煤礦運(yùn)輸系統(tǒng)順煤流啟動(dòng)節(jié)能技術(shù)研究

劉玉軍

（山西華陽(yáng)集團(tuán)新能股份有限公司新景礦， 山西 陽(yáng)泉 045000）

引言

帶式輸送機(jī)為綜采工作面的主要運(yùn)輸設(shè)備，其承擔(dān)著煤炭、矸石等物料的運(yùn)輸任務(wù)。隨著工作面生產(chǎn)能力的增加，帶式輸送機(jī)朝著長(zhǎng)距離、大功率和高運(yùn)速的方向發(fā)展，設(shè)備耗能也相應(yīng)增加。通過(guò)對(duì)帶式輸送機(jī)進(jìn)行變頻啟動(dòng)設(shè)計(jì)改造，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)帶式輸送機(jī)在滿足實(shí)際運(yùn)輸需求的基礎(chǔ)上減少電能消耗。目前，帶式輸送機(jī)主要采用逆煤流方式對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行依次啟動(dòng)，帶式輸送機(jī)為首要啟動(dòng)設(shè)備[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，待所有設(shè)備完全啟動(dòng)并開(kāi)始運(yùn)行后，帶式輸送機(jī)已經(jīng)空載運(yùn)行20 min，造成電能的嚴(yán)重?fù)p耗。另外，帶式輸送機(jī)多電機(jī)功率不平衡也會(huì)影響正常運(yùn)行。因此，本文針對(duì)性提出對(duì)煤礦運(yùn)輸系統(tǒng)采取順煤流節(jié)能啟動(dòng)方式和多電機(jī)功率平衡設(shè)計(jì)。

1 多電機(jī)帶式輸送機(jī)的功率平衡設(shè)計(jì)

為了適應(yīng)工作面大運(yùn)量、高運(yùn)速的運(yùn)輸需求，傳統(tǒng)單電機(jī)驅(qū)動(dòng)的帶式輸送機(jī)已經(jīng)不能夠滿足實(shí)際生產(chǎn)需求，目前工作面主要采用多電機(jī)帶式輸送機(jī)。多電機(jī)帶式輸送機(jī)盡管在設(shè)計(jì)初期各參數(shù)設(shè)置均能滿足實(shí)際生產(chǎn)需求，但是，由于裝置的制造和安裝會(huì)導(dǎo)致各項(xiàng)參數(shù)出現(xiàn)誤差，進(jìn)而導(dǎo)致電機(jī)功率不平衡的問(wèn)題出現(xiàn)[2]。為解決多電機(jī)帶式輸送機(jī)功率不平衡的問(wèn)題，目前可采用的方式包括有轉(zhuǎn)矩—轉(zhuǎn)速控制法、電流控制功率平衡法以及電流—轉(zhuǎn)速多機(jī)功率平衡法等。

由于轉(zhuǎn)矩- 轉(zhuǎn)速控制法中涉及的轉(zhuǎn)矩檢測(cè)裝置無(wú)法適用于綜采工作面，電流控制功率平衡法無(wú)法對(duì)大功率電機(jī)進(jìn)行功率平衡控制，因此，本工程基于電流- 轉(zhuǎn)速多機(jī)功率平衡法，實(shí)現(xiàn)對(duì)帶式輸送機(jī)功率平衡的控制。

帶式輸送機(jī)采用三電機(jī)驅(qū)動(dòng)，電機(jī)額定功率為250 kW，額定轉(zhuǎn)速為1480 r/min。對(duì)液力耦合驅(qū)動(dòng)裝置的功率平衡控制器設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)三電機(jī)驅(qū)動(dòng)的功率平衡是減少電機(jī)損耗的主要措施之一[3]。

結(jié)合帶式輸送機(jī)的基本結(jié)構(gòu)，多電機(jī)功率平衡控制的主要對(duì)象為調(diào)速型液力耦合驅(qū)動(dòng)裝置或變頻驅(qū)動(dòng)裝置。

