在“能耗雙控”目標(biāo)下煤炭洗選耗能系統(tǒng)的節(jié)能研究

＊侯麗華 張利云 吳春靈*

（1.鄂爾多斯應(yīng)用技術(shù)學(xué)院 內(nèi)蒙古 017000 2.鄂爾多斯市中鈺泰德煤炭有限公司 內(nèi)蒙古 017000）

引言

煤炭是多種物質(zhì)伴生的不可再生資源，對(duì)其進(jìn)行精選加工是提高煤炭綜合利用程度、降低環(huán)境污染的有效途徑。選煤廠是煤炭經(jīng)開采至地面后進(jìn)行洗選加工的單元，機(jī)械化程度比較高。煤炭洗選是連續(xù)生產(chǎn)方法，主要有原煤輸入、破碎、篩分、重選、浮選、脫水等環(huán)節(jié)，都是緊密的連續(xù)性生產(chǎn)環(huán)節(jié)。作為大宗散粒物料的分選，其連續(xù)流態(tài)化的各個(gè)環(huán)節(jié)都需一定時(shí)間，而每個(gè)環(huán)節(jié)的停頓均會(huì)導(dǎo)致部分煤炭未經(jīng)有效分選直接進(jìn)入精煤產(chǎn)品中。選煤廠用電設(shè)備相對(duì)集中，運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)械大部分都集中在原煤準(zhǔn)備、洗選、濃縮幾個(gè)車間，安裝相對(duì)集中，因此供電和控制都比較方便。目前，我國煤炭洗選過程基本實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制，選煤生產(chǎn)過程各環(huán)節(jié)連續(xù)性、關(guān)聯(lián)性較強(qiáng)，設(shè)備之間的制約關(guān)系明顯，洗選設(shè)備便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)啟停及自動(dòng)化控制[1]。

1.選煤廠供電系統(tǒng)要求

選煤廠電力用戶對(duì)供配電系統(tǒng)的要求主要為供電的可靠性、電能質(zhì)量、供電安全性、供電系統(tǒng)的靈活性和經(jīng)濟(jì)性等方面。

(1)選煤廠供電可靠性要求

選煤廠供電可靠性指要求供電的連續(xù)、不間斷性。我國的電力用戶負(fù)荷劃分為三個(gè)等級(jí)，分別為一級(jí)、二級(jí)、三級(jí)負(fù)荷[2]。

(2)選煤廠供電電能質(zhì)量要求

選煤廠的電能質(zhì)量指標(biāo)有電源電壓U、電壓波形的穩(wěn)定性及電源頻率?。

①電源電壓

供電電壓幅值理想狀態(tài)應(yīng)該為額定值的三相對(duì)稱正弦電壓。而實(shí)際供電網(wǎng)絡(luò)中會(huì)有阻抗、用電負(fù)荷的變化等影響因素，導(dǎo)致用電設(shè)備在實(shí)際工作中的電壓值與額定電壓有一定的偏差，稱為電壓偏差或電壓波動(dòng)。

A.電壓偏差

電壓偏差是實(shí)際電壓U與電壓額定值UN之間的差值[3]，以△V1表示，其表達(dá)式為：

△V1=U-UN

選煤設(shè)備主要傳動(dòng)設(shè)備異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩M與電源實(shí)際電壓U的平方成正比，即M∝U2，可以看出，電壓波動(dòng)會(huì)導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩變化劇烈，從而導(dǎo)致能耗增加、設(shè)備老化，甚至燒毀電動(dòng)機(jī)。

電源電壓的偏差過大，影響電力系統(tǒng)運(yùn)行，對(duì)用電設(shè)備危害較大，而且易導(dǎo)致能耗高。

B.電壓波動(dòng)

在某段時(shí)間，電壓變化劇烈偏離額定值的現(xiàn)象稱為“電壓波動(dòng)”[4]。用以衡量電壓的穩(wěn)定程度。電壓波動(dòng)是某一階段電壓最大值Umax和最小值Umin之間差值，以△V2表示，其表達(dá)式為：

電壓波動(dòng)在國家標(biāo)準(zhǔn)中有相關(guān)規(guī)定[5]，嚴(yán)重的電壓波動(dòng)會(huì)造成選煤電氣設(shè)備不能正常工作，必須保證在規(guī)定范圍內(nèi)。

②電源頻率

我國工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)電流頻率為50Hz，一般用頻率偏差來評(píng)估電源頻率的穩(wěn)定性。以系統(tǒng)實(shí)際頻率?與標(biāo)稱頻率?N之差（△?）表示，即：

對(duì)于洗選相關(guān)交流電動(dòng)機(jī)，其轉(zhuǎn)速n正比于電源頻率?，即n∝?。電源頻率的偏差對(duì)電動(dòng)機(jī)的危害取決于偏差的大小及持續(xù)的時(shí)間。

