煤礦通風與運輸設備的節能措施探究

劉保龍

0 前言

現階段，隨著社會與經濟快速發展，資源消耗數量不斷增加，同時環境污染問題日益嚴重，人們越來越重視節能減排工作，我國政府更是出臺了多項宏觀調控措施，力求達到節能減排的目標。我國節能減排工作之中，煤礦企業是非常重點的節能減排對象。對于煤礦企業來說，礦井開采過程中消耗的能源是最大的，而其中通風與運輸電氣設備的耗能又非常多。現階段，通過何種方法能夠有效的降低煤礦通風與運輸電氣設備能源消耗數量是煤礦行業亟待解決的問題。

1 通風機設備節能運行分析

在晉華宮礦的實際生產中，所使用的通風機設備為抽出式通風機設備，一共有兩臺，目前通風機設備在運行中主要存在下列問題：在電機剛剛啟動的過程中，會直接由完全停止狀態而進入至滿負荷運行狀態，這樣導致了電動機的啟動電流會非常大，使得電動機受到相對大的沖擊。在風機啟動之后，電動機也會全速運行，通過調整風門的大小，實現風量的調控，這樣會導致能源出現較大的浪費，而且對于通風機的控制精度不高，很多情況下是根據操作人員自身經驗對通風機的運行進行監測，并對可能存在的故障進行判斷，這樣會導致安全隱患相對較大[1]。

1.1 基于PLC技術的通風機設備節能改造

1.1.1 變頻器原理和優點分析

（1）變頻器的輸入特性更加純凈。要是變頻器裝置額定容量較輸入的容量大于輸出的容量，此時便可以確保在線的設備不會受到諧波干擾。

（2）可以進一步提升功率因數。所謂功率因數指的是有功功率和總功率之間的比值。若是功率因數偏低，則將產生方波電流，方波電流的出現將導致諧波的產生，同樣也會產生諧振。

（3）輸出正弦波更加完美。變頻裝置由于采用的是無諧波設計，因此其能夠輸出正弦波，無需加設外部輸出濾波裝置。變頻裝置在實際的運行過程中，僅僅會出現非常少的失真電壓波形，同時還能夠將諧波消除，這樣便可以防止電機發熱，使得設備的磨損更小，有效提升了機電設備的使用壽命[2]。

1.1.2基于PLC技術的系統改造

通風機設備節能改造示意圖如圖1所示。

圖1 通風機設備節能改造示意圖

（1）配電改造。對于高壓部分進線采用的是6 kV雙回路進線，采用的接線方法是單母線接線方法，在中間采用母線完成聯絡。對于低壓部分進線采用的也是雙回路進線，在末端位置處設置雙電源，確保工作電源以及備用電源之間能夠自動完成切換，從而有效地保證了供電地穩定性以及可靠性。

（2）傳動改造。在對傳動系統進行改造的過程中，一組變頻裝置僅僅能夠針對其中一臺電動機運行發揮拖動作用，拖動冗余通過切換柜裝置完成。采用變頻控制的模式可以利用兩種不同方法實現，分別為遠程控制方法和就地控制方法。此次節能改造采用遠程控制方法，變頻控制的方式是采用雙通道控制方式，通過外部的硬接線以及通訊兩種不同方法共同的達到對電動機運行有效控制的目標[3]。

（3）控制改造。控制系統之中的上位機的控制核心單元便是PLC單元，通過觸摸屏、操作臺以及工控裝置等一起完成控制工作，若是某一個設備出現了故障，還能夠確保通風機設備能夠正常的運轉。工控機發出的控制命令一旦傳輸出去，便會經由交換機設備，借助于以太網絡將數據信息傳輸至PLC裝置之中，由PLC完成設備的操作與控制。操作臺則通過硬接線的方法對通風機和相關的輔助機電設備加以控制，其不依靠PLC裝置便能夠完成控制工作，這樣便能夠保障通風機設備在PLC系統發生故障的情況下，依舊可以有效的得以控制，保證通風機設備能夠正常的運行[4]。下機位采用的是擁有優良性能的S7-400H作為通風機設備控制裝置，并且將其中重要一些部件進行冗余配置，若是系統出現了故障，則便能夠將出現故障的元件自動的切換至備用元件，這樣便能夠保障系統可以持續、穩定地運行。