當(dāng)控制對(duì)象為調(diào)速型液力耦合驅(qū)動(dòng)裝置時(shí)，電機(jī)與液力耦合裝置的輸出一致。一般情況下，三電機(jī)驅(qū)動(dòng)的帶式輸送機(jī)電機(jī)的功率分配為1∶1∶1，對(duì)應(yīng)的功率平衡模塊控制器結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 液力耦合調(diào)速驅(qū)動(dòng)裝置功率平衡控制器

2 帶式輸送機(jī)順煤流節(jié)能控制設(shè)計(jì)

對(duì)帶式輸送機(jī)的順煤流啟動(dòng)方式進(jìn)行設(shè)計(jì)，減少帶式輸送機(jī)的空轉(zhuǎn)時(shí)間，減少不必要的能耗。本工程所研究帶式輸送機(jī)的具體參數(shù)，如下頁(yè)表1 所示。

表1 帶式輸送機(jī)主要參數(shù)

2.1 現(xiàn)狀分析

以新景礦為例，工作面運(yùn)輸系統(tǒng)采用逆煤流方式進(jìn)行啟動(dòng)，即首先對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的各級(jí)帶式輸送機(jī)依次啟動(dòng)，最后啟動(dòng)給煤機(jī)[4]。該啟動(dòng)方式的優(yōu)勢(shì)在于保證煤炭到達(dá)系統(tǒng)時(shí)各級(jí)設(shè)備已經(jīng)開(kāi)啟運(yùn)行，不會(huì)出現(xiàn)堆煤、堵煤的問(wèn)題。但是，實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，逆煤流啟動(dòng)方式存在如下缺點(diǎn)：

1）現(xiàn)場(chǎng)共配有三級(jí)帶式輸送機(jī)，待給煤機(jī)完全啟動(dòng)后，各級(jí)帶式輸送機(jī)空轉(zhuǎn)時(shí)間分別為16 min、9 min和4 min，從很大程度上增加了無(wú)謂的損耗。

2）傳統(tǒng)逆煤流啟動(dòng)方式在設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)并不能夠完成自主停機(jī)，從而導(dǎo)致堆煤現(xiàn)象出現(xiàn)，影響運(yùn)輸?shù)陌踩浴?/p>

2.2 順煤流啟動(dòng)技術(shù)研究

為解決逆煤流啟動(dòng)所帶來(lái)的設(shè)備空轉(zhuǎn)導(dǎo)致的電能浪費(fèi)，采用順煤流啟動(dòng)方式，具體啟動(dòng)順序如圖2所示。

圖2 順煤流啟動(dòng)順序圖

由圖2 可知，所謂的順煤流啟動(dòng)為從離給煤機(jī)最近的帶式輸送機(jī)開(kāi)始啟動(dòng)。但是順煤流啟動(dòng)方式容易造成堆煤事故的發(fā)生。為避免因順煤流啟動(dòng)而導(dǎo)致的堆煤事故發(fā)生，在每條帶式輸送機(jī)機(jī)尾滾筒處安裝煤流傳感器，檢測(cè)是否有原煤流過(guò)帶式輸送機(jī)。

順煤流啟動(dòng)還有一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題為：1 號(hào)帶式輸送啟動(dòng)后，間隔t 時(shí)間啟動(dòng)2 號(hào)帶式輸送機(jī)，以此類推。在控制策略中，對(duì)t 時(shí)間的確定與1 號(hào)帶式輸送機(jī)的長(zhǎng)度、運(yùn)輸速度以及2 號(hào)帶式輸送機(jī)完全啟動(dòng)所需時(shí)間相關(guān)。參數(shù)t 的確定如式（1）所示：

式中：L 為前一階段帶式輸送機(jī)的長(zhǎng)度；v 為前一階段帶式輸送機(jī)的運(yùn)行速度；ti為本階段帶式輸送機(jī)完全啟動(dòng)所需的時(shí)間。

