帶式輸送機(jī)運(yùn)行能耗優(yōu)化控制系統(tǒng)研究

李小虎

(山西汾西礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司 曙光煤礦，山西 孝義 032303)

帶式輸送機(jī)由輸送帶、托輥、機(jī)架、驅(qū)動裝置以及張緊裝置等構(gòu)成的連續(xù)運(yùn)輸設(shè)備，具備有運(yùn)輸距離遠(yuǎn)、結(jié)構(gòu)簡單、可靠性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，是現(xiàn)階段煤礦井下主要運(yùn)輸設(shè)備[1-2]。隨著礦井生產(chǎn)范圍以及產(chǎn)量增加，帶式輸送機(jī)鋪設(shè)覆蓋范圍不斷加大、驅(qū)動裝置功率不斷增大，電能消耗呈增加趨勢[3-5]。隨著控制技術(shù)發(fā)展，現(xiàn)階段帶式輸送機(jī)基本實(shí)現(xiàn)變頻控制，雖然可在一定程度上降低設(shè)備運(yùn)行能耗，但是現(xiàn)場應(yīng)用過程中變頻器主要起到軟啟動、軟停機(jī)等功能，降低啟動或者停機(jī)給帶式輸送機(jī)以及供電電網(wǎng)產(chǎn)生的沖擊，未能充分發(fā)揮其節(jié)能降耗功能[6-8]。為此，文中以山西某礦井下鋪設(shè)的帶式輸送機(jī)為工程實(shí)例，對帶式輸送機(jī)運(yùn)行能耗優(yōu)化控制系統(tǒng)展開研究，以期提高礦井煤炭運(yùn)輸效率并降低帶式輸送機(jī)運(yùn)行整體能耗。

1 井下帶式輸送機(jī)運(yùn)行系統(tǒng)概況

山西某礦設(shè)計(jì)產(chǎn)能力為180萬t/a，現(xiàn)階段開采5號煤層，煤層厚度4.2 m，賦存穩(wěn)定，5302綜采工作面為現(xiàn)階段礦井唯一在采工作面。井下原煤運(yùn)輸系統(tǒng)為：5302運(yùn)輸巷帶式輸送機(jī)—5采區(qū)集中運(yùn)輸巷帶式輸送機(jī)—主斜井帶式輸送機(jī)。原煤運(yùn)輸長度共計(jì)為5 980 m，帶式輸送機(jī)總裝機(jī)功率為750 kW。為便于后期管理以及維護(hù)，礦井運(yùn)輸系統(tǒng)沿線帶式輸送機(jī)除去鋪設(shè)長度存在差異外，輸送帶、驅(qū)動電機(jī)等規(guī)格均一致，采用的輸送帶帶強(qiáng)為2.5 kN/m、帶寬為1 200 mm，驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)速為1 480 r/min、功率為250 kW。

礦井帶式輸送機(jī)大都采用恒速運(yùn)輸方式，采用此種方式時(shí)可滿足不同工況下原煤運(yùn)輸需要，但是也存在設(shè)備磨損嚴(yán)重、能耗高等問題。根據(jù)已有研究成果顯示，在輕載或者空載時(shí)適當(dāng)降低帶式輸送機(jī)運(yùn)行速度，既可滿足系統(tǒng)原煤運(yùn)輸?shù)男枰?，也可避免變頻器始終輸出電流頻率較低、發(fā)熱量較大等問題實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)能耗；但是當(dāng)運(yùn)行速度過低時(shí)則會影響原煤運(yùn)輸量并對輸送帶帶強(qiáng)、質(zhì)量等提出更高的要求。因此，理性的帶式輸送機(jī)運(yùn)行控制方式為：根據(jù)帶式輸送機(jī)負(fù)載調(diào)整運(yùn)行速度，當(dāng)處于空載時(shí)帶式輸送機(jī)保持最低運(yùn)輸運(yùn)行；帶式輸送機(jī)運(yùn)行速度與負(fù)載呈對應(yīng)關(guān)系且不應(yīng)隨著負(fù)載變化頻繁調(diào)整運(yùn)輸速度。

