煤礦通風(fēng)與運(yùn)輸設(shè)備的節(jié)能措施探究

劉保龍

0 前言

現(xiàn)階段，隨著社會與經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，資源消耗數(shù)量不斷增加，同時環(huán)境污染問題日益嚴(yán)重，人們越來越重視節(jié)能減排工作，我國政府更是出臺了多項宏觀調(diào)控措施，力求達(dá)到節(jié)能減排的目標(biāo)。我國節(jié)能減排工作之中，煤礦企業(yè)是非常重點(diǎn)的節(jié)能減排對象。對于煤礦企業(yè)來說，礦井開采過程中消耗的能源是最大的，而其中通風(fēng)與運(yùn)輸電氣設(shè)備的耗能又非常多。現(xiàn)階段，通過何種方法能夠有效的降低煤礦通風(fēng)與運(yùn)輸電氣設(shè)備能源消耗數(shù)量是煤礦行業(yè)亟待解決的問題。

1 通風(fēng)機(jī)設(shè)備節(jié)能運(yùn)行分析

在晉華宮礦的實(shí)際生產(chǎn)中，所使用的通風(fēng)機(jī)設(shè)備為抽出式通風(fēng)機(jī)設(shè)備，一共有兩臺，目前通風(fēng)機(jī)設(shè)備在運(yùn)行中主要存在下列問題：在電機(jī)剛剛啟動的過程中，會直接由完全停止?fàn)顟B(tài)而進(jìn)入至滿負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)，這樣導(dǎo)致了電動機(jī)的啟動電流會非常大，使得電動機(jī)受到相對大的沖擊。在風(fēng)機(jī)啟動之后，電動機(jī)也會全速運(yùn)行，通過調(diào)整風(fēng)門的大小，實(shí)現(xiàn)風(fēng)量的調(diào)控，這樣會導(dǎo)致能源出現(xiàn)較大的浪費(fèi)，而且對于通風(fēng)機(jī)的控制精度不高，很多情況下是根據(jù)操作人員自身經(jīng)驗(yàn)對通風(fēng)機(jī)的運(yùn)行進(jìn)行監(jiān)測，并對可能存在的故障進(jìn)行判斷，這樣會導(dǎo)致安全隱患相對較大[1]。

1.1 基于PLC技術(shù)的通風(fēng)機(jī)設(shè)備節(jié)能改造

1.1.1 變頻器原理和優(yōu)點(diǎn)分析

（1）變頻器的輸入特性更加純凈。要是變頻器裝置額定容量較輸入的容量大于輸出的容量，此時便可以確保在線的設(shè)備不會受到諧波干擾。

（2）可以進(jìn)一步提升功率因數(shù)。所謂功率因數(shù)指的是有功功率和總功率之間的比值。若是功率因數(shù)偏低，則將產(chǎn)生方波電流，方波電流的出現(xiàn)將導(dǎo)致諧波的產(chǎn)生，同樣也會產(chǎn)生諧振。

（3）輸出正弦波更加完美。變頻裝置由于采用的是無諧波設(shè)計，因此其能夠輸出正弦波，無需加設(shè)外部輸出濾波裝置。變頻裝置在實(shí)際的運(yùn)行過程中，僅僅會出現(xiàn)非常少的失真電壓波形，同時還能夠?qū)⒅C波消除，這樣便可以防止電機(jī)發(fā)熱，使得設(shè)備的磨損更小，有效提升了機(jī)電設(shè)備的使用壽命[2]。

1.1.2基于PLC技術(shù)的系統(tǒng)改造

通風(fēng)機(jī)設(shè)備節(jié)能改造示意圖如圖1所示。

圖1 通風(fēng)機(jī)設(shè)備節(jié)能改造示意圖

（1）配電改造。對于高壓部分進(jìn)線采用的是6 kV雙回路進(jìn)線，采用的接線方法是單母線接線方法，在中間采用母線完成聯(lián)絡(luò)。對于低壓部分進(jìn)線采用的也是雙回路進(jìn)線，在末端位置處設(shè)置雙電源，確保工作電源以及備用電源之間能夠自動完成切換，從而有效地保證了供電地穩(wěn)定性以及可靠性。

