節(jié)能技術(shù)在煤礦電力系統(tǒng)中的應用

李艷秋

（新汶礦業(yè)集團（伊犁）能源開發(fā)有限責任公司一礦，新疆伊犁 835300）

0 引言

煤礦企業(yè)在解決電量損耗問題上，要根據(jù)企業(yè)實際情況，不斷拓寬節(jié)能技術(shù)的應用范圍。能源緊缺問題不及時解決，就無法提升企業(yè)的經(jīng)濟效益，無法帶動社會經(jīng)濟發(fā)展。結(jié)合科學技術(shù)手段，運用節(jié)能技術(shù)可以使煤礦電力系統(tǒng)發(fā)揮節(jié)能效果，有效解決電力損耗問題，通過節(jié)能技術(shù)應用實現(xiàn)節(jié)能降耗目標，降低企業(yè)用電成本，使企業(yè)在信息化背景下實現(xiàn)智能升級。在煤礦電力系統(tǒng)中，有效運用節(jié)能技術(shù)能幫助煤礦企業(yè)實現(xiàn)節(jié)能化管理，節(jié)省電力開支，提高供電利用率。通過改造電控系統(tǒng)、全變頻調(diào)速改造低壓電機、應用全自動無塔變頻供水裝置、升級運輸系統(tǒng)智能技術(shù)，整體實現(xiàn)節(jié)能技術(shù)的應用，提高節(jié)電效率，減少電能損耗。

1 節(jié)能技術(shù)在煤礦電力系統(tǒng)中的重要性

在煤礦電力系統(tǒng)中，煤礦企業(yè)主要的電量損耗通常體現(xiàn)在以下幾個方面：通風系統(tǒng)占19%、提升系統(tǒng)占15%、壓風系統(tǒng)占11%、排水系統(tǒng)占5%、井下生產(chǎn)系統(tǒng)占40%、地面生產(chǎn)及辦公占10%。以上數(shù)據(jù)以小規(guī)模礦井為例進行統(tǒng)計。如果是大型礦井，在電力系統(tǒng)中產(chǎn)生的消耗將會更大，為企業(yè)帶來更大的經(jīng)濟壓力，在應用節(jié)能技術(shù)方面也會存在一定的工作壓力。

如果電能損耗，就會讓煤礦企業(yè)遭受極大的經(jīng)濟損失，可以通過提升管理手段、管理能力進行改善。技術(shù)線損電量是由于電能設備短路、電能設備線路阻抗情況的發(fā)生造成電能損耗，也被稱為空載損耗。只有煤礦企業(yè)將系統(tǒng)設備進行節(jié)能升級，才能有效改善目前的損耗現(xiàn)象。真正節(jié)能技術(shù)在煤礦電力系統(tǒng)中的應用則可以深入電力系統(tǒng)的各個層面，綜合、全面實現(xiàn)電力系統(tǒng)節(jié)能改造，從而達到智能化的節(jié)能管理效果，增強煤礦電力系統(tǒng)的功能性和智能性，避免后期再因為同類事件的發(fā)生而導致電力損耗問題，徹底解決電量損耗問題。在初期設計階段，做好負荷規(guī)劃，降低三相不平衡度，線損要通過額定載流量校驗，必要時提高一級導線截面，降低壓降損失，投入低壓動態(tài)無功補償，提高功率因數(shù)[1]。

深入貫徹落實《中華人民共和國節(jié)約能源法》，真正將其執(zhí)行到煤礦電力系統(tǒng)應用的各個環(huán)節(jié)，并全面施行《工業(yè)節(jié)能管理辦法》（工業(yè)和信息化部令第33 號），根據(jù)煤礦電力系統(tǒng)的運行情況加快高效節(jié)能變壓器的推廣和應用，提升能源資源利用效率。推動綠色低碳和高質(zhì)量發(fā)展，工業(yè)和信息化部辦公廳、市場監(jiān)管總局辦公廳、國家能源局綜合司關于印發(fā)《變壓器能效提升計劃（2021-2023 年）》的通知，逐步更換電力設備，執(zhí)行GB18613-2020 電動機能效限定值及能效等級和GB20052-2020 電力變壓器能效限定值及能效等級標準。切實提升煤礦電力系統(tǒng)能源資源利用效率，推動綠色低碳和高質(zhì)量發(fā)展。

