節(jié)能技術(shù)在皮帶輸送機(jī)中的應(yīng)用研究

喬小娟

（西山煤電斜溝礦，山西 呂梁 033602）

引言

皮帶輸送機(jī)承擔(dān)著井下原煤輸送的重要任務(wù)，是煤層正常開采的重要生產(chǎn)設(shè)備[1]。在傳統(tǒng)的皮帶輸送機(jī)使用過程中，利用工業(yè)50 Hz 恒頻交流電驅(qū)動(dòng)皮帶輸送機(jī)的運(yùn)行，利用人工控制皮帶輸送機(jī)的運(yùn)行參數(shù)，供電網(wǎng)絡(luò)提供頻率恒定不變的驅(qū)動(dòng)電流[2]，當(dāng)皮帶輸送機(jī)在較低負(fù)載或空載條件下運(yùn)行時(shí)，供電網(wǎng)絡(luò)不能根據(jù)設(shè)備實(shí)際運(yùn)行工況調(diào)整輸出電流的頻率，部分電能在使用過程中做無用功，并以熱能的形式逸散，造成能源損耗，難以滿足井下皮帶輸送機(jī)節(jié)能高效作業(yè)的要求。利用變頻技術(shù)對井下皮帶輸送機(jī)的驅(qū)動(dòng)電流進(jìn)行變頻控制，根據(jù)設(shè)備負(fù)載變化實(shí)時(shí)調(diào)整供電網(wǎng)絡(luò)輸出電流的頻率，提高驅(qū)動(dòng)電流的工作效率，從而減少皮帶輸送機(jī)運(yùn)輸系統(tǒng)的能源損耗，經(jīng)實(shí)踐應(yīng)用表明，變頻節(jié)能技術(shù)能明顯降低皮帶輸送機(jī)的能耗，具有一定的使用意義[3]。

1 皮帶輸送機(jī)的工作特點(diǎn)

1.1 皮帶輸送機(jī)的受力特點(diǎn)

井下煤礦開采時(shí)通常采用多機(jī)串聯(lián)的方式把工作面開采的原煤沿井下工作面-綜采工作面運(yùn)輸巷-軌道大巷-主井的運(yùn)輸路線運(yùn)至地表進(jìn)行下一步洗選，皮帶輸送機(jī)沿巷道布置，存在一定的傾斜角度，在原煤的運(yùn)輸過程中，皮帶輸送機(jī)主要克服原煤重力，原煤重力沿皮帶輸送機(jī)切向方向的分力與皮帶上原煤的質(zhì)量有關(guān)，兩者成正比例關(guān)系。

1.2 皮帶輸送機(jī)能耗

皮帶輸送機(jī)的能耗與負(fù)載率密切相關(guān)，負(fù)載率越大，皮帶輸送機(jī)的能耗越小，兩者的關(guān)系見圖1，圖1 中K 表示皮帶輸送機(jī)負(fù)載值與最大負(fù)載值的比值，即：

圖1 皮帶輸送機(jī)能耗E 與負(fù)載率K 之間的關(guān)系

式中：K 為負(fù)載率；Ki為皮帶輸送機(jī)的實(shí)時(shí)輸送的原煤質(zhì)量，kg；Kmax為皮帶輸送機(jī)輸送原煤質(zhì)量的最大設(shè)計(jì)值，kg。皮帶輸送機(jī)的能耗E 與負(fù)載率K 成反比例關(guān)系，隨著負(fù)載率的增加，能耗E 逐漸減少。當(dāng)負(fù)載率K 在0～0.3 范圍內(nèi)變化時(shí)，隨著負(fù)載率的增加，能耗E快速降低至0.25 kW 左右，當(dāng)負(fù)載率K 在0.3～1 范圍內(nèi)變化時(shí)，隨著負(fù)載率的增加，能耗E 緩慢降低至0.15 kW 左右，最終趨于穩(wěn)定。因此，當(dāng)負(fù)載率在0～0.3 范圍內(nèi)變化時(shí)，皮帶輸送機(jī)處于空載或低載荷狀態(tài)，此時(shí)能耗值E 較高，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輸出功率大部分做了無用功，不符合設(shè)備高效運(yùn)行要求。

2 變頻技術(shù)原理

變頻技術(shù)的原理是利用變頻器把工業(yè)恒頻交流電轉(zhuǎn)換為頻率可控的交流電，根據(jù)機(jī)械設(shè)備運(yùn)行的負(fù)載情況，動(dòng)態(tài)調(diào)整供電網(wǎng)絡(luò)輸出電流的頻率，當(dāng)設(shè)備負(fù)載較大時(shí)，控制系統(tǒng)控制變頻器提高輸出電流的頻率；當(dāng)設(shè)備負(fù)載較小時(shí)，控制系統(tǒng)控制變頻器降低輸出電流的頻率，從而使設(shè)備節(jié)能高效運(yùn)行，避免能源的浪費(fèi)。變頻技術(shù)機(jī)理簡圖見下頁圖2。