（2）傳動改造。在對傳動系統(tǒng)進(jìn)行改造的過程中，一組變頻裝置僅僅能夠針對其中一臺電動機(jī)運(yùn)行發(fā)揮拖動作用，拖動冗余通過切換柜裝置完成。采用變頻控制的模式可以利用兩種不同方法實(shí)現(xiàn)，分別為遠(yuǎn)程控制方法和就地控制方法。此次節(jié)能改造采用遠(yuǎn)程控制方法，變頻控制的方式是采用雙通道控制方式，通過外部的硬接線以及通訊兩種不同方法共同的達(dá)到對電動機(jī)運(yùn)行有效控制的目標(biāo)[3]。

（3）控制改造?？刂葡到y(tǒng)之中的上位機(jī)的控制核心單元便是PLC單元，通過觸摸屏、操作臺以及工控裝置等一起完成控制工作，若是某一個設(shè)備出現(xiàn)了故障，還能夠確保通風(fēng)機(jī)設(shè)備能夠正常的運(yùn)轉(zhuǎn)。工控機(jī)發(fā)出的控制命令一旦傳輸出去，便會經(jīng)由交換機(jī)設(shè)備，借助于以太網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)信息傳輸至PLC裝置之中，由PLC完成設(shè)備的操作與控制。操作臺則通過硬接線的方法對通風(fēng)機(jī)和相關(guān)的輔助機(jī)電設(shè)備加以控制，其不依靠PLC裝置便能夠完成控制工作，這樣便能夠保障通風(fēng)機(jī)設(shè)備在PLC系統(tǒng)發(fā)生故障的情況下，依舊可以有效的得以控制，保證通風(fēng)機(jī)設(shè)備能夠正常的運(yùn)行[4]。下機(jī)位采用的是擁有優(yōu)良性能的S7-400H作為通風(fēng)機(jī)設(shè)備控制裝置，并且將其中重要一些部件進(jìn)行冗余配置，若是系統(tǒng)出現(xiàn)了故障，則便能夠?qū)⒊霈F(xiàn)故障的元件自動的切換至備用元件，這樣便能夠保障系統(tǒng)可以持續(xù)、穩(wěn)定地運(yùn)行。

（4）在線監(jiān)測改造。在進(jìn)行在線監(jiān)測改造過程中，采用的是雙套工控設(shè)備、觸摸設(shè)備以及操作臺裝置，這樣確保了實(shí)際運(yùn)行和備用能夠隨時互換。監(jiān)測系統(tǒng)通過采集模塊針對通風(fēng)機(jī)設(shè)備運(yùn)行過程中的實(shí)時數(shù)據(jù)進(jìn)行收集，然后把收集到的相關(guān)數(shù)據(jù)信息傳輸至PLC裝置之中，經(jīng)過PLC處理之后傳輸至上位機(jī)之中，從而確保系統(tǒng)能夠完成對數(shù)據(jù)的統(tǒng)一、實(shí)時監(jiān)控[5]。

1.2 通風(fēng)機(jī)節(jié)能改造效果分析

在改造之前通風(fēng)機(jī)的運(yùn)行功率為250 kW，而在變頻運(yùn)行工況之下，通風(fēng)機(jī)設(shè)備的實(shí)際運(yùn)行功率為135.2 kW，所以，可以計算得到采用PLC技術(shù)對通風(fēng)機(jī)設(shè)備進(jìn)行變頻改造之后每年節(jié)約的電能約為：

電費(fèi)的價格按照0.8元/(kW·h)進(jìn)行計算，則每年可節(jié)約電費(fèi)為：

可見，對通風(fēng)機(jī)設(shè)備進(jìn)行節(jié)能改造之后，每年節(jié)約的電能為2 011 296 kW·h，節(jié)省的電費(fèi)為1 609 036.8元，具有非常顯著的經(jīng)濟(jì)效益與社會效益[6]。

