煤礦機電設備變頻節能技術的應用探討

＊張新齊

（晉能控股煤業集團鐵峰煤業有限公司機電部 山西 037200）

隨著我國在環境保護方面投入大量資源，相關部門逐漸收緊礦產領域的發展政策，出臺了多套控制制度方案，相關配套的調控政策則對煤礦行業的發展產生巨大影響。但就實際而言，國家出臺的環保政策是維護國家長期利益與生態環境可持續發展的重要舉措，不僅有利于促進企業實現行業升級，也可進一步降低行業次生污染問題，對于整個產業發展以及民計民生有著巨大的幫助。但是，在落實過程中，礦產開采企業在升級轉型過程中同樣存在大量問題，進而對整體產業技術優化發展造成不同程度的影響。在多數煤炭開采企業中，生產開采成本控制是主要問題之一，多數企業難以在有限技術條件下實現成本控制，進而在市場競爭中處于劣勢地位，此外，少數企業開采過程中存在耗電量過高的問題，不利于實現產業綠色發展，因此，積極開展煤礦機電設備變頻節能技術研究工作有利于進一步推動煤礦企業快速發展，同時在節能技術方面積累足夠的經驗，對于后續整體產業向著綠色化、節能化方向轉型升級具有重要的現實意義。

1.變頻節能技術的原理

煤礦企業在開采中需應用大量的機電設備，常見包括采煤機、提升機、輸送機以及流體負荷設備等。此類設備在工作過程中始終以額定電壓狀態運作，在部分高負載條件下可處于超壓運行狀態，此外，由于煤礦行業特殊性，多數機械設備始終處于長期開機狀態，在受到設備調運調度或設備工作計劃要求等多樣化因素影響下，部分設備可能出現超載工作狀態或待機工作狀態，因此，在此時間段內，機電設備則處于高耗能狀態。當機電設備長期處于高負荷狀態時則可能導致整體設備安全隱患逐漸增加，使得企業的運維成本進一步上升。而隨著技術的逐漸發展，變頻技術逐漸應用到各個行業中。在煤礦機電設備中，引入的變頻技術，可根據工況對供電頻率進行調整，從而控制設備的實際運行速度。借助變頻技術可實現供電電源的轉換，可將50Hz工頻交流電轉換為直流電源，同時將直流電源導入逆變器后，即可輸出機電設備所需的工作電壓；此外借助對應的傳感器以及運算單元，可收集設備的運行參數，并生成一個控制信號，進一步調控逆變器輸出的電源，隨后借助三相逆變器將直流電再次轉化為三相交流電，從而實現機電設備的低功耗運行。此類控制方式可結合設備的實時運行狀態進行對應調整，從而確保設備時刻處于最佳運行狀態下，實現機電設備的能耗最優控制，緩解設備能耗過高問題[1]。

圖1 變頻技術在提升系統中的應用

2.變頻節能技術在煤礦的應用現狀

由于煤礦作業面處于不斷變化狀態，因此在不同作業環境下，機電設備的整體運行狀態也需進行隨時調整，因此變頻控制技術逐漸進入到煤礦領域中。但在變頻技術誕生之初并未直接應用到能源開采行業中，隨著煤礦作業需求的不斷增長及變頻技術日漸完善，多數煤企最終認識到變頻技術在控制煤礦機電設備能耗方面的優勢，進而將變頻技術應用到各類型機電設備中，因此促進了變頻節能技術在煤礦機電設備中的應用。目前，變頻節能技術在國內多數煤礦中均實現了大規模應用，具體設備包括提升機、采煤機、皮帶輸送機等，經過實踐驗證發現，多數設備的電力損耗逐步下降，運轉效率逐漸上升，同時整體設備的故障率以及運維壓力得到有效控制，經濟效益明顯提升[2]。

(1)變頻技術在立井提升設備中的應用

在國內多數礦區中，立井升降設備是常見的轉運設施之一，日常工作需保持連續不間斷運轉，主要負責煤礦的煤炭、設備、人員等轉運工作，要求設備必須具備連續作業能力以及安全穩定性，同時，由于此類需頻繁進行變速與啟停動作，因此存在較多的故障隱患，同時電力消耗較為嚴重。隨著變頻技術的深入應用，煤礦機電設備的穩定性以及可靠性得到較大幅度的提升。在提升機設備中應用的主要變頻技術可分為兩種類型，一是自動化程控系統；二是高壓變頻調控系統。第一類系統的主要作用在于提高系統的信息傳輸能力，使得整體機電系統在可控性方面獲得提升，而高壓變頻調控系統則主要用于能耗控制，可有效降低設備在實際使用過程中的過度耗電問題[3]。

