с учетом свойственной ей особенности. В этой области осуществление целенаправленных научных исследований является приоритетной проблемой, при этом весьма актуальны исследования в следующих направлениях: разработка рационального закона частотно-регулируемого электропривода, выявление энергосберегающих режимов работы асинхронного двигателя при статических и динамических процессах и создание его математической модели, разработка модели износа насосного агрегата, разработка математической модели электропотребления технологического процесса и нормирования расхода электрической энергии с учетом определения значимых факторов, влияющих на технологический процесс, разработка алгоритма прогнозирования потребления электрической энергии. Выполняемые научные изыскания по приведенным выше научно-исследовательским направлениям указывают на актуальность этой диссертационной темы.
Данное диссертационное исследование в определенной степени служит выполнению задач, предусмотренных в Законе Республики Узбекистан «О рациональном использовании энергии» (1997), Постановлении Президента Республики Узбекистан №ПП-2343 от 5 мая 2015 года «О программе мер по сокращению энергоемкости, внедрению энергосберегающих технологий в отраслях экономики и социальной сфере на 2015-2019 годы» и Постановлении Кабинета Министров Республики Узбекистан №333 от 28 ноября 2012 года «О дополнительных мерах по сокращению производственных затрат и снижению себестоимости продукции в промышленности», а также в других нормативно-правовых документах, принятых в данной сфере.
Целью исследования является разработка технических решений, обеспечивающих повышение энергетической эффективности обогатительных процессов на основе регулируемого электропривода и нормирования параметров электропотребления.
Научная новизна исследования заключаются в следующем:
определены наиболее существенные факторы, влияющие на износ деталей насоса, разработана математическая модель изнашивания в функции основных факторов, влияющих на нее в процессе эксплуатации;
разработан энерго- и ресурсосберегающий режим работы частотнорегулируемого электропривода системы «асинхронный двигатель - насос откачки пульпы»;
установлены зависимости эффективности потребления электрической энергии от степени загрузки шарами мельницы второй стадии измельчения руды;
разработана комплексная методика нормирования и моделирования параметров электропотребления для оценок эффективности энергосбережения;
разработана модель прогнозирования потребления электрической энергии в функции основных технологических параметров.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
На основе проведённых исследований по докторской диссертации на тему: «Разработка энергосберегающих технологий при переработке минерально-сырьевых ресурсов (на примере горно-металлургической промышленности)» представлены следующие выводы:
1. Рациональное управление режимами работы электромеханических систем и установок горно-металлургической промышленности позволяет повысить энергетическую эффективность технологии обогащения руды.
2. Характеристика технологического процесса обогащения руды как управляемого объекта позволяет выявить основные требования технологического процесса обогащения руды к электрическому приводу его механизмов.
3. Разработана математическая модель износа деталей насосного агрегата в функции скорости потока пульпы, плотности пульпы, твердости, прочности и угла атаки.
4. Анализированы энергетические и динамические характеристики частотно-регулируемого асинхронного электропривода насосной установки откачки пульпы при различных законах частотного управления, показавших, что наиболее рациональным законом частотного управления является управление по минимуму тока статора, в котором при заданных значениях скорости вращения и момента двигателя обеспечивается минимальный нагрев.
5. Разработана математическая модель системы «асинхронный двигатель - насос откачки пульпы» с учетом износа насосного агрегата, позволяющая определить энергетические параметры установки при частотном регулировании и без регулирования производительности.
6. Получены аналитические выражения для определения потребления электрической энергии мельничной установки при различных степенях загрузки шарами для мельниц 2-й стадии измельчения.
7. Получено математическое описание, позволяющее производить количественную оценку потребляемой электрической энергии обогатительным процессом, включая степень загрузки барабана мельницы шарами, учитывающей использование оборудований во времени, загруженность оборудований, количество перерабатываемой руды, параметры электрической сети, а также твердость руды.
8. Приводится структура обогатительного процесса с учетом управляющих, возмущающих и выходных технологических параметров. Определено, что целевой функцией управления обогатительным процессом является минимизация расходов энергоресурсов.
9. Установлена обобщенная многофакторная модель электропотребления обогатительного процесса, позволяющая оценивать удельный расход электроэнергии в зависимости от твердости руды и загруженности оборудований.
10. Приводятся энергетические модели каждого цикла технологического процесса обогащения руды, определяется критерий оптимального управления обогатительным процессом. Предлагается подход к оптимизации удельного расхода электроэнергии на обогатительный процесс. Решается задача нахождения оптимального удельного расхода электроэнергии на обогатительный процесс.
11. Определена структура состава расхода электрической энергии при обогатительном процессе. Разработана комплексная методика нормирования, моделирования и прогнозирования параметров электропотребления технологического процесса переработки окисленной руды для оценок объёмов энергосбережения горно-металлургической промышленности.