（4）在線監測改造。在進行在線監測改造過程中，采用的是雙套工控設備、觸摸設備以及操作臺裝置，這樣確保了實際運行和備用能夠隨時互換。監測系統通過采集模塊針對通風機設備運行過程中的實時數據進行收集，然后把收集到的相關數據信息傳輸至PLC裝置之中，經過PLC處理之后傳輸至上位機之中，從而確保系統能夠完成對數據的統一、實時監控[5]。

1.2 通風機節能改造效果分析

在改造之前通風機的運行功率為250 kW，而在變頻運行工況之下，通風機設備的實際運行功率為135.2 kW，所以，可以計算得到采用PLC技術對通風機設備進行變頻改造之后每年節約的電能約為：

電費的價格按照0.8元/(kW·h)進行計算，則每年可節約電費為：

可見，對通風機設備進行節能改造之后，每年節約的電能為2 011 296 kW·h，節省的電費為1 609 036.8元，具有非常顯著的經濟效益與社會效益[6]。

2 輸送機設備節能運行分析

帶式輸送設備能夠實現煤炭有效輸送，不過，在其運行過程中卻存在較為嚴重的能源浪費問題，輸送機設備的能耗控制主要包含有：輸送設備電機啟動中的能耗控制以及傳送設備運行中功率平衡控制。在輸送設備實際運行時，在運輸煤炭數量不斷增加情況下，輸送設備對應的能耗隨之也會相應增加，設備的磨損同樣會不但增加，導致設備的能耗有所增多。以往使用的輸送設備之中，電動機無論出于何種工況之下，均是使用50Hz工頻運行，無法根據運輸物料具體情況而自動對電動機運轉速率加以調控，若是輸送帶之中不存在物料或者物料相對少情況下，導致電機的負載效率變得較低，輸送設備運行效率也會隨之下降，從而導致了能源浪費問題[7]。同時，由于輸送帶在相當長的一段時間內不間斷運行，將導致輸送帶的摩擦進一步加劇，傳送帶極易出現磨損問題，對于煤礦開采的正常運行帶來不利影響。比如，在礦井實際生產過程中，因為煤質不斷的變化，加之天氣因素，煤炭的開采數量同樣也會有所變化，煤炭輸送量隨之發生改變。所以，輸送設備所輸送煤炭數量同樣也會有所波動，經常發生輕載現象，個別時間段還會出現無煤現象。針對上述這一問題，要是所有的電機均處在工頻狀態之下，將會導致大量的能源浪費，同時也會造成輸送帶磨損問題。所以，應當采用變頻電機，確保輸送設備的傳輸速率能夠依照運送物料情況而實時進行調節，從而達到節能目標[8]。

若是運輸設備運量Q保持恒定，運輸設備功率P與運速v之間存在相應的比例關系，如圖2所示。

圖2 運輸設備運速和功率之間的比例關系

從圖2中能夠得出，在同一運量保持不變的情況下，當輸送設備運輸的速率增加，相應的功率也會隨之增大，此時所消耗能量也會更多。在同一功率之下，運量有所增加，相應的運速會隨之降低。所以，能夠得出，運輸設備的運量、功率以及運速三者間存在一定的制約關系，要想確保運輸設備能耗能夠進一步的降低，可以在特定的范圍內根據運量情況而適宜降低運速，在三者之間尋找到對應的平衡點，這樣便可以達到節能的目標。

3 結語

煤炭資源屬于一種極為重要的能源，而在煤炭開采過程中，對于電能的需求量非常大，這也是國內目前電力供應緊張的重要影響因素。在煤礦開采過程中，通風與運輸電氣設備的能耗相對較大，在國家節能減排要求之下，對于通風與運輸電氣設備開展節能研究擁有極大意義。在煤礦生產環節，要想實現通風與運輸電氣設備的節能目標，不僅要進一步提升電氣設備節能能力，還要不斷優化通風與運輸電氣備運行能耗，這樣才能取得良好的節能效果。