2 帶式輸送機(jī)運(yùn)行能耗優(yōu)化控制系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

該礦主斜井、5采區(qū)集中運(yùn)輸巷及采面運(yùn)輸巷內(nèi)的帶式輸送機(jī)均采用變頻器控制，為后續(xù)的運(yùn)行能耗優(yōu)化控制系統(tǒng)的實(shí)施創(chuàng)造良好條件，充分發(fā)揮變頻器速度的調(diào)整功能，可在一定程度上降低帶式輸送機(jī)運(yùn)行能耗。具體策略為，在帶式輸送機(jī)運(yùn)輸系統(tǒng)沿線布置煤流量監(jiān)測傳感器、速度監(jiān)測傳感器，傳感器監(jiān)測結(jié)果傳輸給PLC，PLC依據(jù)監(jiān)測結(jié)果通過變頻器調(diào)整帶式輸送機(jī)運(yùn)行速度，實(shí)現(xiàn)負(fù)載與速度均衡，在滿足運(yùn)輸能力基礎(chǔ)上降低設(shè)備運(yùn)行能耗。運(yùn)行能耗優(yōu)化控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中煤流量、運(yùn)行速度是運(yùn)行能耗優(yōu)化控制系統(tǒng)的重要組成參數(shù)，同時(shí)如何實(shí)現(xiàn)煤流量、速度合理匹配是系統(tǒng)需要重點(diǎn)關(guān)注的問題。

2.2 運(yùn)行能耗優(yōu)化控制系統(tǒng)硬件組成

帶式輸送機(jī)沿線布置有堆煤、撕裂等各類安全監(jiān)測傳感器，將安全監(jiān)測結(jié)果輸入到運(yùn)行能耗優(yōu)化控制系統(tǒng)，不僅可滿足帶式輸送機(jī)節(jié)能降耗需要而且可提高設(shè)備運(yùn)行安全性、可靠性。為此，帶式輸送機(jī)運(yùn)行能耗控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，是在原有結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上增加速度傳感器、煤流監(jiān)測傳感器、電機(jī)功率采集模塊等。將上述傳感器及監(jiān)測模塊的監(jiān)測結(jié)果與信號采集控制器獲取到的堆煤、撕裂、溫度等傳感器的監(jiān)測結(jié)果傳輸給PLC控制器，由PLC控制器判定帶式輸送機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，同時(shí)將速度傳感器、煤流監(jiān)測傳感器、電機(jī)功率采集模塊等采集結(jié)果以及帶式輸送機(jī)運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)等傳輸給上位機(jī)，再由上位機(jī)通過綜合分析向PLC發(fā)出相關(guān)控制指令，通過調(diào)節(jié)變頻器輸出頻率實(shí)現(xiàn)運(yùn)行速度、負(fù)載均衡。具體系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)組成如圖2所示。 運(yùn)行能耗優(yōu)化控制系統(tǒng)使用6SE71變頻器、S7-300PLC、 KTC101信號采集控制器。

圖2 運(yùn)行能耗優(yōu)化控制系統(tǒng)硬件組成圖

2.3 能耗優(yōu)化控制程序

帶式輸送機(jī)能耗優(yōu)化，關(guān)鍵在于實(shí)現(xiàn)帶式輸送機(jī)煤流量(負(fù)載)、速度均衡。在帶式輸送機(jī)運(yùn)行過程中，由于煤流量處于動態(tài)變化狀態(tài)，若依據(jù)煤流量變化動態(tài)調(diào)整運(yùn)輸速度，則變頻器會頻繁地調(diào)整輸出電流頻率，導(dǎo)致驅(qū)動裝置故障發(fā)生率增加，會增加設(shè)備的磨損問題，無法保證帶式輸送機(jī)的平穩(wěn)運(yùn)行，且降耗效果不佳。因此，所采用的能耗優(yōu)化控制成程序，是基于階梯調(diào)速理念構(gòu)建，其具體結(jié)構(gòu)組成如圖3所示。將帶式輸送機(jī)上煤流量劃分為若干區(qū)段，每個(gè)區(qū)段均對應(yīng)一個(gè)運(yùn)行速度，在區(qū)段內(nèi)隨著煤流量變化，帶式輸送機(jī)運(yùn)行速度保持不變，從而避免變頻器頻繁調(diào)整輸出頻率問題。