2 輸送機(jī)設(shè)備節(jié)能運(yùn)行分析

帶式輸送設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)煤炭有效輸送，不過，在其運(yùn)行過程中卻存在較為嚴(yán)重的能源浪費(fèi)問題，輸送機(jī)設(shè)備的能耗控制主要包含有：輸送設(shè)備電機(jī)啟動中的能耗控制以及傳送設(shè)備運(yùn)行中功率平衡控制。在輸送設(shè)備實(shí)際運(yùn)行時，在運(yùn)輸煤炭數(shù)量不斷增加情況下，輸送設(shè)備對應(yīng)的能耗隨之也會相應(yīng)增加，設(shè)備的磨損同樣會不但增加，導(dǎo)致設(shè)備的能耗有所增多。以往使用的輸送設(shè)備之中，電動機(jī)無論出于何種工況之下，均是使用50Hz工頻運(yùn)行，無法根據(jù)運(yùn)輸物料具體情況而自動對電動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)速率加以調(diào)控，若是輸送帶之中不存在物料或者物料相對少情況下，導(dǎo)致電機(jī)的負(fù)載效率變得較低，輸送設(shè)備運(yùn)行效率也會隨之下降，從而導(dǎo)致了能源浪費(fèi)問題[7]。同時，由于輸送帶在相當(dāng)長的一段時間內(nèi)不間斷運(yùn)行，將導(dǎo)致輸送帶的摩擦進(jìn)一步加劇，傳送帶極易出現(xiàn)磨損問題，對于煤礦開采的正常運(yùn)行帶來不利影響。比如，在礦井實(shí)際生產(chǎn)過程中，因?yàn)槊嘿|(zhì)不斷的變化，加之天氣因素，煤炭的開采數(shù)量同樣也會有所變化，煤炭輸送量隨之發(fā)生改變。所以，輸送設(shè)備所輸送煤炭數(shù)量同樣也會有所波動，經(jīng)常發(fā)生輕載現(xiàn)象，個別時間段還會出現(xiàn)無煤現(xiàn)象。針對上述這一問題，要是所有的電機(jī)均處在工頻狀態(tài)之下，將會導(dǎo)致大量的能源浪費(fèi)，同時也會造成輸送帶磨損問題。所以，應(yīng)當(dāng)采用變頻電機(jī)，確保輸送設(shè)備的傳輸速率能夠依照運(yùn)送物料情況而實(shí)時進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而達(dá)到節(jié)能目標(biāo)[8]。

若是運(yùn)輸設(shè)備運(yùn)量Q保持恒定，運(yùn)輸設(shè)備功率P與運(yùn)速v之間存在相應(yīng)的比例關(guān)系，如圖2所示。

圖2 運(yùn)輸設(shè)備運(yùn)速和功率之間的比例關(guān)系

從圖2中能夠得出，在同一運(yùn)量保持不變的情況下，當(dāng)輸送設(shè)備運(yùn)輸?shù)乃俾试黾?，相?yīng)的功率也會隨之增大，此時所消耗能量也會更多。在同一功率之下，運(yùn)量有所增加，相應(yīng)的運(yùn)速會隨之降低。所以，能夠得出，運(yùn)輸設(shè)備的運(yùn)量、功率以及運(yùn)速三者間存在一定的制約關(guān)系，要想確保運(yùn)輸設(shè)備能耗能夠進(jìn)一步的降低，可以在特定的范圍內(nèi)根據(jù)運(yùn)量情況而適宜降低運(yùn)速，在三者之間尋找到對應(yīng)的平衡點(diǎn)，這樣便可以達(dá)到節(jié)能的目標(biāo)。

3 結(jié)語

煤炭資源屬于一種極為重要的能源，而在煤炭開采過程中，對于電能的需求量非常大，這也是國內(nèi)目前電力供應(yīng)緊張的重要影響因素。在煤礦開采過程中，通風(fēng)與運(yùn)輸電氣設(shè)備的能耗相對較大，在國家節(jié)能減排要求之下，對于通風(fēng)與運(yùn)輸電氣設(shè)備開展節(jié)能研究擁有極大意義。在煤礦生產(chǎn)環(huán)節(jié)，要想實(shí)現(xiàn)通風(fēng)與運(yùn)輸電氣設(shè)備的節(jié)能目標(biāo)，不僅要進(jìn)一步提升電氣設(shè)備節(jié)能能力，還要不斷優(yōu)化通風(fēng)與運(yùn)輸電氣備運(yùn)行能耗，這樣才能取得良好的節(jié)能效果。