③電源電壓正弦波及畸變

在正常情況下，按照三相交流發(fā)電機(jī)原理，電源電壓波形應(yīng)是正弦波[6]。但由于電力系統(tǒng)的發(fā)電、輸電、配電、用電等不穩(wěn)定因素，使得實(shí)際的電壓波形呈現(xiàn)不規(guī)律正弦波，這種現(xiàn)象稱為正弦波畸變。供電系統(tǒng)為了提供系統(tǒng)電壓波形為完整正弦波，首先要保證發(fā)電機(jī)發(fā)出符合標(biāo)準(zhǔn)的正弦波電壓，其次在電力輸送、變壓、配電及用電過程中不導(dǎo)致正弦波畸變。

(3)選煤廠供電系統(tǒng)穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性的要求

發(fā)電廠的電能需要用高壓輸電線輸送到用電地區(qū)，經(jīng)降壓及配壓后分配給各用戶。

一般將同一個(gè)區(qū)域的各種發(fā)電廠統(tǒng)籌聯(lián)合起來，組成一個(gè)強(qiáng)大的電力系統(tǒng)，從而可以提高發(fā)電廠的設(shè)備利用率，合理調(diào)配各發(fā)電廠的負(fù)載，以提高電網(wǎng)系統(tǒng)供電的可靠性和經(jīng)濟(jì)性。

2.選煤廠供電系統(tǒng)節(jié)能研究

我國因地域廣闊、輸電距離遠(yuǎn)、供需不平衡等因素，導(dǎo)致電力品質(zhì)不穩(wěn)定、電壓偏差、電壓波動(dòng)、諧波等影響整個(gè)電網(wǎng)，加之用戶端非線性負(fù)荷、波動(dòng)負(fù)荷、非對(duì)稱負(fù)荷的使用造成電力品質(zhì)的優(yōu)劣波動(dòng)，導(dǎo)致功率因數(shù)低，用戶側(cè)電力能效降低，安全隱患出現(xiàn)，同時(shí)也導(dǎo)致用電量上升，增加了用戶的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。

針對(duì)以上電力系統(tǒng)存在的問題及對(duì)選煤廠用電系統(tǒng)的研究，利用電磁平衡式節(jié)電器，以“電磁調(diào)壓、電磁平衡、電磁移相、電磁濾波”4S電磁理論為基礎(chǔ)，遵循由磁控電的理論技術(shù)，抑制電壓偏差和波動(dòng)、消除瞬間高壓、消除諧波、平衡相位角、提高功率因數(shù)。

主要工作原理是通過調(diào)節(jié)變壓器主磁通，使變壓器運(yùn)行能效調(diào)整至高效區(qū)間，向負(fù)載輸送經(jīng)濟(jì)有效電能，減少變壓器和負(fù)載間無效能量交換，降低變壓器和負(fù)載的鐵損、絕緣介質(zhì)損耗、銅耗，以及過飽和磁通引起的電流畸變能耗，使變壓器能效比提高、體積能量密度增高。

(1)電磁平衡技術(shù)原理

在理想情況下，三相電壓的頻率相同、幅值相同、各相電壓向量相差120度，相位差也相同，如圖1A所示。但在三相電壓不平衡時(shí)，則產(chǎn)生負(fù)序電壓和零序電壓分量，如圖1B所示。

圖1 三相電壓不平衡原理圖

對(duì)比圖1A和圖1B，從圖1B三相不平衡電壓圖可以看出，其幅值不同，按向量圖解法可得出負(fù)序分量電壓UB2、UC2及UA0，這幾個(gè)向量均是反方向的序量，可使電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生反向旋轉(zhuǎn)制動(dòng)力矩，如果要克服它并且按正方向保持原速度，就要額外的增加相對(duì)于一倍負(fù)序分量的正序能量才能保持原速度，如果U負(fù)序＝1.5%U正序，則功率要增加△P=U2/R=（1.5%）2P正序。由于電壓的不平衡導(dǎo)致電壓和電流負(fù)序分量，使電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生振動(dòng)力矩和線圈漏磁通損耗。

利用低漏感鐵心變壓器技術(shù)，對(duì)變壓器主磁通進(jìn)行控制和調(diào)節(jié)，附加一個(gè)調(diào)節(jié)繞組，調(diào)節(jié)電動(dòng)勢(shì)，電壓對(duì)稱補(bǔ)償，使得電源變壓器具有理想變壓器的電能輸變特性。通過附加電壓進(jìn)行磁通矢量調(diào)節(jié)，改善變壓器三相電壓的不平衡度。

(2)選煤廠電能控制方法研究

在實(shí)際選煤廠生產(chǎn)過程中，因洗選負(fù)荷變化、煤質(zhì)變化、設(shè)備狀況、現(xiàn)場(chǎng)管理好壞等影響因素，總的電能消耗變化較大[6]。目前，在國家“雙碳”“能耗雙控”政策要求下，選煤廠都在尋求更加有效地使用電能。

