長距離帶式輸送機節(jié)能優(yōu)化研究

楊 雪

（晉能控股煤業(yè)集團四臺礦機電管理科， 山西 大同 037000）

引言

隨著能源價格的不斷上漲，通過節(jié)能改造進行成本控制已經(jīng)越來越受到企業(yè)的關(guān)注。帶式輸送機作為煤炭開采行業(yè)的一種主要運輸設(shè)備，對其的節(jié)能優(yōu)化改造對于企業(yè)發(fā)展至關(guān)重要。傳統(tǒng)帶式輸送機的運行模式大多為恒速模式，由于企業(yè)在實際開采過程中無法做到恒量產(chǎn)出，這就使得帶式輸送機在運輸貨物的過程中出現(xiàn)低負荷甚至空載運行的狀況，大大浪費了帶式輸送機運行能源，降低了設(shè)備電能使用效率，提升了企業(yè)運行成本[1-5]。針對這一問題，本文擬通過對帶式輸送機啟動過程與速度調(diào)節(jié)功能兩方面對帶式輸送機進行節(jié)能優(yōu)化改造，以期提升設(shè)備電能使用率，降低企業(yè)成本，增加企業(yè)市場競爭力。

1 長距離帶式輸送機能耗原因分析

長距離帶式輸送機一般分為六部分，分別為驅(qū)動設(shè)備、滾筒、輸送帶、拉緊裝置、托輥及輔助裝置，其具體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。其中，長距離帶式輸送機的驅(qū)動設(shè)備是由多臺交流變頻電動機組成的，在實際生產(chǎn)過程中，多臺交流變頻電動機運行會產(chǎn)生功率不均衡的現(xiàn)象，這導(dǎo)致帶式輸送機的電機負荷產(chǎn)生不均現(xiàn)象，使得設(shè)備能源損耗上升，成本無法控制，嚴重者會使電機磨損，造成電機燒毀現(xiàn)象。電機均衡性的影響因素分為靜態(tài)因素與動態(tài)因素兩類。其中，靜態(tài)因素主要是長距離帶式輸送機的參數(shù)設(shè)計是否合理；動態(tài)因素為在產(chǎn)生不均衡現(xiàn)象時，設(shè)備是否具有迅速響應(yīng)機制，可在時間要求范圍之內(nèi)對不均衡現(xiàn)象進行處理，保證帶式輸送機的有效運行。

圖1 帶式輸送機結(jié)構(gòu)示意圖

長距離帶式輸送機的另外一個問題為速度調(diào)節(jié)問題。傳統(tǒng)的帶式輸送機一般采用恒速運行的模式，但實際的生產(chǎn)活動中恒定不變的煤炭產(chǎn)量是十分少見的，這就使得帶式輸送機會有較多情況處于空載或低載荷運行狀態(tài)，造成電能浪費，增加企業(yè)成本。

2 帶式輸送機啟動功率平衡控制優(yōu)化分析

傳統(tǒng)的功率平衡控制主要有主從控制和并行控制兩種，主從控制為以主機控制為主，從機進行配合，以實現(xiàn)驅(qū)動同步；并行控制為將電機參數(shù)統(tǒng)一設(shè)置，統(tǒng)一給定運行。并行控制抗干擾能力不強，主從控制同步性較弱，均無法完美解決功率不平衡問題。基于上述現(xiàn)象，本文提出了耦合補償?shù)姆椒▽﹄姍C進行功率平衡控制，通過測定各個電機運行狀態(tài)時的參數(shù)，依據(jù)參數(shù)的變化量進行差異性分析并進行相應(yīng)補償。該方法既可解決電機之間的運行誤差，又可使電機轉(zhuǎn)速精確達到設(shè)定值，減少運行誤差。其具體的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2 所示。

圖2 帶式輸送機啟動功率平衡控制優(yōu)化結(jié)構(gòu)示意圖

功率平衡控制系統(tǒng)會對各電機進行電流與轉(zhuǎn)速分析，得出電機工作狀態(tài)結(jié)果。假設(shè)圖2 中兩臺發(fā)電機一臺為電動狀態(tài)，另外一臺為發(fā)電狀態(tài)。將兩臺的負載率進行比較，當負載率較大的電機為電動電機時，表明電動電機處于負載狀態(tài)，電機需對輸送機提供正牽引力，增大發(fā)電電機功率，提供負載；當負載率較大的電機為發(fā)電電機時，表明發(fā)電電機處于負載狀態(tài)，這時應(yīng)減少功率輸出，使電動電機進入發(fā)電狀態(tài)。

