Die Technologie hinter einem der längsten Rohrförderer der Welt

Langstreckenförderer sind eine zuverlässige und energieeffiziente Methode zum Transport von Schüttgütern. Rohrförderer – vollständig geschlossene Materialtransportsysteme – bieten zusätzlichen Umweltschutz und mehr Flexibilität beim Passieren schwierigen Geländes, indem sie kleinere horizontale und vertikale Kurvenradien ermöglichen.

Ein 15 Kilometer langes Rohrförderband in der Nähe von Hebi, China, wurde 2017 erfolgreich in Betrieb genommen. Das Förderband transportiert 1.000 Tonnen Kohle pro Stunde (T/h) von der Kohlebasis Yubei zu zwei kohlebefeuerten 660-MW-Kesseln Kraftwerk Hebi Heqi. Das System ist der weltweit längste einläufige Rohrförderer und übertrifft den bisherigen Rekord von 8,2 Kilometern (km) bei weitem.

In diesem Artikel werden einige der einzigartigen technischen Merkmale dieses Fördersystems beschrieben, darunter das Band mit geringem Rollwiderstand, das leichte erhöhte Fachwerk, der selbstangetriebene Wartungswagen und das Design des Mid-Booster-Antriebs.

Rohrförderer sind eine besondere Art von Bandförderern. Das Band wird in eine röhrenförmige Form gefaltet, wobei sich sechs Spannrollen überlappen und ein Sechseck bilden. Die Hauptvorteile von Rohrförderern liegen in ihrer Fähigkeit, scharfe Kurven zu bewältigen und das transportierte Material abzudichten. Das Rohrband umschließt und trennt das Material von der Umgebung. Außerdem weist der Rohrgurt im Vergleich zu einem Muldengurt gleicher Breite ein geringeres Flächenträgheitsmoment auf, was die Biegung des Rohrgurts über horizontale und vertikale Kurven erleichtert. In den letzten 15 Jahren wurden Rohrförderer nicht nur häufiger installiert, haben längere Förderlängen und höhere Kapazitäten, sondern haben auch bei Endanwendern in verschiedenen Branchen eine größere Anerkennung als praktikables Materialtransportsystem erlangt.

Die Yubei Coal Logistics and Storage Base befindet sich im nördlichen Teil der Provinz Henan in China, in der Nähe von Hebi. Die Kohlebasis ist für den Umschlag von 20.000.000 Tonnen Kohle pro Jahr ausgelegt und kann jederzeit 800.000 Tonnen Kohle lagern. Es erhält Kohle aus nahegelegenen Minen per Bahn- und LKW-Transport, lagert und mischt Kohle verschiedener Qualitäten und versendet die Kohle an lokale Verbraucher. Über eine 30 km lange Förderanlage werden rund 7.000.000 Tonnen zu zwei Kraftwerken transportiert.

Der erste 15 km lange Förderer – Yubei-Abschnitt A – beginnt an der Kohlebasis Yubei und endet am Kraftwerk Fenghe Tongli, das über zwei 300-MW- und zwei 600-MW-Blöcke verfügt. Yubei Abschnitt A hat eine Auslegungskapazität von 1.850 t/h. Ein Teil der Kohle wird vom Kraftwerk Fenghe Tongli verbraucht, ein Teil wird über ein zweites 15 km langes Förderband – Yubei Abschnitt B – vom Kraftwerk Fenghe Tongli zum Kraftwerk Hebi Heqi transportiert.

Yubei Abschnitt B hat eine Auslegungskapazität von 1.000 t/h. Zwischen den Förderbändern der Abschnitte A und B befinden sich zwei 4.000-Tonnen-Silos. Abbildung 1 zeigt den Rohrförderer des Abschnitts B, der zum Kohlelagerplatz des Kraftwerks Hebi Heqi kommt. Yubei Abschnitt B wurde 2017 in Betrieb genommen.