圖2 某型號變頻器

(2)變頻技術在皮帶輸送機中的應用

一般情況下，皮帶輸送機在待機狀態下通常保持正常功率運作，因而導致整體能耗與產出收益不成正比，另外，皮帶輸送機在啟動方面主要采用液力耦合器，在工頻狀態下存在一定的過載風向，可能造成電機失控、皮帶偏移等問題。而融入變頻技術后，可顯著降低電機啟動過程中的電流，減少設備過載問題，避免出現設備過熱，降低設備故障率，同時在輸送機處于待機狀態時，可調整設備的整體運轉速度，實現有效控速，減少電力消耗，使設備安全高效運轉。

(3)在煤礦機電附件設備中應用變頻技術

現階段，變頻節能技術在煤礦機電設備中應用較為廣泛，不僅涉及基礎升降設備以及皮帶輸送機外，同時包括綜掘機、采煤機等多樣化設備類型。除此之外，變頻技術同樣具備基礎故障監控能力，可針對故障設備進行報警，同時聯合數據傳感器以及儲存設備對整體設備運行狀態進行數據收集與整理，為后期設備維護提供數據支持[4]。

(4)流體負荷設備應用

井下的循環風機、泵主要負責對空氣以及礦井水等進行循環處理，對于維護煤礦生產開采起到重要作用，在針對循環風機以及抽水泵等設備改進過程中也需依賴變頻節能技術。目前，礦井中的多數流體設備均引入了變頻節能技術，此外，少數流體設備安裝了同步調節器，可根據不同作業環境對設備進行定向調整。風機在經過流體設備改造升級后，可在待機狀態降低整體運轉速度，實現轉速的科學調整，經過改造之后，多數流體設備在節能水平方面顯著提高，為企業節省大量的經濟支出。另外在部分液用泵中也采用了多樣化的應用變頻節能技術，以此在使用過程中實現沖擊強度的有效控制，進一步增加整體設備的操作便捷性，使得整體設備使用更加靈活高效。此外，還可根據不同工況對抽水泵等設備進行定時調整，從而實現有限的自動化控制，在降低能耗方面具有重要作用[5]。

3.變頻節能技術的具體應用分析

在煤礦中積極開展變頻節能技術升級改造后，其核心問題在于在不同時間段實現功率的計劃調整，而積極開展節能技術應用升級需根據不同設備的具體應用狀況進行分析與調整，如此一來方可確保變頻節能技術在采煤機、風機等設備中發揮最大效果。下面具體介紹變頻節能技術在這些機電設備中的應用。

(1)變頻技術與采煤設備的融合應用

采煤機承擔煤礦采掘作業的主要工作任務，整體結構設計相對復雜，通常包含電氣、機械、液壓等多個子系統，而在進行變頻改造升級后，則可實現多個子系統的能耗控制。此類設備的主要功能構建共計分為切割、裝載、傳動及輔助控制系統等單元：在切割工作單元中，技術員可根據作業需求設定動態功率方案，當工作面面積較大時，應適當提高整體工況功率，最大化開采效率，否則可借助變頻系統實現工況頻率的有效控制，節約電能；在裝載構件部分，需結合采煤產出量進行運行功率調整，設置最佳化運煤速率；在傳動裝置方面，由于采煤以及裝載部分所需的牽引力存在差異，因而也需將變頻控制技術引入到傳動控制系統之中，從而確保整體牽引力滿足設備使用需求，并合理控制電能消耗。因此，積極引入變頻節能技術，并做好各類設備的控制與調控，有助于優化整體設備的能耗等級，盡可能降低超負荷工作周期，確保設備處低故障率狀態[6]。

(2)變頻節能技術在風機方面的應用

在煤礦作業過程中，多數煤層周邊的巖層中存在大量毒害氣體，因此在作業過程中必須保持通風設備的穩定運轉。通常情況下，多數礦井中布置了多臺風機設備輔助坑道進行換氣操作，但隨著煤礦作業面的逐漸深入，煤礦內氣體構成不斷變化，因此在實際工作時，需要引入變頻節能技術進行合理控制，在維持空氣安全基礎的同時，實現能耗的有效控制。例如，在作業過程中，若空氣質量符合規定標準時，可根據程控對風機進行停機，實現整體設備的能耗控制。在這個過程中，技術員應將空氣傳感器與變頻風機進行整合，通過系統后臺的程序進行自動化控制，如此一來，則可根據礦井內空氣的變化情況實時進行風機的啟停控制，從而實現能耗指標的有效降低[7]。