3 帶式輸送機變頻調(diào)速優(yōu)化分析

3.1 變頻調(diào)速系統(tǒng)總體設(shè)計方案

針對傳統(tǒng)帶式輸送機恒速運行的弊端，本文提出運用變頻調(diào)速技術(shù)對帶式輸送機進行節(jié)能改造。對電動機進行調(diào)速的方法包括電磁調(diào)速、變極調(diào)速、轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速、變頻調(diào)速等方法。其中，變頻調(diào)速因其調(diào)速平穩(wěn)、響應(yīng)速度快、輸出穩(wěn)定、節(jié)能等特點逐漸成為調(diào)速主流方式。變頻調(diào)速的主要元件為變頻器，通過與PLC 相組合的方法對帶式輸送機進行調(diào)速優(yōu)化。其具體布置示意圖如圖3 所示。其中，PLC 為主控制器，變頻系統(tǒng)與PLC 通過通信線進行連接，可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸與處理。PLC 還可將變頻器的數(shù)據(jù)向上位機傳輸，以實現(xiàn)上位機對帶式輸送機的精準控制。

圖3 變頻調(diào)速系統(tǒng)布置示意圖

3.2 變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計

3.2.1 變頻器選型

變頻器可分為兩種，分別為交-交變頻器與交-直-交變頻器。交-交變頻器的變頻范圍小，應(yīng)用面較窄，故本文選用交-直-交變頻器。交-直-交變頻器主要是通過整流裝置將交流電轉(zhuǎn)化為直流電，然后利用逆變器將直流電轉(zhuǎn)化為可調(diào)的頻率與電壓，從而實現(xiàn)變頻調(diào)速。

由于長距離帶式輸送機是恒轉(zhuǎn)矩負載模式，故設(shè)備在啟動時對驅(qū)動系統(tǒng)的控制要求較高。故本文選用SIMOVERT MV 變頻器，其具體配置如圖4 所示。該變頻器為西門子公司研發(fā)制造，屬于中壓變頻器，設(shè)計連接電機額定電壓為2.3～6.6 kV，功率為0.66～7.2 MW。該變頻器具有啟動電流小、力矩大、磨損與損耗較小、啟動停止時間可調(diào)等特點，且對于帶式輸送機功率平衡問題有所幫助，較為適合本設(shè)計。

圖4 變頻調(diào)速系統(tǒng)配置示意圖

3.2.2 PLC 選型

PLC 控制系統(tǒng)的主要功能為數(shù)據(jù)采集、故障判斷與控制、人機對話。經(jīng)分析，由于PLC 有儲存容量要求，且PLC 與變頻器等設(shè)備的通信采用PROFIBUS通信網(wǎng)絡(luò)，故本文選用CPU315-2DP 可編程邏輯控制器，其模塊配置及參數(shù)要求較為符合。

4 系統(tǒng)測試

1）輸送機啟動功率平衡控制優(yōu)化方案無論處于靜負載還是動負載狀態(tài)下，無論電機參數(shù)是否相同，輸出轉(zhuǎn)矩都可按照比例進行分配，未出現(xiàn)欠載或者過載現(xiàn)象，解決了帶式輸送機啟動功率不平衡現(xiàn)象。

2）將上述兩種方案應(yīng)用于實際中后，長距離帶式輸送機使用電量大幅下降，按工業(yè)電價0.83 元/kWh計算，一年約可節(jié)省95 萬元，降低了企業(yè)成本，提升了能源使用率。

5 結(jié)論

隨著能源使用成本的不斷提高，對于設(shè)備的節(jié)能改造逐漸引起企業(yè)的重視。長距離帶式輸送機因其啟動功率不平衡及帶式輸送機常處于空載或低負載狀態(tài)，使得設(shè)備電能利用率較為低下。針對這一現(xiàn)象，本文進行了針對性節(jié)能分析，運用耦合補償與變頻調(diào)速的方法對其進行了節(jié)能優(yōu)化設(shè)計，并得出了以下結(jié)論：

1）耦合補償方法可有效解決長距離帶式輸送機啟動時功率不平衡現(xiàn)象，降低設(shè)備磨損，提高能源使用率。

2）帶式輸送機啟動功率平衡控制優(yōu)化方案與輸送機變頻調(diào)速優(yōu)化方案的使用可大幅度降低企業(yè)用電成本，提升能源利用率，按工業(yè)電價0.83 元/kWh 計算，一年約可節(jié)省95 萬元，達到了節(jié)能改造的目的。