圖3 運(yùn)行速度調(diào)控流程

能耗優(yōu)化控制系統(tǒng)上位機(jī)控制軟件通過WinCC7.3編制，PLC、上位機(jī)通過以太網(wǎng)通信，通過上位機(jī)顯示界面即可掌握帶式輸送機(jī)運(yùn)行和能耗情況，提高帶式輸送機(jī)運(yùn)行調(diào)整及遠(yuǎn)程監(jiān)控能力。

3 現(xiàn)場應(yīng)用效果分析

3.1 系統(tǒng)運(yùn)行情況

運(yùn)行能耗優(yōu)化控制系統(tǒng)應(yīng)用到帶式輸送機(jī)控制中，并經(jīng)過為期1個(gè)月調(diào)試后，現(xiàn)階段該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了平衡運(yùn)行，可依據(jù)帶式輸送機(jī)煤流量、帶式輸送機(jī)負(fù)載調(diào)整運(yùn)行速度。當(dāng)帶式輸送機(jī)處于重載運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，則保持高速運(yùn)行；當(dāng)處于輕載或者空載狀態(tài)時(shí)，則依據(jù)煤流量對運(yùn)行速度做出調(diào)節(jié)，且運(yùn)行速度最低在2.0 m/s，可滿足系統(tǒng)原煤運(yùn)輸?shù)男枰瑫r(shí)也避免了變頻器始終輸出電流頻率較低、發(fā)熱量較大等問題。上位機(jī)系統(tǒng)可實(shí)時(shí)掌握井下帶式輸送機(jī)運(yùn)行情況。

3.2 能耗統(tǒng)計(jì)結(jié)果

為對比分析帶式輸送機(jī)在原有恒速運(yùn)行模式下與能耗優(yōu)化控制模式下的能耗情況，用一周時(shí)間采集帶式輸送機(jī)原煤運(yùn)輸量、能耗及電費(fèi)投入進(jìn)行對比分析。監(jiān)測數(shù)據(jù)見表1、表2。

表1 恒速運(yùn)行時(shí)能

通過對比表1、表2監(jiān)測結(jié)果看出，在帶式輸送機(jī)處于恒速運(yùn)行模式時(shí)萬噸原煤運(yùn)輸電費(fèi)投入約為23 867元，在運(yùn)行能耗優(yōu)化控制系統(tǒng)控制在萬噸運(yùn)輸電費(fèi)降至20 432元，萬噸運(yùn)輸電費(fèi)投入降低約3 435元，降幅為14.39%，能耗控制取得較好效果。

4 結(jié) 語

1) 現(xiàn)階段礦井帶式輸送機(jī)多采用變頻器實(shí)現(xiàn)軟啟動，未能充分發(fā)揮出節(jié)能降耗功能。為此，在原有帶式輸送機(jī)控制系統(tǒng)基礎(chǔ)上，通過增加速度、煤流量以及功率監(jiān)測傳感器等設(shè)備，實(shí)現(xiàn)帶式輸送機(jī)煤流量、速度監(jiān)測，當(dāng)煤流量較大、帶式輸送機(jī)處于重載時(shí)則保持高速運(yùn)轉(zhuǎn)，若煤流量較小、帶式輸送機(jī)處于輕載或者空載時(shí)，可適當(dāng)降低運(yùn)輸速度，以便實(shí)現(xiàn)煤流量、速度均衡，降低帶式輸送機(jī)運(yùn)行能耗。

2) 以帶式輸送機(jī)運(yùn)輸系統(tǒng)為工程背景，對運(yùn)行能耗優(yōu)化控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成、系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)以及調(diào)速控制流程等進(jìn)行分析，并進(jìn)行工程應(yīng)用。結(jié)果表明，運(yùn)行能耗優(yōu)化控制系統(tǒng)應(yīng)用后，帶式輸送機(jī)電費(fèi)投入減少約3 435元/萬t，綜合電費(fèi)及能耗降幅為14.39%，能耗優(yōu)化控制效果較好。