煤礦井下掘進(jìn)機(jī)電設(shè)備的有效節(jié)能方法

陳鵬

[摘? ? 要]在現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)快發(fā)展下，人們對(duì)能源與資源的需求持續(xù)增長。隨著市場需求不斷擴(kuò)大，煤炭作為經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)的重要資源，人們對(duì)煤炭資源的消耗量與日俱增，這為煤礦企業(yè)的煤炭開采帶來了不小的壓力。在煤礦開采作業(yè)中，井下掘進(jìn)機(jī)電設(shè)備是其重要的設(shè)備組成，在整個(gè)煤礦開采作業(yè)能耗中占據(jù)著很大的比例。在國家節(jié)能降耗理念的推行下，煤礦企業(yè)開始越來越注重對(duì)井下掘進(jìn)機(jī)電設(shè)備節(jié)能技術(shù)方法的研究。文章主要對(duì)煤礦井下掘進(jìn)機(jī)電設(shè)備的有效節(jié)能方法進(jìn)行了仔細(xì)分析：首先，闡述煤礦井下掘進(jìn)機(jī)電設(shè)備節(jié)能技術(shù);其次，針對(duì)具體有效節(jié)能方法提出幾點(diǎn)建議，以期為煤礦開采作業(yè)節(jié)能降耗水平的提升提供一點(diǎn)參考。

[關(guān)鍵詞]煤礦;井下掘進(jìn)機(jī)電設(shè)備;節(jié)能技術(shù)

[中圖分類號(hào)]TD353.6 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號(hào)]2095–6487（2021）10–00–03

Effective Energy Saving Method of Electromechanical Equipment

for Underground Excavation in Coal Mine

Chen Peng

[Abstract]With the rapid development of modern economy， the demand for energy and resources continues to grow. Coal， as an important resource of economic production， consumes more and more coal resources under the condition of increasing market demand， which brings great pressure to coal mining enterprises. In coal mining operation， underground tunneling electromechanical equipment is an important equipment composition， which accounts for a large proportion in the energy consumption of the whole coal mining operation. Under the implementation of the national concept of energy conservation and consumption reduction， coal mining enterprises begin to pay more and more attention to the research on energy-saving technology and methods of underground tunneling electromechanical equipment. This article mainly makes a careful analysis on the effective energy-saving methods of underground excavation electromechanical equipment in coal mine. Firstly， it expounds the energy-saving technology of underground excavation electromechanical equipment in coal mine， and then puts forward some suggestions for specific effective energy-saving methods， in order to provide some reference for the improvement of energy-saving and consumption reduction level of coal mining operation.

[Keywords]coal mine; underground excavation electromechanical equipment; energy saving technology

1 煤礦井下掘進(jìn)機(jī)電設(shè)備節(jié)能技術(shù)概述

煤礦井下掘進(jìn)機(jī)電設(shè)備主要由行走機(jī)構(gòu)、工作機(jī)構(gòu)、裝運(yùn)機(jī)構(gòu)和轉(zhuǎn)載機(jī)構(gòu)構(gòu)成，整個(gè)運(yùn)行過程是隨著行走機(jī)構(gòu)向前推進(jìn)，工作機(jī)構(gòu)中所配備的切割頭會(huì)破碎巖石，并直接運(yùn)用裝運(yùn)機(jī)構(gòu)和轉(zhuǎn)載機(jī)構(gòu)將碎巖運(yùn)走，煤礦井下掘進(jìn)機(jī)電設(shè)別具有安全、高效和成巷質(zhì)量高的優(yōu)點(diǎn)，但其成本造價(jià)較高，而且設(shè)備構(gòu)造較為復(fù)雜，尤其對(duì)能源消耗較多，損耗也較大。煤礦井下掘進(jìn)機(jī)電設(shè)別的線路鋪設(shè)距離較遠(yuǎn)，有著很大的使用范圍，設(shè)備類型較多且運(yùn)行時(shí)間較長，所以對(duì)煤礦井下掘進(jìn)機(jī)電設(shè)備節(jié)能改進(jìn)需要考慮多項(xiàng)因素和多角度全方位的技術(shù)改進(jìn)，以有效解決其高能耗的問題，提高其節(jié)能水平。