在選煤廠主變壓器安裝節(jié)電器，通過附加電壓進(jìn)行磁通矢量調(diào)節(jié)，改善變壓器三相電壓的不平衡度。通過諧振技術(shù)方式調(diào)制附加電壓，抑制和消除輸入側(cè)和輸出側(cè)的諧波電壓。

節(jié)電器將變壓器和負(fù)載等效電路構(gòu)建成物理量模型，將各個(gè)物理關(guān)系式進(jìn)行離散化處理，通過運(yùn)算輸出調(diào)制電壓，調(diào)節(jié)主磁通。負(fù)載側(cè)電量發(fā)生變化時(shí)，節(jié)電器會(huì)以不同的調(diào)制電壓控制變壓器主磁通，使變壓器和負(fù)載運(yùn)行在高效能區(qū)間。

在鄂爾多斯某煤礦選煤廠應(yīng)用節(jié)電技術(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)后，由于對(duì)主磁通進(jìn)行了優(yōu)化控制，使變壓器損耗降低。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下：

由以上圖2對(duì)比可以看出，通過對(duì)1#變壓器的節(jié)電改造，消減諧波電壓、消減電壓不平衡度，改造后輸出電壓降低至額定電壓值附近，且電壓更加平穩(wěn)。

圖2 選煤廠改造實(shí)驗(yàn)后1#變壓器輸出電壓情況

從圖2可以看出將用電設(shè)備的運(yùn)行電壓從U1調(diào)到U2時(shí)，按公式P＝U2/R可得，純電阻的照明、電熱負(fù)荷的節(jié)電率為：

取15:00對(duì)應(yīng)數(shù)值：U1為409V，U2為384V，帶入計(jì)算節(jié)電率為：

取7:00對(duì)應(yīng)數(shù)值：U1為410V，U2為381V，帶入計(jì)算節(jié)電率為：

通過對(duì)比和計(jì)算，可以看出，通過對(duì)1#變壓器的節(jié)電改造可實(shí)現(xiàn)負(fù)載節(jié)能。

對(duì)于負(fù)載節(jié)能研究，對(duì)1#變壓器改造前后進(jìn)行了24h連續(xù)觀察，測(cè)量數(shù)據(jù)，測(cè)繪出選煤廠1#變壓器相關(guān)負(fù)載設(shè)備有功功率消耗曲線，如下圖所示。

對(duì)比分析圖3、圖4有功功率消耗情況，可知，應(yīng)用節(jié)電器后，改善了系統(tǒng)功率因數(shù)、降低了諧波回路阻抗降低負(fù)載的介質(zhì)損耗有功功率有所降低，節(jié)約了電能約10%左右。

圖3 選煤廠1#變壓器改造實(shí)驗(yàn)前有功功率消耗情況

圖4 選煤廠1#變壓器改造實(shí)驗(yàn)后有功功率消耗情況

根據(jù)該洗煤廠1#變壓器有功功率的降低情況，可以計(jì)算：

改造前1#變壓器平均有功功率=98kW。

改造后1#變壓器平均有功功率=88kW。

該洗煤廠1#變壓器相關(guān)負(fù)載年節(jié)約電能為：

（98-88）kW×6600h（年運(yùn)行時(shí)間）=66000kW·h

電費(fèi)平均按0.42元/kW·h計(jì)，通過節(jié)能改造，年經(jīng)濟(jì)效益為：

66000kW·h×0.42元=27720元。

而據(jù)了解，800萬噸/年生產(chǎn)規(guī)模的煤炭洗選廠，在正常生產(chǎn)期間，全部運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備總有效功率約為6500kW，如果全部實(shí)現(xiàn)該項(xiàng)節(jié)電技術(shù)，年經(jīng)濟(jì)效益可達(dá)183萬元。

3.結(jié)語

在“雙碳”“能耗雙控”目標(biāo)及背景下，我國各個(gè)行業(yè)都在制定“碳中和”“碳達(dá)峰”路線圖。我國的煤炭洗選企業(yè)也在探索各種節(jié)能、降耗措施。在過去，選煤企業(yè)著力點(diǎn)主要在生產(chǎn)環(huán)節(jié)的控制，比如有洗選工藝技術(shù)的革新、洗選設(shè)備的大型化及改進(jìn)、大型儲(chǔ)備倉及模塊的推廣、智能化控制等等，但是對(duì)于節(jié)電技術(shù)的研究并未得到廣泛的實(shí)驗(yàn)和應(yīng)用。本文以鄂爾多斯地區(qū)某選煤廠應(yīng)用節(jié)電技術(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，對(duì)選煤廠主變壓器安裝節(jié)電器，通過改善變壓器三相電壓的不平衡度，保障供給洗選負(fù)載穩(wěn)定電壓，實(shí)現(xiàn)約10%的節(jié)電率，亦可為煤炭洗選企業(yè)創(chuàng)造一定的經(jīng)濟(jì)效益，達(dá)到節(jié)能、環(huán)保、增效作用。