帶式輸送機運行能耗優(yōu)化控制系統(tǒng)研究

李小虎

(山西汾西礦業(yè)集團有限責(zé)任公司 曙光煤礦，山西 孝義 032303)

帶式輸送機由輸送帶、托輥、機架、驅(qū)動裝置以及張緊裝置等構(gòu)成的連續(xù)運輸設(shè)備，具備有運輸距離遠、結(jié)構(gòu)簡單、可靠性強等優(yōu)點，是現(xiàn)階段煤礦井下主要運輸設(shè)備[1-2]。隨著礦井生產(chǎn)范圍以及產(chǎn)量增加，帶式輸送機鋪設(shè)覆蓋范圍不斷加大、驅(qū)動裝置功率不斷增大，電能消耗呈增加趨勢[3-5]。隨著控制技術(shù)發(fā)展，現(xiàn)階段帶式輸送機基本實現(xiàn)變頻控制，雖然可在一定程度上降低設(shè)備運行能耗，但是現(xiàn)場應(yīng)用過程中變頻器主要起到軟啟動、軟停機等功能，降低啟動或者停機給帶式輸送機以及供電電網(wǎng)產(chǎn)生的沖擊，未能充分發(fā)揮其節(jié)能降耗功能[6-8]。為此，文中以山西某礦井下鋪設(shè)的帶式輸送機為工程實例，對帶式輸送機運行能耗優(yōu)化控制系統(tǒng)展開研究，以期提高礦井煤炭運輸效率并降低帶式輸送機運行整體能耗。

1 井下帶式輸送機運行系統(tǒng)概況

山西某礦設(shè)計產(chǎn)能力為180萬t/a，現(xiàn)階段開采5號煤層，煤層厚度4.2 m，賦存穩(wěn)定，5302綜采工作面為現(xiàn)階段礦井唯一在采工作面。井下原煤運輸系統(tǒng)為：5302運輸巷帶式輸送機—5采區(qū)集中運輸巷帶式輸送機—主斜井帶式輸送機。原煤運輸長度共計為5 980 m，帶式輸送機總裝機功率為750 kW。為便于后期管理以及維護，礦井運輸系統(tǒng)沿線帶式輸送機除去鋪設(shè)長度存在差異外，輸送帶、驅(qū)動電機等規(guī)格均一致，采用的輸送帶帶強為2.5 kN/m、帶寬為1 200 mm，驅(qū)動電機轉(zhuǎn)速為1 480 r/min、功率為250 kW。

礦井帶式輸送機大都采用恒速運輸方式，采用此種方式時可滿足不同工況下原煤運輸需要，但是也存在設(shè)備磨損嚴重、能耗高等問題。根據(jù)已有研究成果顯示，在輕載或者空載時適當(dāng)降低帶式輸送機運行速度，既可滿足系統(tǒng)原煤運輸?shù)男枰部杀苊庾冾l器始終輸出電流頻率較低、發(fā)熱量較大等問題實現(xiàn)經(jīng)濟能耗；但是當(dāng)運行速度過低時則會影響原煤運輸量并對輸送帶帶強、質(zhì)量等提出更高的要求。因此，理性的帶式輸送機運行控制方式為：根據(jù)帶式輸送機負載調(diào)整運行速度，當(dāng)處于空載時帶式輸送機保持最低運輸運行；帶式輸送機運行速度與負載呈對應(yīng)關(guān)系且不應(yīng)隨著負載變化頻繁調(diào)整運輸速度。

2 帶式輸送機運行能耗優(yōu)化控制系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

該礦主斜井、5采區(qū)集中運輸巷及采面運輸巷內(nèi)的帶式輸送機均采用變頻器控制，為后續(xù)的運行能耗優(yōu)化控制系統(tǒng)的實施創(chuàng)造良好條件，充分發(fā)揮變頻器速度的調(diào)整功能，可在一定程度上降低帶式輸送機運行能耗。具體策略為，在帶式輸送機運輸系統(tǒng)沿線布置煤流量監(jiān)測傳感器、速度監(jiān)測傳感器，傳感器監(jiān)測結(jié)果傳輸給PLC，PLC依據(jù)監(jiān)測結(jié)果通過變頻器調(diào)整帶式輸送機運行速度，實現(xiàn)負載與速度均衡，在滿足運輸能力基礎(chǔ)上降低設(shè)備運行能耗。運行能耗優(yōu)化控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中煤流量、運行速度是運行能耗優(yōu)化控制系統(tǒng)的重要組成參數(shù)，同時如何實現(xiàn)煤流量、速度合理匹配是系統(tǒng)需要重點關(guān)注的問題。

