Методы измерения уровня загрузки мельниц, основанные на физических процессах современных централизованных систем смазки

Семилетов Николай Александрович, студент самоизмельчения, зумпф, насос гидроциклона, гидроциклон. Замкнутую схему обеспечивает гидроциклон, в верхней части которого при классификации выделяется готовый продукт, а пульпа из его нижней части возвращается в мельницу для дополнительного измельчения.

Подача исходного материала в мельницу – это один из этапов процесса измельчения, который может существенно повлиять на уровень загрузки (заполнения) мельницы и на потребляемую мощность электродвигателя этой мельницы. Увеличение уровня загрузки мельницы влияет на эффективность измельчения, так как это динамический процесс, и массы в этом процессе должны быть сбалансированными. Уровень загрузки мельницы может контролироваться по потребляемой мощности электродвигателя мельницы Р пр или по давлению масла в опорных подшипниках мельницы р м [3] (рис. 1). Для мельниц самоизмельчения стабилизация уровня загрузки барабана исходным материалом обеспечивается путём воздействия на частоту вращения привода питателя.

Из статических характеристик можно выделить два канала регулирования «потребляемая мощность Р пр – частота вращения привода питателя» или «давление масла р м – частота вращения привода питателя». В мельницах са-моизмельчения предлагается метод измерения уровня загрузки на основе совместного измерения давления масла в централизованных системах маслосмазки 2-х опорных подшипников питательной и разгрузочной цапф мельницы с помощью «интеллектуальных» датчиков давления, а затем осреднения полученных данных. Схема расположения систем централизованной смазки мельницы самоизмельче-ния показана на рис. 2.

Рис. 1. Пример зависимостей Р пр и р м для мельницы самоизмельчения

Рис. 2. Централизованные системы смазки мельницы самоизмельчения

Схема систем смазки мельницы самоиз-мельчения включает две централизованные системы жидкой смазки: питательного (I) и разгрузочного (II) подшипников цапф мельницы. Венцовая пара (III), подшипники редуктора привода (IV) и электродвигатель мельницы (V) обслуживаются специализированной станцией густой смазки [2]. Элементы оборудования (рис. 2) следующие: мельница самоиз-мельчения, питательная (2) и разгрузочная (3) цапфы, венцовая 4 и приводная 5 шестерни, редуктор 6 и электродвигатель 7. Загрузочная и разгрузочная части мельницы 1 включают цапфы 2 и 3, связанные с её торцевыми крышками и опираются на подшипники с баббитовой заливкой (смазываются жидкой смазкой). В состав централизованной системы подшипника 2 входят насосы высокого Н1 и низкого Н2 давления, циркуляционный насос Н3 для охлаждения масла, погружной насос Н4 для перемешивания масла в маслобаке, элементы гидросистем ГЭ1 – ГЭ4 (фильтры, обратные и предохранительные клапаны и др.), устройство охлаждения УО (маслоохладитель), через который по одним каналам циркулирует нагретое масло, а по другим – охлаждающая жидкость из системы охлаждения СО, регулирующий клапан К1 с электрическим приводом ЭМ и маслобак Б1 с нагревательными элементами НЭ. Локальные системы автоматического регулирования (САР) с помощью контроллеров обеспечивают регулирование температуры в контурах охлаждения масла подшипников мельницы самоизмельчения путем изменения расхода холодной воды через маслоохладитель УО.

В условиях непрерывной работы мельницы, высокие температуры ведут к опасным ситуациям для трущихся частей механизмов мельницы. В связи с этим в централизованных системах смазки предусмотрено охлаждение масла на базе маслоохладителя. Анализ режимов работы системы смазки мельницы показывает следующее. Во-первых, возможно получение первичной информации от датчиков давления, находящихся в системах централизованной смазки I и II (см. рис. 2), для использования этой информации в автоматизированной системе загрузки мельницы, так как изменяется давление при изменении степени загрузки мельницы. Во-вторых, для получения функциональной связи между загрузкой мельницы и давлением в гидросистеме насо-са/насосов систем централизованной смазки необходимо обеспечить стабилизацию расхода масла в системах I и II мельницы. В-третьих, необходимо предусмотреть компенсацию возмущающих воздействий в работе систем централизованной смазки I и II с учетом нагрева или охлаждения масла в различные периоды года. Для компенсации возмущающих воздействий в централизованных системах смазки подшипников предусмотрено основное охлаждение жидкой смазки маслобака Б1 на базе маслоохладителя УО1, как показано на рис. 3.