1.1 變壓器容量選擇與配置技術(shù)

在進(jìn)行煤礦井下掘進(jìn)機(jī)電設(shè)備的設(shè)計(jì)和相關(guān)設(shè)備配置時(shí)，從理論上將需要重視設(shè)備變壓器效率，而要想實(shí)現(xiàn)機(jī)電設(shè)備變壓器最大效率，就需要針對(duì)機(jī)電設(shè)備平均荷載率做出有效調(diào)配和控制，需將其定為額定容量的55 %～75 %，但由于變壓器功率因素持續(xù)改變，其本身承載負(fù)荷將面臨超載，因此，需要依據(jù)最大功率指標(biāo)進(jìn)行變壓器額定容量的選擇，同時(shí)還要做好相關(guān)配置技術(shù)的改進(jìn)。

1.2 控制系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)

目前，我國煤炭行業(yè)中，部分企業(yè)礦井工作面開采水平維持在-1 000 m左右，距離井底相對(duì)較遠(yuǎn)，而運(yùn)輸?shù)臋C(jī)電設(shè)備數(shù)量較多且線路較長，部分工業(yè)面是由順槽到集中巷，配備了超10個(gè)運(yùn)輸機(jī)電設(shè)備，而只有集中控制運(yùn)輸設(shè)備方能夠?qū)崿F(xiàn)重復(fù)啟動(dòng)與空載運(yùn)行效率的降低。礦井中還采用了多種集中控制機(jī)電設(shè)備的模式，可以實(shí)現(xiàn)程序或手動(dòng)控制，意味著逆煤流方向進(jìn)行機(jī)電設(shè)備啟動(dòng)延時(shí)，以確保煤流堆煤與壓機(jī)頭情況的形成。

1.3 變壓器功率因數(shù)調(diào)整技術(shù)

針對(duì)變壓器功率因數(shù)進(jìn)行調(diào)整主要是降低負(fù)載功率因數(shù)，其會(huì)減小變壓器效率，由此增加能源損耗。如果加設(shè)移相電容器，則會(huì)對(duì)負(fù)載功率因素起到優(yōu)化作用，從而達(dá)到控制無功功率的效果。同時(shí)移向電容器可實(shí)現(xiàn)無功電流補(bǔ)償，降低配變電設(shè)備實(shí)際網(wǎng)絡(luò)電流，降低變壓器應(yīng)用率，減少變壓器線路的損耗。

2 煤礦井下掘進(jìn)機(jī)電設(shè)備有效節(jié)能方法

2.1 對(duì)井下掘進(jìn)機(jī)電設(shè)備的合理選擇

2.1.1 對(duì)節(jié)能變壓器的優(yōu)選

節(jié)能變壓器是煤礦井下掘進(jìn)機(jī)電設(shè)備中重要的核心組成部件之一，其優(yōu)選直接影響著井下掘進(jìn)機(jī)作業(yè)當(dāng)中對(duì)能耗的消耗效果。因此，要想實(shí)現(xiàn)煤礦井下掘進(jìn)機(jī)電設(shè)備的節(jié)能降耗，就需要針對(duì)節(jié)能變壓器進(jìn)行合理選擇。為確保井下掘進(jìn)機(jī)電設(shè)備節(jié)能效果，需要定期進(jìn)行節(jié)能變壓器負(fù)荷率的檢查，如發(fā)現(xiàn)其平均負(fù)荷率低于30 %，則需要及時(shí)進(jìn)行調(diào)整或更換。節(jié)能變壓器平均負(fù)荷率需要保證維持在超50 %，如選擇使用多種類型的動(dòng)力變壓器，則要注意依據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行合理選擇與配置，進(jìn)行變壓器選擇過程中要關(guān)注變壓器能源消耗量。首先，要確保其能源消耗量保持在節(jié)能要求標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi);其次，要重點(diǎn)考慮設(shè)備在長時(shí)間使用下長期使用所具有的效益，不可只追求節(jié)能效果而忽視設(shè)備本身的功能水平，且還要按照實(shí)際生產(chǎn)需求進(jìn)行變壓器數(shù)量的控制，從綜合運(yùn)行效益角度合理配置變壓器設(shè)備數(shù)量。

