大型散貨碼頭堆場皮帶機變頻驅動方案設計

（中交水運規(guī)劃設計院有限公司，北京 100007）

大型散貨碼頭堆場皮帶機變頻驅動方案設計

林結慶

（中交水運規(guī)劃設計院有限公司，北京 100007）

本文以北方某煤炭裝船碼頭工程的堆場皮帶機變頻系統(tǒng)方案設計為案例，通過對低、高壓變頻器的特點、皮帶機裝卸系統(tǒng)、供電設施布置及變頻方式的比較分析，提出適合本工程的變頻驅動方案，供大型散貨碼頭皮帶機變頻系統(tǒng)設計參考。

散貨碼頭；皮帶機；變頻驅動；方案比選

1 項目概況

北方某煤炭裝船碼頭擴建四個3.5～10萬噸級煤炭泊位，泊位長度1072.5m；新建一個5萬噸級泊位，碼頭長度310m；設計年吞吐量5000萬噸，實施翻車機房、24座單倉容量為3萬噸的大型儲煤筒倉、露天儲煤堆場、生產(chǎn)及輔助建筑物等設施、配套建設為堆場服務的電氣設施、給排水消防、信息及控制、環(huán)保除塵等設施。新建部分皮帶機驅動電機主要布置在筒倉堆場和露天堆場區(qū)。

1.1 筒倉堆場

筒倉堆場布置在已有工程筒倉堆場西側，已有工程建設中為本工程預留了設計條件，筒倉群布置24座儲煤容量為3萬噸筒倉，采用4排6列的布置方式，設置在原有筒倉的西側，與現(xiàn)有的筒倉軸線一致。本工程煤炭進筒倉工作流程為：由卸車系統(tǒng)卸下的煤炭經(jīng)本工程新建的BF皮帶機和已建的BH11～BH14-1、BH11～BH14-2皮帶機輸送到布置在每排筒倉頂部的皮帶機BD上，再通過卸料小車及其溜槽向筒倉內(nèi)卸料。卸料小車采用連續(xù)往復卸料的作業(yè)方式，每個筒倉沿皮帶機方向布置2條長條形進料口，進料口設有格柵板。每排筒倉下布置2條出倉皮帶機，筒倉布置6個倉下漏斗，為2排3列布置，分別向2條出倉皮帶機供煤，通過不同列筒倉分別出倉完成配煤作業(yè)。倉下皮帶機通過延長改造已有工程倉下皮帶機，實現(xiàn)每個筒倉出料均可到達9#～16#泊位的任意裝船機。

1.2 露天堆場

露天堆場設置在筒倉區(qū)北側，采用堆取分開的作業(yè)流程及布置型式，設置3條堆存區(qū)，堆場布置2條進場皮帶機和2條出場皮帶機。堆場采用一線雙機方式實現(xiàn)配煤操作。卸車進堆場作業(yè)線布置在堆場西側，進堆場皮帶機BH14-1與CD13翻車機房連接。取料裝船作業(yè)線與17#裝船泊位和9#～16#裝船泊位連接，堆場內(nèi)煤炭可以進入任意裝船泊位。

2 變頻器特點

2.1 低壓變頻器

變頻器是利用電力半導體器件的通斷作用把電壓、頻率固定不變的交流電變成電壓、頻率都可調(diào)的交流電源?，F(xiàn)在使用的低壓變頻器主要采用交直交方式（VVVF變頻或矢量控制變頻），先把低壓工頻交流電源通過整流器轉換成直流電源，然后再把直流電源轉換成頻率、電壓均可控制的交流電源以供給電機驅動。

低壓變頻器一般原理如圖1所示。

2.2 高壓變頻器工作原理

高壓變頻器是近年來發(fā)展較快的大功率電機啟動運行的元件，目前使用的高壓變頻器主要是采用若干個低電壓變頻功率單元串聯(lián)的方式直接高壓輸出。其工作原理是高壓供電電源（10kV或6kV）經(jīng)過移相變壓器降壓后給變頻功率單元供電，然后輸出交直交電壓源型逆變器結構，相鄰功率單元的輸出端串接起來形成Y結構，實現(xiàn)變壓變頻的高壓直接輸出，向高壓電機供電。高壓變頻器的組成結構如下圖2所示。

2.3 變頻驅動在皮帶機系統(tǒng)中的特點

堆場皮帶機采用變頻驅動后，可以提高供配電系統(tǒng)功率因數(shù)和皮帶機傳輸效率，節(jié)能效果顯著。

圖2 高壓變頻器原理圖

（1）提高系統(tǒng)功率因數(shù)。皮帶機系統(tǒng)采用變頻器驅動后，在整個過程中功率因數(shù)達0.95以上，可較大幅度的降低了港區(qū)供電系統(tǒng)的無功損耗。（2）提高系統(tǒng)效率。皮帶機系統(tǒng)采用變頻器驅動之后，皮帶機驅動原有的液力耦合器可取消，系統(tǒng)動力傳輸效率要比液力耦合器連接驅動方式高5%～10%，可將皮帶機輸送系統(tǒng)的能耗降低5%～10%。（3）系統(tǒng)穩(wěn)壓?？赏ㄟ^利用變頻器自動穩(wěn)壓功能，將部分距變電站較遠的皮帶機驅動的電壓穩(wěn)定在一定的幅度，提高系統(tǒng)穩(wěn)定運行電壓參數(shù)，也有較大的節(jié)能效果。

3 皮帶機變頻驅動方案設計

文獻[3]研究指出，變頻驅動在碼頭堆存系統(tǒng)的長距離皮帶機恒轉矩負載的高性能調(diào)速驅動過程中，能有效控制皮帶機柔性負載的軟起/停車動態(tài)過程，實現(xiàn)各個的驅動點之間的功率平衡和速度同步，能降低快速起/停車過程對機械和電氣系統(tǒng)的沖擊，避免撒料與疊帶，可增加皮帶機系統(tǒng)的可靠性和安全性，實現(xiàn)在低負載時的系統(tǒng)節(jié)能效果。