Umweltaspekte sind ein wichtiger Faktor bei der Auswahl des Systemtyps für Kohleumschlaganwendungen. Die Förderbänder der Yubei-Abschnitte A und B durchqueren einige ökologisch sensible Gebiete, darunter geschützte Feuchtgebiete, Naturparks und Flüsse, die Trinkwasser liefern. In der Machbarkeitsstudie des Projekts wurden mehrere Optionen für das Yubei-Materialtransportsystem bewertet.

Eine bei Endverbrauchern und Aufsichtsbehörden zunehmend verbreitete Auffassung ist, dass das Material physisch von der Umgebung getrennt werden sollte, beispielsweise durch den Einsatz eines vollständig geschlossenen Materialhandhabungssystems, um einen sauberen Materialtransport zu gewährleisten. Unter dieser Prämisse muss ein Trogband in einer vollständig geschlossenen Struktur platziert werden, während ein Rohrband in einer offenen Struktur platziert werden kann, da das Rohrband selbst ein geschlossener Materialtransport ist.

Normalerweise sind die Kapital- und Betriebskosten eines Rohrförderers im Vergleich zu einem Trogförderer höher. Eine vollständig geschlossene Förderstruktur ist jedoch teuer. Darüber hinaus reduziert der Rohrförderer die Bau- und Grundstückskosten, indem er kleinere Kurvenradien und eine flexiblere Förderstrecke ermöglicht. Durch die Kombination dieser Faktoren zeigte sich, dass ein Rohrförderer im Vergleich zu einem Trogförderer geringere Gesamtkosten für das Yubei-Projekt verursachte, weshalb er als Förderertyp ausgewählt wurde.

Abbildung 2 zeigt das Förderprofil von Abschnitt B in der Draufsicht (obere Abbildung) und die Förderstrecke in der Draufsicht (untere Abbildung). In Abbildung 2 sind die roten Liniensegmente die geraden Abschnitte; Die grünen Liniensegmente sind die gekrümmten Abschnitte mit horizontalen Kurvenradien von 400 Metern und 500 Metern. Die Gesamtlänge der horizontalen Kurven beträgt 2,11 km – 14,1 % der 15 km langen Förderstrecke. Der gesamte horizontale Kurvenwinkel beträgt 283 Grad. Wäre ein Trogförderer eingesetzt worden, hätte die gesamte horizontale Kurvenlänge 8,4 km benötigt, um den gleichen Kurvenwinkel zu erreichen.

Zunächst wurde jeder der 15 km langen Rohrförderer in zwei Einzelförderer mit einer Länge von etwa 7 km bis 8 km aufgeteilt, unter anderem basierend auf zuvor bewährten Förderlängen, Bandleistungen und Antriebsgrößen. Conveyor Dynamics Inc. (CDI) schlug jedoch einen 15 km langen Einzelförderer mit einem Mid-Booster-Antrieb für die Förderer der Abschnitte A und B vor.

Abbildung 3 zeigt das Schema der Antriebsanordnung des Abschnitt-B-Förderers. Es gibt vier Antriebspunkte: Kopf, Mitte, Schwanz und Rückkehr-Mitte. Sowohl die Mittel- als auch die Kopfantriebsstation verfügen über zwei Antriebsscheiben, die jeweils mit einem 1.250-kW-Motor ausgestattet sind, der von Frequenzumrichtern angetrieben wird. Der Rücklauf-Mittelantrieb verfügt über einen 1.250-kW-Motor und der Heckscheibenantrieb über einen 1.800-kW-Motor. Die Mittelfahrstation ist 8,41 km von der Heckladestelle entfernt.

Die Antriebe an den verschiedenen Standorten verfügen über unterschiedliche Steuerungsmethoden. Die Antriebe am Kopfende werden geschwindigkeitsgeregelt, um die vorgegebene Bandgeschwindigkeit aufrechtzuerhalten. An den Mittel- und Heckantriebsstationen sind Kraftmesszellen installiert, um die Riemenspannung zu messen, anhand derer das Steuerprogramm die Antriebsdrehmomentabgabe regelt.