2.1.2 合理選擇輸送控制系統(tǒng)

輸送控制系統(tǒng)主要是指煤礦井下機(jī)電設(shè)備中應(yīng)用于人員、設(shè)備、煤炭資源輸送。目前在煤礦井下作業(yè)中應(yīng)用較為廣泛且性能較為穩(wěn)定的輸送控制系統(tǒng)主要包括帶式輸送和刮板輸送。

帶式輸送設(shè)備的運(yùn)行具有電壓高、功率大特點(diǎn)，綜合性能非常重要。如果綜合性能沒有達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求會(huì)對(duì)煤礦井下作業(yè)效率造成很嚴(yán)重的影響，而且?guī)捷斔蜋C(jī)運(yùn)行時(shí)整體能耗較高，即使保持空載或輕載時(shí)也會(huì)消耗與重載時(shí)相同的能源量。因此，在選擇帶式輸送機(jī)時(shí)需要考慮其綜合效益，盡量選擇能耗較小的設(shè)備，另外還要定期進(jìn)行設(shè)備各項(xiàng)性能和運(yùn)行狀態(tài)的檢測，以保證其運(yùn)行穩(wěn)定性。

刮板輸送系統(tǒng)的整體性能相比帶式輸送系統(tǒng)有著不小的差距，在輸送統(tǒng)一質(zhì)量或同一性質(zhì)物品時(shí)，刮板輸送設(shè)備的能耗要遠(yuǎn)比帶式輸送設(shè)備所需電能更高。井下掘進(jìn)機(jī)電設(shè)備中，輸送控制系統(tǒng)選擇要想實(shí)現(xiàn)節(jié)能效果的保證，其首選為帶式輸送設(shè)備。

2.2 科學(xué)進(jìn)行煤礦井下掘進(jìn)機(jī)電設(shè)備的應(yīng)用

煤礦井下掘進(jìn)機(jī)電設(shè)備要想實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗，除在設(shè)備設(shè)計(jì)與配置以及技術(shù)方面予以改進(jìn)和合理控制之外，還要注重在實(shí)際使用中的管理，尤其要做好相關(guān)設(shè)備的搭配和及時(shí)維護(hù)與更換。

2.2.1 準(zhǔn)確評(píng)估和及時(shí)維護(hù)與更換設(shè)備

為確保煤礦井下掘進(jìn)機(jī)電設(shè)備的節(jié)能效果，要針對(duì)運(yùn)行中的機(jī)電設(shè)備進(jìn)行科學(xué)評(píng)估，針對(duì)一些電能損耗較大的設(shè)備要及時(shí)更換或技術(shù)改造。在實(shí)際井下作業(yè)中，常會(huì)發(fā)生作業(yè)人員為輕便或加快作業(yè)進(jìn)度而在未遇到巖石時(shí)就開啟乳化液泵的情況，乳化液泵提前運(yùn)行往往會(huì)造成大量電能的消耗，且未獲得實(shí)際效益。因此，要想降低能源損耗，除提高作業(yè)人員節(jié)能意識(shí)之外，還要針對(duì)設(shè)備運(yùn)行進(jìn)行科學(xué)評(píng)估，如果其能源消耗超標(biāo)要及時(shí)進(jìn)行調(diào)整或更換或技術(shù)改進(jìn)。