對(duì)應(yīng)的帶式輸送機(jī)停機(jī)也采用順煤流方式控制，要求帶式輸送機(jī)停機(jī)后輸送帶上不堆煤，從而保證在下一階段啟動(dòng)后能夠?qū)崿F(xiàn)空載啟動(dòng)。同樣，順煤流停機(jī)對(duì)應(yīng)2 號(hào)帶式輸送機(jī)在L/v 時(shí)間后開(kāi)始停機(jī)。

同時(shí)，為了避免順煤流啟動(dòng)方式或停機(jī)方式引起的故障，在控制策略中必須加入有效的保護(hù)措施，通過(guò)最大程度地自動(dòng)識(shí)別故障，以保證帶式輸送機(jī)的安全[5]。順煤流控制流程如圖3 所示。

圖3 順煤流控制PLC 流程圖

2.3 節(jié)能效果分析

從經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益兩個(gè)方面驗(yàn)證采用基于PLC 的順煤流控制方式的節(jié)能效果。

2.3.1 經(jīng)濟(jì)效益

實(shí)踐表明，系統(tǒng)采用基于PLC 的順煤流啟動(dòng)方式，對(duì)應(yīng)的帶式輸送機(jī)每天平均空載時(shí)間降低0.5 h，則對(duì)應(yīng)的一條帶式輸送機(jī)所節(jié)約的電能為：0.5 h×300 d×250 kW×3 臺(tái)電機(jī)=112500 kW·h。

工業(yè)用電按照1 元/kW·h 計(jì)算，每條帶式輸送機(jī)采用順煤流啟動(dòng)方式每年可節(jié)約電費(fèi)為11.25 萬(wàn)元。

采用PLC 為主的自動(dòng)化控制方式，很大程度上減小了現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度?，F(xiàn)場(chǎng)工作面所配置工作人員的數(shù)量可減少9 人，每位作業(yè)人員的基本工資按照3.6 萬(wàn)元/年計(jì)算，直接節(jié)省的人員成本為3.6萬(wàn)元/年×9 人=32.4 萬(wàn)元。

2.3.2 社會(huì)效益

采用基于PLC 的順煤流控制方式對(duì)帶式輸送機(jī)的啟動(dòng)和停機(jī)進(jìn)行控制，在節(jié)省人員成本的同時(shí)也降低了作業(yè)人員在現(xiàn)場(chǎng)的安全隱患，減少了設(shè)備的故障發(fā)生率，從而保證現(xiàn)場(chǎng)的運(yùn)輸任務(wù)順利完成。同時(shí)，新設(shè)計(jì)的順煤流控制方式是集計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)和監(jiān)控技術(shù)為一體的綜合控制技術(shù)，具有高可靠性、操作簡(jiǎn)單的優(yōu)勢(shì)。

3 結(jié)論

帶式輸送機(jī)作為綜采工作面的關(guān)鍵運(yùn)輸設(shè)備，在工作面生產(chǎn)能力顯著提升的同時(shí)對(duì)帶式輸送機(jī)的運(yùn)輸能力也提出更高的要求。帶式輸送機(jī)為工作面的主要耗能設(shè)備之一，為進(jìn)一步降低帶式輸送機(jī)的能耗，節(jié)約工作面生產(chǎn)成本，本文從實(shí)現(xiàn)帶式輸送機(jī)的電機(jī)功率平衡控制和順煤流啟動(dòng)控制兩個(gè)方面進(jìn)行分析，并重點(diǎn)對(duì)順煤流啟動(dòng)控制方式進(jìn)行研究，得出如下結(jié)論：

1）基于順煤流控制方式，每條帶式輸送機(jī)每年可節(jié)約電費(fèi)約11.25 萬(wàn)元，可直接節(jié)省的人員成本費(fèi)用為32.4 萬(wàn)元。

2）基于順煤流控制方式，可直接減少設(shè)備的故障發(fā)生率，提升現(xiàn)場(chǎng)的運(yùn)輸效率，具有顯著的社會(huì)效益。