針對該煤炭碼頭堆場生產(chǎn)需求、變頻系統(tǒng)的特點及變頻驅動在皮帶機傳輸系統(tǒng)的應用案例，結合本工程堆場工藝、節(jié)能環(huán)保、驅動設備性能穩(wěn)定、技術先進等需求，本工程的設計推薦皮帶機驅動電機采用變頻調(diào)速裝置。

3.1 變頻驅動功能要求

結合散貨碼頭工程的的生產(chǎn)工藝及實際應用，本工程的變頻驅動控制系統(tǒng)需滿足皮帶機驅動系統(tǒng)的以下功能要求。

（1）驅動系統(tǒng)需具有高效啟/?？刂坪驼{(diào)速運行功能，保證筒倉進出倉工藝流程流程合理、穩(wěn)定、順行操作及極大降低生產(chǎn)用電損耗，為降低生產(chǎn)運行成本提供了切實可行的必須條件。（2）變頻器的軟起動功能將電氣的軟起動和皮帶機的軟起動合一，皮帶機系統(tǒng)可重載平滑啟停，真正實現(xiàn)了皮帶機系統(tǒng)的軟起動。（3）變頻驅動系統(tǒng)能自動控制電機啟動過程電流，降低總配電難度；實時自動檢測驅動電機的故障隱患，極大提高皮帶機驅動系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。（4）可主從控制，實現(xiàn)多電機同步驅動及功率平衡。（5）取消電機的液力耦合器，降低電機采購及維護成本。

3.2 皮帶機參數(shù)

根據(jù)裝卸工藝系統(tǒng)提供的工藝條件，筒倉堆場區(qū)皮帶機參數(shù)如下表1，該區(qū)域的驅動電機總功率為11160kW；露天堆場工藝皮帶數(shù)見表2，該區(qū)域的驅動電機總功率為17850kW。

3.3 四期工程變配電設施設置情況

本工程根據(jù)總平面布置及工藝需求，為滿足堆場皮帶機驅動供電需求共設置21#變電所、22#變電所及23#變電所為各個驅動電機供電，各個變電所供電范圍見下表3。

3.4 高、低壓變頻方案比選

高壓變頻驅動與低壓變頻驅動除了輸出電壓的不同外，高壓變頻器由較多的功率單元串接組成，其結構構成比低壓變頻器復雜，輸出高電壓可使電能傳輸較低壓遠。低壓變頻器結構簡單，但變頻器與電機距離不能太遠，由于低壓變頻存在信號干擾及長距離的電壓降，一般變頻器與電機不宜超出300m。通過對變頻器及供電系統(tǒng)的合理布置，本期工程高低壓變頻均可滿足工藝要求。

表1 筒倉區(qū)皮帶機參數(shù)表

表2 露天堆場皮帶機參數(shù)表

表3 變電所供電范圍

下面以BF12皮帶機驅動為例，該驅動電機共4臺，單臺功率570kW,電源接自21#變電所，結合變頻方式，供電距離，變頻器室位置及綜合造價等方面，共有2種方案。

方案一：6kV高壓變頻，變頻裝置設21#變電所頂層，供電距離為440m。

方案二：低壓690V變頻，變頻器裝置設置T3-1轉運站北側的箱式變頻器室，總供電距離與方案一一致，其中高壓配電距離300m，變頻供電距離約為140m。

兩個方案的各項指標比較如表4。

上述數(shù)據(jù)對比表明，采用高壓變頻方案比低壓變頻方案造價高出約80萬元。高壓變頻器可以設置在變電所內(nèi)，設備的統(tǒng)一管理比較方便；為保證電機啟動壓降，低壓變頻器應設置在離驅動點盡量近的范圍，本項目采用就近設置箱式變頻器室方式，因此供電設備點比較分散，增加平時運行管理的工作難度。

由于本期工程設置3個變電所為驅動供電，除了BQ7～BQ10新增驅動電機采用低壓變頻驅動外，港區(qū)若采用方案一全高壓變頻方式，綜合造價約為為10610萬元；若全部采用方案二，全低壓變頻驅動方式，綜合造價約為8970萬元。

4 結語

若全部采用高壓變頻驅動方案，本期工程的46臺驅動的電氣投資將比低壓驅動高出約1700萬元；若全部采用低壓變頻方式，需在堆場就地設置多達11座箱式變頻器室，且倉頂4條BD皮帶機的驅動周邊無法設置低壓變頻器室。高粉塵環(huán)境將對設置在煤炭碼頭堆場內(nèi)的低壓變頻電站內(nèi)的設備運行安全造成較大的影響，增加維護工作量。大量低壓變頻器的使用，將對港區(qū)電氣系統(tǒng)的諧波含量增加，需增加諧波治理措施。

根據(jù)上述方案的比選，綜合比較本工程變電所布置情況及后期設備管理及運營要求，確定本工程皮帶機變頻驅動方案為全高壓變頻啟動，變頻設備設置在變電所的獨立空間以滿足散熱要求。

表4

[1]白霞等.變頻器原理及實訓，清華大學出版社，2012，07.

[2]西門子（中國）有限公司，滿足最高要求的變頻器選擇，中壓變頻器樣本.

[3]姚青.變頻驅動技術在上海港羅涇礦石碼頭皮帶輸送系統(tǒng)中的運用[J].港口科技，2009，8.

[4]張敏.談變頻技術在皮帶運輸系統(tǒng)中的意義[J].價值工程，2012，4.

TD528.1

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