2.2.2 運(yùn)用先進(jìn)變頻技術(shù)實(shí)現(xiàn)電頻頻率的控制

變頻技術(shù)的應(yīng)用原理在于運(yùn)用變頻器設(shè)備來進(jìn)行電頻頻率的有效控制，其主要由電源板、電極電容與控制面板構(gòu)成，整體結(jié)構(gòu)相對(duì)較為負(fù)責(zé)，技術(shù)性較高，傳統(tǒng)煤炭井下掘進(jìn)機(jī)電設(shè)備中沒有應(yīng)用變頻技術(shù)時(shí)，無法進(jìn)行電流頻率的有效控制和調(diào)整，這也是導(dǎo)致設(shè)備長期處于恒定運(yùn)行狀態(tài)而造成能源損耗較大的主要原因，所以在煤礦井下掘進(jìn)機(jī)電設(shè)備中采用變頻技術(shù)，能夠根據(jù)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行電流頻率的調(diào)整，最大限度地降低電能的損耗，提高節(jié)能效果。其主要表現(xiàn)在：①變頻技術(shù)下功率器件主要運(yùn)用智能功率模塊，其能夠自動(dòng)進(jìn)行功率變頻;②針對(duì)壓頻比進(jìn)行了控制方式上的改進(jìn)優(yōu)化，主要擴(kuò)展了其使用范圍;③融入了人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與模糊自動(dòng)化控制系統(tǒng)與自優(yōu)化系統(tǒng)，組成了專用集成電路;④可同時(shí)進(jìn)行調(diào)速、編程器參數(shù)辨識(shí)與通信等功能，有著較強(qiáng)的綜合性功能。

2.3 變頻器工作原理

電源輸入回路將輸入的交流電源進(jìn)行整流變成直流，用電源輸出回路根據(jù)控制單元發(fā)來的指令，對(duì)有關(guān)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測、比較和運(yùn)算，發(fā)出動(dòng)作指令，將整流后的直流電調(diào)制成某種頻率的交流電源輸出給電動(dòng)機(jī)。

2.4 變頻器節(jié)能原因

輸出頻率可在0～50 Hz或更高頻率之間變化。電源頻率的降低，電源電壓也隨之降低，使得電動(dòng)機(jī)的瞬時(shí)功率下降，從而減少了電源消耗。在這樣的情況下變頻器是可以節(jié)能的，但變頻器節(jié)能是有前提的，要看用途及電動(dòng)機(jī)所帶負(fù)載的特性。通過調(diào)速來節(jié)能可行的是泵類、風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)等設(shè)備的拖動(dòng)，這類設(shè)備的負(fù)載轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的二次方成比例，功率與轉(zhuǎn)速的三次方成比例，當(dāng)轉(zhuǎn)速降低1/2時(shí)，負(fù)載轉(zhuǎn)矩只有1/4，功率僅剩1/8。這類設(shè)備在設(shè)計(jì)時(shí)為滿足生產(chǎn)及發(fā)展余地，其拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)容量大多是按最大流量、壓力選取的，通過閥門、擋板來調(diào)節(jié)流量或壓力。因此，造成能量的浪費(fèi)，用變頻器降低電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)流量或壓力，就可實(shí)現(xiàn)節(jié)能。從統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)看可平均節(jié)能1/3，由于效果明顯，得到廣泛應(yīng)用。風(fēng)機(jī)、泵類負(fù)載用變頻器是可以節(jié)能，但由于設(shè)計(jì)或設(shè)備的原因，風(fēng)機(jī)或水泵一直滿負(fù)荷運(yùn)行，使變頻器的輸出頻率都是處于50 Hz狀態(tài)，這時(shí)節(jié)能是不可能的，因?yàn)檫@跟工頻運(yùn)行沒有差別。只有當(dāng)用風(fēng)或用水的實(shí)際流量小于額定流量100 %時(shí)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的下降才會(huì)有節(jié)能效果的出現(xiàn)。

