長距離帶式輸送機(jī)節(jié)能優(yōu)化研究

楊 雪

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)四臺礦機(jī)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(jìn)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(jī)作為煤炭開采行業(yè)的一種主要運(yùn)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(jī)的運(yùn)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(jī)在運(yùn)輸貨物的過程中出現(xiàn)低負(fù)荷甚至空載運(yùn)行的狀況，大大浪費(fèi)了帶式輸送機(jī)運(yùn)行能源，降低了設(shè)備電能使用效率，提升了企業(yè)運(yùn)行成本[1-5]。針對這一問題，本文擬通過對帶式輸送機(jī)啟動過程與速度調(diào)節(jié)功能兩方面對帶式輸送機(jī)進(jìn)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(jī)能耗原因分析

長距離帶式輸送機(jī)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(jī)的驅(qū)動設(shè)備是由多臺交流變頻電動機(jī)組成的，在實際生產(chǎn)過程中，多臺交流變頻電動機(jī)運(yùn)行會產(chǎn)生功率不均衡的現(xiàn)象，這導(dǎo)致帶式輸送機(jī)的電機(jī)負(fù)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(yán)重者會使電機(jī)磨損，造成電機(jī)燒毀現(xiàn)象。電機(jī)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(jī)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(jī)制，可在時間要求范圍之內(nèi)對不均衡現(xiàn)象進(jìn)行處理，保證帶式輸送機(jī)的有效運(yùn)行。

圖1 帶式輸送機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

長距離帶式輸送機(jī)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(jī)一般采用恒速運(yùn)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(jī)會有較多情況處于空載或低載荷運(yùn)行狀態(tài)，造成電能浪費(fèi)，增加企業(yè)成本。

2 帶式輸送機(jī)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(jī)控制為主，從機(jī)進(jìn)行配合，以實現(xiàn)驅(qū)動同步；并行控制為將電機(jī)參數(shù)統(tǒng)一設(shè)置，統(tǒng)一給定運(yùn)行。并行控制抗干擾能力不強(qiáng)，主從控制同步性較弱，均無法完美解決功率不平衡問題?；谏鲜霈F(xiàn)象，本文提出了耦合補(bǔ)償?shù)姆椒▽﹄姍C(jī)進(jìn)行功率平衡控制，通過測定各個電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)時的參數(shù)，依據(jù)參數(shù)的變化量進(jìn)行差異性分析并進(jìn)行相應(yīng)補(bǔ)償。該方法既可解決電機(jī)之間的運(yùn)行誤差，又可使電機(jī)轉(zhuǎn)速精確達(dá)到設(shè)定值，減少運(yùn)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(jī)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(jī)進(jìn)行電流與轉(zhuǎn)速分析，得出電機(jī)工作狀態(tài)結(jié)果。假設(shè)圖2 中兩臺發(fā)電機(jī)一臺為電動狀態(tài)，另外一臺為發(fā)電狀態(tài)。將兩臺的負(fù)載率進(jìn)行比較，當(dāng)負(fù)載率較大的電機(jī)為電動電機(jī)時，表明電動電機(jī)處于負(fù)載狀態(tài)，電機(jī)需對輸送機(jī)提供正牽引力，增大發(fā)電電機(jī)功率，提供負(fù)載；當(dāng)負(fù)載率較大的電機(jī)為發(fā)電電機(jī)時，表明發(fā)電電機(jī)處于負(fù)載狀態(tài)，這時應(yīng)減少功率輸出，使電動電機(jī)進(jìn)入發(fā)電狀態(tài)。

3 帶式輸送機(jī)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(jī)恒速運(yùn)行的弊端，本文提出運(yùn)用變頻調(diào)速技術(shù)對帶式輸送機(jī)進(jìn)行節(jié)能改造。對電動機(jī)進(jìn)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(jī)進(jìn)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(jìn)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(jī)傳輸，以實現(xiàn)上位機(jī)對帶式輸送機(jī)的精準(zhǔn)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(jī)是恒轉(zhuǎn)矩負(fù)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)啟動功率平衡控制優(yōu)化方案無論處于靜負(fù)載還是動負(fù)載狀態(tài)下，無論電機(jī)參數(shù)是否相同，輸出轉(zhuǎn)矩都可按照比例進(jìn)行分配，未出現(xiàn)欠載或者過載現(xiàn)象，解決了帶式輸送機(jī)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(jī)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(jī)因其啟動功率不平衡及帶式輸送機(jī)常處于空載或低負(fù)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(jìn)行了針對性節(jié)能分析，運(yùn)用耦合補(bǔ)償與變頻調(diào)速的方法對其進(jìn)行了節(jié)能優(yōu)化設(shè)計，并得出了以下結(jié)論：

1）耦合補(bǔ)償方法可有效解決長距離帶式輸送機(jī)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(jī)啟動功率平衡控制優(yōu)化方案與輸送機(jī)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(dá)到了節(jié)能改造的目的。