如圖2 所示，從供電網(wǎng)絡(luò)輸出的50 Hz 工業(yè)恒頻交流電在整流設(shè)備作用下，變?yōu)?0 Hz 恒頻直流電輸送給變頻設(shè)備，變頻設(shè)備將整流設(shè)備輸送的50 Hz 恒頻直流電轉(zhuǎn)換為頻率可控的交流電輸送給電動(dòng)機(jī)，驅(qū)動(dòng)機(jī)械設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)。整流設(shè)備的作用是把供電網(wǎng)路輸出的交流電轉(zhuǎn)換為直流電，變頻設(shè)備的作用是把整流設(shè)備輸出的恒頻直流電轉(zhuǎn)換為頻率可控的交流電，在完成交-直-交轉(zhuǎn)變的過程中，實(shí)現(xiàn)對輸出電流頻率的調(diào)節(jié)控制。

圖2 變頻技術(shù)機(jī)理簡圖

3 節(jié)能系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 皮帶輸送機(jī)節(jié)能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)的皮帶輸送機(jī)控制過程中，使用50 Hz 恒頻交流電驅(qū)動(dòng)設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)，當(dāng)皮帶輸送機(jī)負(fù)荷較低或空載時(shí)，驅(qū)動(dòng)電流不能根據(jù)設(shè)備負(fù)載情況調(diào)整輸入電流頻率，造成能源的浪費(fèi)。把節(jié)能系統(tǒng)植入到皮帶輸送機(jī)運(yùn)行系統(tǒng)中，利用變頻技術(shù)動(dòng)態(tài)控制皮帶輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)電流頻率，當(dāng)皮帶輸送機(jī)空載或負(fù)載較低時(shí)，及時(shí)控制變頻器降低輸出電流頻率。把變頻技術(shù)植入皮帶輸送機(jī)運(yùn)行系統(tǒng)后的結(jié)構(gòu)見圖3。

圖3 皮帶輸送機(jī)節(jié)能系統(tǒng)

如圖3 所示，圖中1 區(qū)為變頻控制系統(tǒng)，2 區(qū)為皮帶輸送機(jī)系統(tǒng)，A 為驅(qū)動(dòng)電機(jī)，B 為皮帶。2 區(qū)內(nèi)的監(jiān)測設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)測皮帶輸送機(jī)的承載率，并將監(jiān)測數(shù)據(jù)反饋給控制系統(tǒng)，經(jīng)控制系統(tǒng)分析判斷后，輸出控制信號(hào)控制1 區(qū)變頻系統(tǒng)輸出的驅(qū)動(dòng)電流頻率，動(dòng)態(tài)調(diào)整驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速。當(dāng)皮帶輸送機(jī)負(fù)載較小或空載時(shí)，控制系統(tǒng)控制變頻系統(tǒng)降低驅(qū)動(dòng)電流的頻率，使皮帶輸送機(jī)節(jié)能高效運(yùn)行。

3.2 節(jié)能系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)

在節(jié)能系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，根據(jù)皮帶輸送機(jī)的設(shè)備運(yùn)行特點(diǎn)，選定合理的單位時(shí)間原煤運(yùn)輸量區(qū)間，并明確與原煤運(yùn)輸量區(qū)間相對應(yīng)的皮帶運(yùn)行速度。根據(jù)監(jiān)測到的單位時(shí)間原煤運(yùn)輸量，控制變頻系統(tǒng)實(shí)時(shí)調(diào)整供電網(wǎng)絡(luò)輸出電流的頻率，動(dòng)態(tài)控制皮帶運(yùn)輸機(jī)運(yùn)行速度，減少能耗。皮帶輸送機(jī)運(yùn)行速度與電動(dòng)機(jī)功率一一對應(yīng)，在確定皮帶輸送機(jī)運(yùn)行速度后，可查表獲得電動(dòng)機(jī)功率，井下單位時(shí)間內(nèi)原煤運(yùn)輸量與皮帶輸送機(jī)運(yùn)行速度之間的控制關(guān)系如表1 所示，當(dāng)井下監(jiān)測設(shè)備監(jiān)測到皮帶輸送機(jī)單位時(shí)間內(nèi)原煤運(yùn)輸量小于等于Q1時(shí)，控制系統(tǒng)控制變頻器實(shí)時(shí)調(diào)整輸出電流的頻率，使皮帶輸送機(jī)在驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)下以速度V1恒速運(yùn)行，當(dāng)井下監(jiān)測設(shè)備監(jiān)測到皮帶輸送機(jī)單位時(shí)間內(nèi)原煤運(yùn)輸量在Q1～Q2區(qū)間時(shí)，控制系統(tǒng)控制變頻器實(shí)時(shí)調(diào)整輸出電流的頻率，使皮帶輸送機(jī)在驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)下以速度V2恒速運(yùn)行。皮帶輸送機(jī)運(yùn)行過程中，單位時(shí)間內(nèi)的原煤運(yùn)輸量與皮帶輸送機(jī)的運(yùn)行速度成正比，隨著負(fù)載量的增大，皮帶輸送機(jī)的運(yùn)行速度逐漸增大。皮帶輸送機(jī)的運(yùn)行速度與驅(qū)動(dòng)電機(jī)的功率相對應(yīng)，當(dāng)明確了皮帶輸送機(jī)的運(yùn)行速度后查表獲得電動(dòng)機(jī)功率。