Die Konzeption von Langstreckenförderern mit Mittelantriebssystemen wurde bereits in zwei bisherigen CDI-Projekten erfolgreich umgesetzt. Eine davon war das 20,3 km lange Muldenband Curragh North in Australien, das 2.500 Tonnen Kohle pro Stunde transportierte und 2007 in Betrieb genommen wurde. Das andere war das 27 Kilometer lange Muldenband Sasol Impumelelo in Südafrika, das 2.000 Tonnen Kohle pro Stunde transportierte und 2015 in Betrieb genommen wurde Beide Förderer waren zum Zeitpunkt ihrer Inbetriebnahme die längsten einbahnigen Trogförderer der Welt. Im Vergleich zur Aufteilung eines Förderers in zwei Förderer bietet die einbahnige Konstruktion mit Mittelantrieb folgende Vorteile:

Tatsächlich ist die Steuerungstechnik von Mehrpunkt-Antriebsanordnungen komplizierter. Dies kann jedoch durch solide Technik und eine geringfügige Kostensteigerung behoben werden. Der Yubei-Rohrförderer Abschnitt B begann im Juni 2017 mit der Inbetriebnahme und bestand im September 2017 den Volllast-Leistungstest. CDI lieferte den grundlegenden Förderer sowie das Struktur- und Steuerungsdesign während der Ausschreibungsphase und der Projektausführungsphase für die Primärtechnik. Beschaffungs- und Bauunternehmer Huadian Heavy Industries Co. Ltd.

CDI arbeitete mit dem Bandhersteller Zhejiang Double Arrow Rubber Co. Ltd. zusammen, um eine maßgeschneiderte Bandlösung für das Yubei-Rohrfördersystem zu entwickeln. Der Riemen der Sektion B ist 1.500 Millimeter (mm) breit, weist eine Zugfestigkeit von 2.500 Newton pro Millimeter (N/mm) auf und verfügt über eine 8-mm-Ober- und 6-mm-Unterabdeckung. Der ST2500-Riemen besteht aus 95 Stahlseilen mit einem Durchmesser von 6,7 mm. Eine höhere Bandgeschwindigkeit – 4,5 m/s – wird verwendet, um die Bandbreite von 1.600 mm auf 1.500 mm zu reduzieren, um ein kleineres Rohr mit 427 mm Durchmesser für den Transport von 1.000 Tonnen Kohle pro Stunde zu bilden, was die Band- und Strukturkosten senkt.

Die Querschnittssteifigkeit und Konstruktion eines Rohrbandes sind entscheidend für die Erzielung einer optimalen Förderleistung. Der gefaltete Rohrgurt übt einen Anpressdruck auf die Umlenkrollen aus, der stark von der Biegesteifigkeit des Gurtquerschnitts abhängt. Der Anpressdruck ergibt in Kombination mit der Riemenbodenabdeckung den Eindruckrollwiderstand (IRR).

Der IRR ist der Hysterese-Energieverlust durch die viskoelastische Verformung in der Riemenbodenabdeckung während des Rollkontakts mit Umlenkrollen. Wenn die Steifigkeit zu hoch ist, weist der Rohrgürtel einen sehr hohen IRR auf. Es kann sogar dazu führen, dass ein leeres Band nicht startet. Bei zu geringer Steifigkeit kollabiert der Rohrgurt und kann den kreisförmigen Querschnitt nicht aufrechterhalten. Ein kollabierter Rohrgurt neigt dazu, sich in horizontalen und vertikalen Kurven stark zu drehen und zu verdrehen.

