大型散貨碼頭堆場皮帶機變頻驅動方案設計

（中交水運規劃設計院有限公司，北京 100007）

大型散貨碼頭堆場皮帶機變頻驅動方案設計

林結慶

（中交水運規劃設計院有限公司，北京 100007）

本文以北方某煤炭裝船碼頭工程的堆場皮帶機變頻系統方案設計為案例，通過對低、高壓變頻器的特點、皮帶機裝卸系統、供電設施布置及變頻方式的比較分析，提出適合本工程的變頻驅動方案，供大型散貨碼頭皮帶機變頻系統設計參考。

散貨碼頭；皮帶機；變頻驅動；方案比選

1 項目概況

北方某煤炭裝船碼頭擴建四個3.5～10萬噸級煤炭泊位，泊位長度1072.5m；新建一個5萬噸級泊位，碼頭長度310m；設計年吞吐量5000萬噸，實施翻車機房、24座單倉容量為3萬噸的大型儲煤筒倉、露天儲煤堆場、生產及輔助建筑物等設施、配套建設為堆場服務的電氣設施、給排水消防、信息及控制、環保除塵等設施。新建部分皮帶機驅動電機主要布置在筒倉堆場和露天堆場區。

1.1 筒倉堆場

筒倉堆場布置在已有工程筒倉堆場西側，已有工程建設中為本工程預留了設計條件，筒倉群布置24座儲煤容量為3萬噸筒倉，采用4排6列的布置方式，設置在原有筒倉的西側，與現有的筒倉軸線一致。本工程煤炭進筒倉工作流程為：由卸車系統卸下的煤炭經本工程新建的BF皮帶機和已建的BH11～BH14-1、BH11～BH14-2皮帶機輸送到布置在每排筒倉頂部的皮帶機BD上，再通過卸料小車及其溜槽向筒倉內卸料。卸料小車采用連續往復卸料的作業方式，每個筒倉沿皮帶機方向布置2條長條形進料口，進料口設有格柵板。每排筒倉下布置2條出倉皮帶機，筒倉布置6個倉下漏斗，為2排3列布置，分別向2條出倉皮帶機供煤，通過不同列筒倉分別出倉完成配煤作業。倉下皮帶機通過延長改造已有工程倉下皮帶機，實現每個筒倉出料均可到達9#～16#泊位的任意裝船機。

1.2 露天堆場

露天堆場設置在筒倉區北側，采用堆取分開的作業流程及布置型式，設置3條堆存區，堆場布置2條進場皮帶機和2條出場皮帶機。堆場采用一線雙機方式實現配煤操作。卸車進堆場作業線布置在堆場西側，進堆場皮帶機BH14-1與CD13翻車機房連接。取料裝船作業線與17#裝船泊位和9#～16#裝船泊位連接，堆場內煤炭可以進入任意裝船泊位。

2 變頻器特點

2.1 低壓變頻器

變頻器是利用電力半導體器件的通斷作用把電壓、頻率固定不變的交流電變成電壓、頻率都可調的交流電源。現在使用的低壓變頻器主要采用交直交方式（VVVF變頻或矢量控制變頻），先把低壓工頻交流電源通過整流器轉換成直流電源，然后再把直流電源轉換成頻率、電壓均可控制的交流電源以供給電機驅動。

低壓變頻器一般原理如圖1所示。

2.2 高壓變頻器工作原理

高壓變頻器是近年來發展較快的大功率電機啟動運行的元件，目前使用的高壓變頻器主要是采用若干個低電壓變頻功率單元串聯的方式直接高壓輸出。其工作原理是高壓供電電源（10kV或6kV）經過移相變壓器降壓后給變頻功率單元供電，然后輸出交直交電壓源型逆變器結構，相鄰功率單元的輸出端串接起來形成Y結構，實現變壓變頻的高壓直接輸出，向高壓電機供電。高壓變頻器的組成結構如下圖2所示。

2.3 變頻驅動在皮帶機系統中的特點

堆場皮帶機采用變頻驅動后，可以提高供配電系統功率因數和皮帶機傳輸效率，節能效果顯著。

圖2 高壓變頻器原理圖

（1）提高系統功率因數。皮帶機系統采用變頻器驅動后，在整個過程中功率因數達0.95以上，可較大幅度的降低了港區供電系統的無功損耗。（2）提高系統效率。皮帶機系統采用變頻器驅動之后，皮帶機驅動原有的液力耦合器可取消，系統動力傳輸效率要比液力耦合器連接驅動方式高5%～10%，可將皮帶機輸送系統的能耗降低5%～10%。（3）系統穩壓。可通過利用變頻器自動穩壓功能，將部分距變電站較遠的皮帶機驅動的電壓穩定在一定的幅度，提高系統穩定運行電壓參數，也有較大的節能效果。

3 皮帶機變頻驅動方案設計

文獻[3]研究指出，變頻驅動在碼頭堆存系統的長距離皮帶機恒轉矩負載的高性能調速驅動過程中，能有效控制皮帶機柔性負載的軟起/停車動態過程，實現各個的驅動點之間的功率平衡和速度同步，能降低快速起/停車過程對機械和電氣系統的沖擊，避免撒料與疊帶，可增加皮帶機系統的可靠性和安全性，實現在低負載時的系統節能效果。