表1 單位時(shí)間內(nèi)原煤運(yùn)輸量與皮帶輸送機(jī)運(yùn)行速度關(guān)系

4 節(jié)能系統(tǒng)應(yīng)用

某礦綜采工作面采用4 臺(tái)DSJ80 型皮帶輸送機(jī)串聯(lián)方式運(yùn)輸原煤，皮帶輸送系統(tǒng)功率為6×1 200 kW，每天額定工作時(shí)間為19 h。利用變頻技術(shù)對皮帶輸送系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能優(yōu)化，在4 臺(tái)串聯(lián)的DSJ80 型皮帶輸送機(jī)尾端布置監(jiān)測設(shè)備，實(shí)時(shí)監(jiān)測井下皮帶輸送機(jī)單位時(shí)間內(nèi)的原煤運(yùn)輸量，根據(jù)井下的生產(chǎn)工況和皮帶輸送機(jī)的設(shè)備特點(diǎn)，確定單位時(shí)間內(nèi)的原煤運(yùn)輸量與皮帶輸送機(jī)運(yùn)行速度之間的關(guān)系如表2 所示。

表2 綜采工作面單位時(shí)間內(nèi)原煤運(yùn)輸量與皮帶輸送機(jī)運(yùn)行速度關(guān)系

由表2 可知，當(dāng)井下監(jiān)測設(shè)備監(jiān)測到皮帶輸送機(jī)單位時(shí)間內(nèi)原煤運(yùn)輸量小于等于2 400 t/h 時(shí)，控制系統(tǒng)控制變頻器實(shí)時(shí)調(diào)整輸出電流的頻率，使皮帶輸送機(jī)在驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)下以速度1.7 m/s 恒速運(yùn)行；當(dāng)井下監(jiān)測設(shè)備監(jiān)測到皮帶輸送機(jī)單位時(shí)間內(nèi)原煤運(yùn)輸量在2 400～2 900 t/h、2 900～3 400 t/h、3 400～3 900 t/h、3 900～4 400 t/h、4 400～4 900 t/h 時(shí)，控制系統(tǒng)控制變頻器實(shí)時(shí)調(diào)整輸出電流的頻率，使皮帶輸送機(jī)在驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)下以相應(yīng)的速度2.2 m/s、2.7 m/s、3.3 m/s、3.7 m/s、4.1 m/s 恒速運(yùn)行。實(shí)現(xiàn)對井下皮帶輸送機(jī)運(yùn)輸量的實(shí)時(shí)監(jiān)控，并動(dòng)態(tài)調(diào)整皮帶輸送機(jī)的運(yùn)行速度，降低皮帶輸送機(jī)空載或以低載荷運(yùn)行時(shí)的能耗。

利用變頻技術(shù)對該礦綜采工作面采用4 臺(tái)DSJ80 型皮帶輸送機(jī)進(jìn)行節(jié)能改造后，井下皮帶輸送機(jī)系統(tǒng)的能耗降低了15%，取得較大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。實(shí)踐表明，在皮帶輸送機(jī)系統(tǒng)內(nèi)植入變頻節(jié)能系統(tǒng)，能實(shí)現(xiàn)對井下皮帶輸送機(jī)運(yùn)輸量的實(shí)時(shí)監(jiān)控，并動(dòng)態(tài)調(diào)整皮帶輸送機(jī)的運(yùn)行速度，降低皮帶輸送機(jī)空載或以低載荷運(yùn)行時(shí)的能耗，具有一定的使用價(jià)值。

5 結(jié)論

1）利用靜力學(xué)原理分析了皮帶輸送機(jī)的作用機(jī)理，統(tǒng)計(jì)分析了皮帶輸送機(jī)負(fù)載率K 和能耗E 之間的關(guān)系，當(dāng)負(fù)載率K 在0～0.3 范圍內(nèi)變化時(shí)，能耗E 快速降低至0.25 kW 左右；當(dāng)負(fù)載率K 在0.3～1 范圍內(nèi)變化時(shí)，能耗E 緩慢降低至0.15 kW 左右，最終趨于穩(wěn)定。

2）闡述了變頻節(jié)能技術(shù)機(jī)理，根據(jù)變頻技術(shù)機(jī)理和皮帶輸送機(jī)運(yùn)行特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了皮帶輸送機(jī)變頻節(jié)能系統(tǒng)，明確了單位時(shí)間內(nèi)原煤運(yùn)輸量與皮帶輸送機(jī)運(yùn)行速度的對應(yīng)關(guān)系。

3）利用變頻節(jié)能系統(tǒng)對某礦綜采工作面的皮帶輸送機(jī)進(jìn)行節(jié)能改造，結(jié)果表明：變頻節(jié)能技術(shù)降低了皮帶輸送機(jī)運(yùn)輸系統(tǒng)15%的能耗，具有一定的使用價(jià)值。