CDI hat ein Programm zur Finite-Elemente-Analyse (FEA) des Rohrgürtels entwickelt, um das Verhalten des Rohrgürtels zu analysieren. Abbildung 4 zeigt das vollständige, dreidimensionale FEA-Modell des Yubei-Rohrgürtels Abschnitt B. Die Bandverformung in horizontalen und vertikalen Kurven wird simuliert, um die ausgewählte Bandkonstruktion zu optimieren und übermäßige Rohrrotation und Kollaps zu reduzieren. Die Rohrüberlappungsöffnung zwischen den Tragrollenplatten wird modelliert, um die Bandkonstruktion so zu optimieren, dass die Überlappungsöffnung reduziert wird.

Abbildung 5 zeigt drei Muster gefalteter Rohrgurte in einer Testmaschine, die die Sechspunkt-Kontaktkräfte misst. Es gibt eine Stoffschicht im oberen Bezug und eine Stoffschicht im unteren Bezug. Die beiden Gewebeschichten sind unterschiedlich breit, um eine ausreichende Querschnittssteifigkeit zu gewährleisten und gleichzeitig eine flexible und dichte Überlappungsdichtung aufrechtzuerhalten. Die drei Proben hatten unterschiedliche Gewebetypen, Breiten und Querschnittssteifigkeiten, was zu unterschiedlichen Rohrformen führte.

Die Charakterisierung der Rohrquerschnittssteifigkeit erfolgt mittels Dreipunkt-Biegeversuch. Die Prüfkörpergröße ist 312 mm breit und 51 mm lang, abgeschnitten aus dem Mittel- und Randbereich. Die anhand des Dreipunkt-Biegetests gemessene Riemensteifigkeit reagiert wesentlich empfindlicher auf Änderungen in der Riemenkonstruktion als der Trogstabilitätstest nach ISO 703.

Für jede 5-prozentige Änderung des Muldenstabilitätswerts gibt es eine etwa 25-prozentige Änderung des Dreipunkt-Biegesteifigkeitswerts. Der empfindlichere Dreipunkt-Biegetest bietet eine höhere Genauigkeit und eine bessere Kontrolle der Riemensteifigkeit. Darüber hinaus wird auch ein Biegeermüdungstest an der Probe des Rohrgürtels über die gesamte Breite durchgeführt, um den Steifigkeitsabfall nach 350.000 Zyklen des Rohröffnens und -schließens zu überprüfen.

Der Stromverbrauch eines Rohrbandes ist ein wichtiger Aspekt der Bandkonstruktion. Es hat sich gezeigt, dass der IRR durch den Kontakt zwischen Band und Umlenkrolle etwa 60 % des Energieverlusts bei einem Überland-Muldenförderer ausmachen kann. Ein Band mit geringem Rollwiderstand (LRR) verfügt über eine modifizierte Bodenabdeckung aus Gummi mit geringerem Hysterese-Energieverlust und geringerem IRR, was den Stromverbrauch und die Bandspannung reduziert, insbesondere bei Überlandförderern über große Entfernungen. Dies bedeutet, dass kleinere Antriebsgrößen und eine geringere Riemenleistung verwendet werden können, was sowohl die Kapital- als auch die Betriebskosten senkt. Eine geringere Bandspannung verbessert auch die Start- und Stoppdynamik des Förderers, erhöht die Lebensdauer der Verbindungen, erhöht die Lebensdauer von Umlenkrollen und Riemenscheiben und verringert die Verformung und Drehung des Rohrbandes.

Es gibt mehrere Methoden zum Testen und Quantifizieren des IRR. CDI verwendet einen dynamisch-mechanischen Analysator (DMA), um die viskoelastischen Eigenschaften von Gummi zu messen, und verwendet dann ein firmeneigenes Programm, um den zugehörigen IRR zu berechnen. Der Kontaktdruck des Rohrbandes auf sechs Umlenkrollen wird aus dem Finite-Elemente-Modell exportiert und zusammen mit Gummi-DMA-Testdaten in die Beltstat-Förderdesignsoftware importiert, um statische und dynamische Analysen durchzuführen. Für den Kohleumschlag benötigen Endverbraucher im Allgemeinen feuerbeständige Bänder. Daher spezifizierte CDI ein feuerbeständiges LRR-Band für die Förderkonstruktion, um die Förderleistung zu verbessern. Es wurden umfangreiche Tests und Compoundierungsanstrengungen unternommen, um eine Gummimischung zu entwickeln, die die LRR, die Feuerbeständigkeit und andere Anforderungen wie Festigkeit, Abrieb und Ozonbeständigkeit für den Rohrgürtel erfüllt.