工程師曾對(duì)兩臺(tái)15 kW的風(fēng)機(jī)，在工頻和變頻時(shí)的用電量進(jìn)行過對(duì)比，各運(yùn)行2 h電能表測出變頻比工頻還多用出1度電，這應(yīng)該是正常的，因?yàn)樽冾l器本身還要耗電。嚴(yán)格說測試還有誤差，1度還少了點(diǎn)。這樣的測量還有問題，因?yàn)樽冾l器的輸出電流并不是純粹的工頻，其含有高次諧波，用普通顯示儀表是測不準(zhǔn)的。變頻器的輸出電流如用變頻器面板的電流顯示值，可信度更高。所以不分負(fù)載特性、不分使用場合，說用了變頻器就可以節(jié)能是不可信的。而且用普通儀表的測量數(shù)據(jù)來進(jìn)行節(jié)能對(duì)比，宣傳也是不可信的。

2.5 降低低壓供電距離以降低能源損耗

在煤礦井下掘進(jìn)機(jī)電設(shè)備運(yùn)行過程中，供電距離過大也會(huì)造成不小的能源浪費(fèi)，所以需要重點(diǎn)進(jìn)行供電距離的設(shè)計(jì)。煤礦井下掘進(jìn)機(jī)電設(shè)備功率為固定值設(shè)定，設(shè)備運(yùn)行電流會(huì)直接影響供電電壓，如果供電電壓量相對(duì)較高，則設(shè)備電流量會(huì)相應(yīng)減少，線路阻抗性會(huì)隨之增大，由此產(chǎn)生一定的電能損耗。這就需要在進(jìn)行煤礦井下掘進(jìn)機(jī)電設(shè)備配置與選擇設(shè)計(jì)時(shí)注意供電距離的合理調(diào)整，以提高節(jié)能效果。

2.6 配備電力無功補(bǔ)償裝置提高功率因數(shù)

煤礦井下掘進(jìn)機(jī)電設(shè)備能耗最為關(guān)鍵的因素是功率因數(shù)，功率因數(shù)偏低會(huì)導(dǎo)致設(shè)備運(yùn)行中產(chǎn)生大量無用功率，這就會(huì)造成電力能源的損耗且不會(huì)產(chǎn)生效益價(jià)值，增加成本。要想解決功率因數(shù)能耗過大問題，可以通過加裝無功補(bǔ)償裝置來實(shí)現(xiàn)設(shè)備能源損耗問題的解決，其能夠?qū)崿F(xiàn)能源損耗的有效控制，使其保持在較低的范圍內(nèi)。

3 結(jié)束語

目前，我國能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展逐漸開始向新能源與清潔能源領(lǐng)域集中，煤炭行業(yè)在我國國民經(jīng)濟(jì)總體占比重開始呈現(xiàn)下降趨勢，這也是新能源開發(fā)與清潔能源應(yīng)用下煤炭企業(yè)所必須面對(duì)的事實(shí)。而且在現(xiàn)代科技應(yīng)用下，煤礦企業(yè)在進(jìn)行煤炭開采過程中需要不斷更新設(shè)備，將高能耗問題作為煤礦井下設(shè)備設(shè)計(jì)與研究的重點(diǎn)，并逐漸開始采用新的技術(shù)方法予以改進(jìn)，包括整機(jī)研發(fā)和零部件改良，明確節(jié)能方法與技術(shù)的研究方向。另外，煤炭行業(yè)內(nèi)部也要進(jìn)行自身體制與機(jī)制的優(yōu)化，轉(zhuǎn)變發(fā)展理念，重視煤礦井下掘進(jìn)機(jī)電設(shè)備節(jié)能技術(shù)的研究和相關(guān)設(shè)備的改造，實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)成本的控制，提高其節(jié)能水平，為煤炭行業(yè)的發(fā)展和行業(yè)利潤空間的提升提供有力的支持，以保證煤炭行業(yè)的綠色化持續(xù)發(fā)展。

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