2.2 運行能耗優(yōu)化控制系統(tǒng)硬件組成

帶式輸送機沿線布置有堆煤、撕裂等各類安全監(jiān)測傳感器，將安全監(jiān)測結(jié)果輸入到運行能耗優(yōu)化控制系統(tǒng)，不僅可滿足帶式輸送機節(jié)能降耗需要而且可提高設(shè)備運行安全性、可靠性。為此，帶式輸送機運行能耗控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，是在原有結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上增加速度傳感器、煤流監(jiān)測傳感器、電機功率采集模塊等。將上述傳感器及監(jiān)測模塊的監(jiān)測結(jié)果與信號采集控制器獲取到的堆煤、撕裂、溫度等傳感器的監(jiān)測結(jié)果傳輸給PLC控制器，由PLC控制器判定帶式輸送機運行狀態(tài)，同時將速度傳感器、煤流監(jiān)測傳感器、電機功率采集模塊等采集結(jié)果以及帶式輸送機運行狀態(tài)參數(shù)等傳輸給上位機，再由上位機通過綜合分析向PLC發(fā)出相關(guān)控制指令，通過調(diào)節(jié)變頻器輸出頻率實現(xiàn)運行速度、負載均衡。具體系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)組成如圖2所示。 運行能耗優(yōu)化控制系統(tǒng)使用6SE71變頻器、S7-300PLC、 KTC101信號采集控制器。

圖2 運行能耗優(yōu)化控制系統(tǒng)硬件組成圖

2.3 能耗優(yōu)化控制程序

帶式輸送機能耗優(yōu)化，關(guān)鍵在于實現(xiàn)帶式輸送機煤流量(負載)、速度均衡。在帶式輸送機運行過程中，由于煤流量處于動態(tài)變化狀態(tài)，若依據(jù)煤流量變化動態(tài)調(diào)整運輸速度，則變頻器會頻繁地調(diào)整輸出電流頻率，導(dǎo)致驅(qū)動裝置故障發(fā)生率增加，會增加設(shè)備的磨損問題，無法保證帶式輸送機的平穩(wěn)運行，且降耗效果不佳。因此，所采用的能耗優(yōu)化控制成程序，是基于階梯調(diào)速理念構(gòu)建，其具體結(jié)構(gòu)組成如圖3所示。將帶式輸送機上煤流量劃分為若干區(qū)段，每個區(qū)段均對應(yīng)一個運行速度，在區(qū)段內(nèi)隨著煤流量變化，帶式輸送機運行速度保持不變，從而避免變頻器頻繁調(diào)整輸出頻率問題。

圖3 運行速度調(diào)控流程

能耗優(yōu)化控制系統(tǒng)上位機控制軟件通過WinCC7.3編制，PLC、上位機通過以太網(wǎng)通信，通過上位機顯示界面即可掌握帶式輸送機運行和能耗情況，提高帶式輸送機運行調(diào)整及遠程監(jiān)控能力。

3 現(xiàn)場應(yīng)用效果分析

3.1 系統(tǒng)運行情況

運行能耗優(yōu)化控制系統(tǒng)應(yīng)用到帶式輸送機控制中，并經(jīng)過為期1個月調(diào)試后，現(xiàn)階段該系統(tǒng)實現(xiàn)了平衡運行，可依據(jù)帶式輸送機煤流量、帶式輸送機負載調(diào)整運行速度。當(dāng)帶式輸送機處于重載運行狀態(tài)時，則保持高速運行；當(dāng)處于輕載或者空載狀態(tài)時，則依據(jù)煤流量對運行速度做出調(diào)節(jié)，且運行速度最低在2.0 m/s，可滿足系統(tǒng)原煤運輸?shù)男枰?，同時也避免了變頻器始終輸出電流頻率較低、發(fā)熱量較大等問題。上位機系統(tǒng)可實時掌握井下帶式輸送機運行情況。

3.2 能耗統(tǒng)計結(jié)果

為對比分析帶式輸送機在原有恒速運行模式下與能耗優(yōu)化控制模式下的能耗情況，用一周時間采集帶式輸送機原煤運輸量、能耗及電費投入進行對比分析。監(jiān)測數(shù)據(jù)見表1、表2。

表1 恒速運行時能

通過對比表1、表2監(jiān)測結(jié)果看出，在帶式輸送機處于恒速運行模式時萬噸原煤運輸電費投入約為23 867元，在運行能耗優(yōu)化控制系統(tǒng)控制在萬噸運輸電費降至20 432元，萬噸運輸電費投入降低約3 435元，降幅為14.39%，能耗控制取得較好效果。

4 結(jié) 語

1) 現(xiàn)階段礦井帶式輸送機多采用變頻器實現(xiàn)軟啟動，未能充分發(fā)揮出節(jié)能降耗功能。為此，在原有帶式輸送機控制系統(tǒng)基礎(chǔ)上，通過增加速度、煤流量以及功率監(jiān)測傳感器等設(shè)備，實現(xiàn)帶式輸送機煤流量、速度監(jiān)測，當(dāng)煤流量較大、帶式輸送機處于重載時則保持高速運轉(zhuǎn)，若煤流量較小、帶式輸送機處于輕載或者空載時，可適當(dāng)降低運輸速度，以便實現(xiàn)煤流量、速度均衡，降低帶式輸送機運行能耗。

2) 以帶式輸送機運輸系統(tǒng)為工程背景，對運行能耗優(yōu)化控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成、系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)以及調(diào)速控制流程等進行分析，并進行工程應(yīng)用。結(jié)果表明，運行能耗優(yōu)化控制系統(tǒng)應(yīng)用后，帶式輸送機電費投入減少約3 435元/萬t，綜合電費及能耗降幅為14.39%，能耗優(yōu)化控制效果較好。