Der Endnutzer verlangte, dass das Yubei-Rohrfördersystem durch eine Fachwerkkonstruktion sechs Meter über dem Boden angehoben wird. Ein erhöhtes Förderband verringert die Beeinträchtigung der Anwohner und erhöht die Sicherheit. In solchen Fällen ist normalerweise ein Laufsteg an der Seite des Fachwerks erforderlich, um den Zugang für die Wartung und Inspektion des Förderers zu ermöglichen. Bei diesem Projekt wurde der Gehweg jedoch durch eine fahrende Straßenbahn ersetzt.

Dieser Ansatz bietet mehrere Vorteile. Erstens werden Strukturgewicht und Kapitalkosten reduziert. Typische doppelseitige Gehwege wiegen etwa 100 kg/m. Tragwerksplanungsstandards schreiben typischerweise eine Nutzlast von 2.000 bis 3.000 N/m2 auf dem Gehweg vor. Selten wird der Fördersteg derart starken Belastungen ausgesetzt, dennoch muss die Fachwerkkonstruktion den geltenden Statiknormen entsprechen. Das Gewicht des Gehwegs und die Lastanforderungen erhöhen das Gewicht des Fachwerks zusätzlich. Zweitens kann die Spannweite des Fachwerks aufgrund des geringeren Gewichts erhöht werden. Eine größere Spannweite des Fachwerks reduziert die Gesamtzahl der Stützpfeiler und die damit verbundenen Baukosten. Drittens gestaltet sich die Wartung und Inspektion von Langstreckenförderern mit dem Fahrwagen deutlich effizienter und komfortabler.

Das erste Projekt dieser Art von CDI war der 6,9 km lange Kalksteinförderer Dangote Obajana in Nigeria, der 2007 in Betrieb genommen wurde. Der Trogförderer mit einer Leistung von 2.500 Tonnen pro Stunde wurde durch ein dreieckiges Fachwerk ohne Laufsteg sechs Meter über dem Boden angehoben. Die Fachwerkspannweite zwischen den Stützbögen betrug 36 m. Zur Inspektion und Wartung fährt ein maßgeschneiderter, selbstfahrender Wagen über das dreieckige Fachwerk. Bis 2015 wurde der von CDI entworfene Fahrwagen erfolgreich in fünf verschiedenen Projekten eingesetzt (der 6,9 km langen Obajana-Linie 2, der 7,7 km langen Obajana-Linie 3, der 10 km langen Obajana-Linie 4, der 3 km langen India Dahej und der 5-km-Nigeria-Ibese). Beim Yubei-Rohrförderer Abschnitt B betrug die Einsparung an Baustahl durch den Wegfall des Laufstegs etwa 150 Tonnen/km. Für die gesamte 15 km lange Förderanlage betrug die Gesamteinsparung 2.400 Tonnen Stahl.

Das Kastenfachwerk besteht aus warmgewalzten Winkel- und U-Profilen aus Stahl, während das Dreiecksfachwerk aus nahtlosen Stahlrohren besteht. Stahlrohre weisen im Vergleich zu Winkel- und U-Profilen aus Stahl eine höhere Tragfähigkeit auf, sind jedoch teurer. Das Kastenfachwerk hat Spannweiten von 30 m an den geraden und vertikalen konkaven Kurvenabschnitten (siehe Abbildung 6), während ein herkömmliches Kastenfachwerk mit Gehweg typischerweise Spannweiten von 25 m hat.