(3)變頻節能技術在提升機中的應用

在煤礦開采中，由于不同類型坑道在礦井角度方面存在差異，因此煤礦提升機的整體作業功率不盡相同，同時隨著后續作業面的延伸，提升機也需在作業功率方面進行適當調整。為進一步提高開采效率，維持設備長時間運行的同時做好能耗指標的有效管控，煤礦企業可在此類設備中引入變頻節能技術，同時綜合質量傳感器等設備構建智能化操作平臺，可根據裝載質量的差異進行工況的對應調整，如此一來，即維持設備運行的效率，還能有效控制電能。目前，該類技術在我國多數礦區已經獲得應用，且整體表現比較穩定，節能效果較好。

(4)皮帶機的綜合應用分析

一般情況下，皮帶運輸機需保持長時間的連續作業，但受到作業面條件限制，部分時間的煤礦產出量較低，若此時仍以正常功率運轉則可能導致整體設備的能耗顯著上升，不利于設備節能，而積極引入變頻技術后，則可進一步實現對皮帶機的變頻控制，如此一來，則可在滿足使用基礎的前提下，實現能耗的有效控制。同時，得益于變頻技術的功率自動控制，可避免設備長期處于滿負荷運行，從而有效減少了設備損耗，降低設備維護壓力[8]。

(5)變頻節能調節下的設備應用

隨著變頻負載荷技術的逐漸成熟，在開展風機、泵等設備中的調速功能逐漸完善。在技術人員積極優化變頻調速設備的適應性后，處于特殊采集環境下的風機、泵等設備的運行穩定性得到有效提高。在改造前，技術人員首先對風機的歷史數據進行檢測分析，合理調整風壓、風量，在升級改造后的整體效能得到有效提升，同時在能耗方面實現有效控制。針對水泵等設備，也可引入變頻調速節能改造方案，從而在實際工作狀態下可按計劃對設備運行工況進行對應調整，實現設備的科學運行，避免在無水狀態下長時間處于空轉狀態，如此一來，則可實現設備的高效運行，同時降低設備的電能損耗、延長使用壽命，提升整體生產效益綜合建設水平[9]。

4.融合變頻節能技術后的機電設備維護方案

為切實提高整體煤礦作業質量，多數煤礦企業對機電設備進行升級改造后，也需要對此類設備的維護方案進行合理制定，同時應結合設備型號以及歷史運行數據，定期開展設備的維護，在長期運行前應進行調試，確保變頻設備工作正常；在設備運行過程應制定小組巡查工作制度，對整體變頻控制情況進行記錄與分析，提升設備運行的穩定性。結合個人的工作經驗，簡要提出了以下維護對策。

（1）積極構建完善煤礦機電設備運管制度。煤企應構建完善的機電設備運管制度，根據設備分類要求作業班組與運維部門聯合負責設備的運管工作。技術研發部門應積極做好設備技術迭代工作，確保變頻技術始終處于高效運作狀態，并聯合運管部門做好定期檢查，對設備潛藏的技術風險進行排查分析；設備運維部門應與作業班組共同開展設備日常維護和保養，提高設備的整體可靠性，確保設備的變頻元件工作正常，并制定變頻設備的日常工作記錄日志，對各類型變頻元件故障進行分析，同時嚴格規范變頻設備的使用規范，這樣，方可實現變頻技術的高效化應用，確保機電設備處于最佳工作狀態。

（2）積極開展變頻控制技術優化融合。當前，相關變頻技術處于高速發展狀態，在集成度、智能化方面不斷獲得突破性進展。因此，礦企要重視變頻節能技術的升級維護，做好設備的優化工作，始終將節能環保與產業綠色化作為發展理念。在實際應用中，技術人員應結合節能變頻技術與本企業設備的特性，綜合考慮變頻技術的升級方案，始終以實效性以及經濟性為基礎。

5.結束語

綜上所述，現階段我國對煤礦等傳統行業下達了多項改革工作要求，力求在高耗能產業領域實現綠色化發展，因此，煤礦行業逐步引入了變頻技術以此實現能耗的有效控制，同時此類技術也是今后煤企研究發展的主要方向之一。目前，變頻技術在機電設備中尚處于發展階段，但是已經初見效果，多數煤企應積極開展技術升級與優化工作，不斷開展技術論證研究，以此提高開采效率，控制額外支出成本和能耗，提升整個采礦系統的節能性和智能性，促進我國煤礦開采行業的發展。