針對該煤炭碼頭堆場生產需求、變頻系統的特點及變頻驅動在皮帶機傳輸系統的應用案例，結合本工程堆場工藝、節能環保、驅動設備性能穩定、技術先進等需求，本工程的設計推薦皮帶機驅動電機采用變頻調速裝置。

3.1 變頻驅動功能要求

結合散貨碼頭工程的的生產工藝及實際應用，本工程的變頻驅動控制系統需滿足皮帶機驅動系統的以下功能要求。

（1）驅動系統需具有高效啟/停控制和調速運行功能，保證筒倉進出倉工藝流程流程合理、穩定、順行操作及極大降低生產用電損耗，為降低生產運行成本提供了切實可行的必須條件。（2）變頻器的軟起動功能將電氣的軟起動和皮帶機的軟起動合一，皮帶機系統可重載平滑啟停，真正實現了皮帶機系統的軟起動。（3）變頻驅動系統能自動控制電機啟動過程電流，降低總配電難度；實時自動檢測驅動電機的故障隱患，極大提高皮帶機驅動系統的穩定性和可靠性。（4）可主從控制，實現多電機同步驅動及功率平衡。（5）取消電機的液力耦合器，降低電機采購及維護成本。

3.2 皮帶機參數

根據裝卸工藝系統提供的工藝條件，筒倉堆場區皮帶機參數如下表1，該區域的驅動電機總功率為11160kW；露天堆場工藝皮帶數見表2，該區域的驅動電機總功率為17850kW。

3.3 四期工程變配電設施設置情況

本工程根據總平面布置及工藝需求，為滿足堆場皮帶機驅動供電需求共設置21#變電所、22#變電所及23#變電所為各個驅動電機供電，各個變電所供電范圍見下表3。

3.4 高、低壓變頻方案比選

高壓變頻驅動與低壓變頻驅動除了輸出電壓的不同外，高壓變頻器由較多的功率單元串接組成，其結構構成比低壓變頻器復雜，輸出高電壓可使電能傳輸較低壓遠。低壓變頻器結構簡單，但變頻器與電機距離不能太遠，由于低壓變頻存在信號干擾及長距離的電壓降，一般變頻器與電機不宜超出300m。通過對變頻器及供電系統的合理布置，本期工程高低壓變頻均可滿足工藝要求。

表1 筒倉區皮帶機參數表

表2 露天堆場皮帶機參數表

表3 變電所供電范圍

下面以BF12皮帶機驅動為例，該驅動電機共4臺，單臺功率570kW,電源接自21#變電所，結合變頻方式，供電距離，變頻器室位置及綜合造價等方面，共有2種方案。

方案一：6kV高壓變頻，變頻裝置設21#變電所頂層，供電距離為440m。

方案二：低壓690V變頻，變頻器裝置設置T3-1轉運站北側的箱式變頻器室，總供電距離與方案一一致，其中高壓配電距離300m，變頻供電距離約為140m。

兩個方案的各項指標比較如表4。

上述數據對比表明，采用高壓變頻方案比低壓變頻方案造價高出約80萬元。高壓變頻器可以設置在變電所內，設備的統一管理比較方便；為保證電機啟動壓降，低壓變頻器應設置在離驅動點盡量近的范圍，本項目采用就近設置箱式變頻器室方式，因此供電設備點比較分散，增加平時運行管理的工作難度。

由于本期工程設置3個變電所為驅動供電，除了BQ7～BQ10新增驅動電機采用低壓變頻驅動外，港區若采用方案一全高壓變頻方式，綜合造價約為為10610萬元；若全部采用方案二，全低壓變頻驅動方式，綜合造價約為8970萬元。

4 結語

若全部采用高壓變頻驅動方案，本期工程的46臺驅動的電氣投資將比低壓驅動高出約1700萬元；若全部采用低壓變頻方式，需在堆場就地設置多達11座箱式變頻器室，且倉頂4條BD皮帶機的驅動周邊無法設置低壓變頻器室。高粉塵環境將對設置在煤炭碼頭堆場內的低壓變頻電站內的設備運行安全造成較大的影響，增加維護工作量。大量低壓變頻器的使用，將對港區電氣系統的諧波含量增加，需增加諧波治理措施。

根據上述方案的比選，綜合比較本工程變電所布置情況及后期設備管理及運營要求，確定本工程皮帶機變頻驅動方案為全高壓變頻啟動，變頻設備設置在變電所的獨立空間以滿足散熱要求。

表4

[1]白霞等.變頻器原理及實訓，清華大學出版社，2012，07.

[2]西門子（中國）有限公司，滿足最高要求的變頻器選擇，中壓變頻器樣本.

[3]姚青.變頻驅動技術在上海港羅涇礦石碼頭皮帶輸送系統中的運用[J].港口科技，2009，8.

[4]張敏.談變頻技術在皮帶運輸系統中的意義[J].價值工程，2012，4.

TD528.1

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