Ein kleiner Lastkraftwagen mit Allradantrieb wurde so umgebaut, dass er auf beiden Seiten Arbeitsplattformen und spezielle Strukturen hatte, damit das Fahrzeug auf dem Kastenträger fahren konnte. Das Kastenfachwerk eignet sich besser für den fahrzeugbasierten Trolley-Einsatz, während die Form des dreieckigen Fachwerks eine individuell gestaltete Trolley-Struktur erfordert. Abbildung 7 zeigt das Wartungsfahrzeug auf dem Yubei-Förderfachwerk. Das Fahrzeug verfügt im Vergleich zu einem maßgeschneiderten Trolley über eine leistungsstarke Antriebseinheit und einen leichten Karosserierahmen. Eine weitere Innovation des Yubei-Wartungsfahrzeugs besteht darin, dass es mit einem Funksender ausgestattet ist, der Notstoppsignale an die Steuerung des Förderbands sendet, wodurch die Zugschnur entlang der gesamten Länge des Förderbands ersetzt wird.

Der Inbetriebnahmeprozess des Yubei-Förderers Abschnitt B begann im Juni 2017 und endete mit dem Abschluss der Volllast-Leistungstests im September. Die Inbetriebnahmezeit war angesichts der Länge des Förderers kurz. Es wurde ein geringfügiges Riementraining durchgeführt, es waren jedoch keine großen Anstrengungen erforderlich, um eine große Drehung zu korrigieren.

Das Rohrband behält in geraden Abschnitten den vollen Kontakt mit sechs Umlenkrollen und weist in gekrümmten Abschnitten eine geringe Verformung auf. Mit dem LRR-Rohrband werden die prognostizierten Einsparungen beim Stromverbrauch erzielt. Tatsächlich liegt der Stromverbrauch nahe an dem in der Förderbandanalyse berechneten Zustand niedriger Reibung und ist niedriger als der normale oder hohe Reibungszustand, der während des anfänglichen Betriebs des Rohrförderers erwartet wurde. Abbildung 8 zeigt den Stromverbrauch des Förderers im Leer- und Volllastzustand.

Die Abbildung zeigt auch den Vergleich zwischen der Berechnung und der Feldmessung. Die schwarzen und roten durchgezogenen Linien sind die berechneten Leistungs-Temperatur-Kurven für das leere bzw. voll beladene Band, das mit voller Geschwindigkeit läuft. Beide durchgezogenen Linien werden aus der gemessenen Rohrgurtsteifigkeit und den viskoelastischen Eigenschaften des Gummis berechnet. Die schwarzen Kreise stellen den gemessenen Stromverbrauch des leeren Bandes dar. Die roten Dreiecke stellen den gemessenen Stromverbrauch des voll beladenen Bandes dar.

Tatsächlich reduzierte der LRR-Riemen den Stromverbrauch wie erwartet. Bei 20 °C reduziert der LRR-Riemen den Energieverbrauch um 25 % im Vergleich zu einem normalen Gummiriemen; Bei 30 °C stieg die Energieeinsparung des LRR-Bandes auf 30 %. Bei Verwendung eines normalen Rohrbands ohne LRR wurde der Stromverbrauch des leeren und des voll beladenen Rohrbands so berechnet, dass er der schwarzen bzw. roten gestrichelten Linie folgt.

Bei wärmeren Temperaturen wird der Unterschied größer. Unter der Annahme einer Reduzierung des Stromverbrauchs um 25 % beträgt die gesamte jährliche Energieeinsparung für den Transport von 4.000.000 Tonnen Kohle mehr als 5,1 GWh. Diese Energieeinsparungen senken nicht nur die Betriebskosten, sondern reduzieren auch die jährlichen Treibhausgasemissionen um etwa 3.800 Tonnen CO2, so die Modelle der US-Umweltschutzbehörde. ■

—Yijun Zhang PhD, PE ist technischer Direktor bei Conveyor Dynamics Inc.

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