Для этой системы охлаждения масла предусматриваются условия, чтобы Б1 и УО1 находились в непосредственной близости от мельницы с возможностью регулирования температуры циркулирующей жидкой смазки на основе применения локальной САР3, что позволяет уменьшить время запаздывания в гидросистемах. Обозначения на схеме (рис. 3) следующие: маслобак Б1, насос Н3 с электроприводом М3, предохранительный клапан КП1, клапан обратный КО1, маслофильтры Ф1 и Ф2, реле перепада давления РД1 и РД2, шаровые краны К2-К8, трёхходовой клапан К1 с исполнительным механизмом ИМ1, маслоохладитель УО1 и система охлаждения СО.

Рис. 3. Схема системы охлаждения жидкой смазки гидробака

Регулирование температуры жидкой смазки маслобака осуществляется при помощи изменения расхода жидкой смазки через маслоохладитель. Регулируемая величина локальной САР - температура масла, а регулирующая величина - расход жидкой смазки через УО1. Следует отметить, что выбранный канал регулирования позволяет практически исключить дополнительное охлаждение жидкости в маслоохладителе гидросистемы насоса низкого давления Н2. Как показала практика, уравнение динамики описываемого физического процесса можно представить в виде неоднородного дифференциального уравнения 2-го порядка следующего вида

^Т 1 ^Т 2 ^d Tt²'t) ^{+ (} Т ^+Т 2 ^)dTdr) ⁺ T^{0 (t)} ^ ^k 1 G⁰ dt dt

, (1)

где k 1 - коэффициент передачи объекта управления (процесса охлаждения жидкой смазки); т 1 т 2 - постоянные времени распределённого объекта управления; Т о ( t ) - температура масла на сливе в бак Б1; G₀ ( t ) - расход жидкой смазки через маслоохладитель УО1. Уравнение неразрывности струи с учётом разделения потоков с помощью трёхходового клапана К1 имеет следующий вид

G c ( t ) = G t ( t ) + G 1 ( t ) , (2)

где G_c ( t ) - расход жидкой смазки в трубопроводе на сливе жидкой смазки в Б1; G 1 ( t )- расход жидкой смазки через перемычку, связывающую трёхходовой клапан К1 с трубопроводом на сливе жидкой смазки в Б1. Учитывая, что G_B = G_c= const в каждый момент времени ( G_B ( t ) - расход жидкой смазки на входе трёхходового клапана К1), то из (2) следует соотношение:

G t ( t ) = G c ( t ) - G 1 ( t ) . (3)

Рассмотрим участок на сливе жидкой смазки в Б1 с учётом расход жидкой смазки через перемычку, связывающую трёхходовой клапан К1 с трубопроводом на сливе жидкой смазки в Б1 и расход жидкой смазки через маслоохладитель УО1. С учетом закона сохранения количества теплоты и уравнения (3) получим следующее выражение:

G c ( t ) Т_с ( t ) = G 1 ( t ) Т в ( t ) + ( G c ( t ) - G 1 ( t )) Т о (t) , (4)

где Т с ( t ) - температура жидкой смазки в трубопроводе на сливе жидкой смазки в Б1; Т в ( t ) -температура жидкой смазки через перемычку, связывающую трёхходовой клапан К1 с трубопроводом на сливе жидкой смазки в Б1, причём температура жидкой смазки на вход трёхходового клапана К1 и температура жидкой смазки через перемычку равны; Т_о ( t ) - температура жидкой смазки после маслоохладителя УО1. В этом случае мы получаем математическую модель исследуемого процесса в виде системы из 3-х уравнений (1), (2) и (4). В качестве способа исследования особенностей этого процесса на основе системы уравнений (1), (2) и (4) целесообразно использовать метод фазовой плоскости. В этой математической модели величина T ₃( t ) является одним из регулируемых параметров. Это позволяет исследовать алгоритмы управления для локальных САР с учетом схемы (см. рис. 3) для обеспечения энергосбережения.

Применение подобных систем возможно и для многокамерных сепараторных цементных мельниц замкнутого цикла. Основной существующий метод измерения уровня измельчаемых компонентов в шаровых мельницах основан на электроакустическом принципе, заключающемся в измерении шума в одной из камер цементной мельницы, как правило, в 1-ой камере. Такой подход не позволяет определять уровень загрузки мельницы в камерах отдельно, что часто приводит к переизмельчению материала.

Выводы: применение гидравлического метода измерения, основанного на измерении давления масла в централизованных системах маслосмазки, совместно с электроакустическим позволит определить уровень загрузки мельницы, причём на основе данных датчиков давления в централизованной системе смазки уровень загрузки мельницы в целом, а на основе шумового сигнала – уровень загрузки первой камеры шаровой мельницы. Использование специализированного программно-технического комплекса даст возможность вычисления соотношения измельчаемых компонентов в её камерах, а также интеграцию этой системы в автоматизированную систему диспетчерского управления мельницами. Рассмотренные принципы позволят увеличить производительность мельниц и в целом повысят эффективность автоматизированной системы управления мельницами.