團柏礦運輸皮帶低功耗運行系統應用研究

鄭偉偉

（山西焦煤霍州煤電集團團柏煤礦，山西 霍州 031400）

煤礦運輸設備是煤礦生產的重要組成部分，現階段煤礦井下煤炭運輸主要設備采用帶式輸送機。為了減少故障發生，帶式輸送機在工作過程中，常常采用恒速運行，而煤礦實際運量是不均衡的，帶式輸送機常常出現低負荷運行，出現低載或空載情況。針對上述問題，本文以團柏煤礦主井強力皮帶為研究對象，從降低生產能源成本與能源消耗角度出發，研究將變頻調速器應用到主井強力皮帶的調速中，同時采用BP神經網絡確定不同煤炭運量時的最佳皮帶帶速，以達到實時調節主井強力皮帶帶速，進而實現帶式輸送機的低功率運行，為團柏煤礦帶式輸送機低功率運行提供參考依據。

1 工程概況

霍州煤電集團有限責任公司團柏煤礦井田現階段開采＋400m水平10號煤層，分割為三個采區。其中前兩個采區位于井田西南部，一采區以軌道巷及皮帶巷為界分為左翼及右翼采區；二采區位于一采區右翼以西；三采區位于一、二采區以北，以400m水平軌道巷、皮帶巷及總回風巷分開。其中井下原煤運輸路線見圖1。

圖1 團柏煤礦400m水平原煤運輸路線

主井強力皮帶全長600m，皮帶寬度1000mm，帶速2.15m/s，運輸坡度16°，電機功率3×160kW，已安裝DDZ-1200型皮帶抓捕器16套（上12套下4套），運輸能力400t/h，主要承擔礦井原煤運輸工作。

2 運輸皮帶低功耗運行

2.1 運輸皮帶調速方式確定

電機轉速隨其加載工頻的增加而增加，二者呈現正比關系，變頻調速正是利用此原理，通過改變電機工頻來完成電機調速。相比定子調壓式調速方式，變頻調速速度改變更加平穩，能夠將多個電機的功率進行整合，實現電機高效運行。根據大型煤礦實際應用情況，現階段大部分煤礦皮帶采用原始工頻，使得皮帶耗能高。采用變頻調速方式后皮帶耗能減小約30%，效果明顯。雖然改造前期投入成本較大，但其高效性能可大幅度減少能量消耗，投入成本可快速回收，所以變頻調速式運行方式得到了廣泛的推廣。

2.2 煤量自動識別設備

為了檢測皮帶運煤量，采用核子皮帶秤對團柏礦主井皮帶煤量進行跟蹤測量。此項先進測量方式采用非接觸方式，構造復雜。核子皮帶秤利用自身產生的伽馬射線傳至測量煤料，依靠伽馬射線的吸收和放射規律，其剩余射線呈現指數分布形式，檢測系統根據信號變化的程度判斷物料的數量，結合皮帶機速度，經過運算系統處理將載荷、累計載荷、運輸流量顯示在檢測系統屏幕上，核子皮帶秤如圖2所示。

圖2 核子秤實物圖

2.3 變頻控制裝置

根據團柏煤礦主井強力皮帶性能參數和低功率運行需要，選擇變頻器額定電壓為AC660V/1140V，頻率為50Hz±10%，輸出電壓為0～95%V，頻率0～100Hz。輸出轉矩大于二倍額定轉矩，輸出功率不超過630kW。通過對比本系統采用M340598 JN-BPJ-1140V變頻器，如圖3所示。

圖3 變頻器實物圖

3 主井強力皮帶運量與帶速匹配

3.1 運量與帶速數據最優匹配基本原理

皮帶運行時其運量和皮帶機運行速度對帶式輸送機的扭矩和功率影響重大。運量不變時，速度越快，功率越高，運量發生變化時，皮帶機消耗功率與速度關系如圖4所示，其中Q為其運量。

圖4 皮帶機運行速度與所耗功率關系曲線

根據圖4可以得出，皮帶機的消耗功率隨皮帶機運行速度的增加而增加，二者呈現正比關系，在一定范圍內降低速度就可減少皮帶機耗能。本文設計系統針對團柏煤礦主井皮帶，其皮帶寬度和極限煤料線密度固定，為保證煤料線密度，故將皮帶運行速度和運載量關系設置為：

其中：

v-主井強力皮帶的運行速率，t/h；

Q-為皮帶運量，t；

qm-最大煤料密度，t/m3。

為確保安全，必須保證qm不變，則當Q發生變化時，皮帶速度要對應改變，Q最小則v最低，沒有運量時皮帶機停止。然而皮帶機不能經常停轉，所以運量小時，皮帶機以最低速運行。皮帶速度與運量關系如圖5曲線所示。

圖5 皮帶運行速度與運量的實際關系曲線

由上圖可得二者之間的數學表達式如下：

3.2 構建皮帶機BP神經網絡低功耗模型

通過測量一段時間內皮帶輸送煤流量，求解此時間段的平均Q，通過改變變頻器頻率值實現皮帶電機速度的逐漸提高，記錄這個時間段的速度對應功耗，對比得出最小功耗速度。通過此方法得出多組參數，即對應Q，P，v數值，作為訓練的樣本。

創建Q、P、v的BP低功耗模型，此模型由三層網絡控制，分別為輸入層、隱藏層和輸出層，對應節點分別為2、5和1，Q和v作為輸入層節點，P作為輸出層。隱含層和輸出層激勵函數采用S型函數和線性函數。權值矩陣各自用W1和W2表示。偏差矩陣各自用B1和B2表示。A1和A2各自為隱含層與輸出層的輸出。系統網絡模型如圖6所示。

圖6 BP網絡節能模型

設置循環次數為100，訓練時間為48h，誤差值為5%，條件達到時訓練結束。

4 主井強力皮帶低功耗運行測試

主井強力皮帶動力驅動為3×160kW電機，需要3臺M340598 JN-BPJ-1140V礦用防爆變頻器配合使用。將該系統實際應用于團柏煤礦，將實際運行過程中的運量數據進行記錄。通過計算2018年10月份連續十天的數據得出，煤礦平均運量為額定運量56%，速度1.3m/s，對應功率395kW。按團柏煤礦2016年和2017年實際生產時間，即一年生產天數為290d，一天工作時間為15h計算，可得變頻調速之后的年用電量為：Eb= 395kW× 15h×290 = 1718250kW· h

而以額定功率運行的年用電量為：

E= 540kW× 15h×290 = 2349000kW· h

由此可以得出年用電量的減少量為：

ΔE=E-Eb= 630750kW· h

省電率為：

由計算結果可以看出，降低的功耗明顯。

5 結 語

通過對團柏煤礦主井強力皮帶進行低功耗研究，確定應用變頻調速實現不同煤量下皮帶運行速度調整，并完成防爆變頻器和皮帶稱選型。將BP神經網絡算法應用到皮帶帶速與運量進行合理調解中，根據團柏煤礦實際運行測試，應用該系統后預計主井強力皮帶年節約電能630750kW·h，能耗降低26.85%，降耗效果明顯。