2 節(jié)能技術(shù)在煤礦電力系統(tǒng)中的應用措施

2.1 改造電控系統(tǒng)

煤礦電力系統(tǒng)要達到節(jié)能效果，需應用節(jié)能技術(shù)實現(xiàn)節(jié)能目標。通過改造電控系統(tǒng)提升電控系統(tǒng)自動化水平，通過節(jié)能技術(shù)提升設備運行可靠性，保證運行速度，實現(xiàn)節(jié)能效果。目前，在煤礦企業(yè)自動化發(fā)展過程中，要以實現(xiàn)快速升級、減少系統(tǒng)故障率、提升自動化運行效果、保證經(jīng)濟效益為工作方向，增強企業(yè)發(fā)展實力。工作中出現(xiàn)電控系統(tǒng)故障會影響工作掘進速度，系統(tǒng)改造可以改善目前的問題和狀況，增強穩(wěn)定性，降低人員維修成本，提升掘進速度和效率。提升機的運行速度偏差是由于提升質(zhì)量的波動而造成的。如果要延長設備使用年限，就要解決此類問題，避免因速度波動大而讓設備脫軌，影響正常生產(chǎn)。設備穩(wěn)定運行才能滿足生產(chǎn)需求，通過改造電控系統(tǒng)使人機交互得以實現(xiàn)。

運用高性能數(shù)值控制技術(shù)對逆變器進行控制，實現(xiàn)直交網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)。采用PLC 調(diào)速使電控系統(tǒng)全自動化運行。在運行設備期間，要進行參數(shù)監(jiān)測，減少電網(wǎng)諧波污染，提升整流控制效果，讓能量進行雙向流動。礦井中用直流調(diào)速方法會產(chǎn)生大量諧波，若問題不能解決，就會影響系統(tǒng)穩(wěn)定性。如采用交流變頻調(diào)控，就能降低諧波產(chǎn)生概率，保護控制器件，提升工作效能。把脈沖電流器與電機定子并聯(lián)，或者以獨立電子供電形式提高工作性能。直交網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)既簡單又可靠，功率因數(shù)較高，頻率調(diào)控范圍廣泛。

運用4 個功率器件就可以輸出3 個電平，在同等電壓下，降低了器件所承受的電壓，功率器件可以穩(wěn)定發(fā)揮作用。運用雙饋轉(zhuǎn)子變頻，可以通過電機定子、轉(zhuǎn)子的阻繞和電源連接，實現(xiàn)逐個輸入、輸出功率的功能，可以穩(wěn)定電流、電壓，保證系統(tǒng)電力需求，降低諧波產(chǎn)生概率，提升工作效率。雙饋變頻調(diào)節(jié)能實時調(diào)控功率，穩(wěn)定輸出，減少沖擊力，節(jié)省設備爬行時間。同時，矢量控制有利于提升機速度，實現(xiàn)精準調(diào)控，降低人工操作難度，避免提升機速度波動所帶來的不良后果。完善電控系統(tǒng)，促進提升機速度與額定速度相吻合，能有效確保系統(tǒng)安全。通過煤礦企業(yè)電控系統(tǒng)改造提升系統(tǒng)速度，降低故障率，保證煤礦企業(yè)安全、高效生產(chǎn)，起到節(jié)能作用[2]。

2.2 全變頻調(diào)速改造低壓電機

在煤礦電力系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)應用過程中，要根據(jù)實際的設備情況，合理將變頻調(diào)速設備應用于機電設備控制模式升級改造中，使電機拖動系統(tǒng)運行，電能實現(xiàn)有效的效率轉(zhuǎn)換。解決目前設備控制能力不足的問題，有效節(jié)約電能資源，延長設備使用壽命，實現(xiàn)節(jié)能增效的目的。煤礦企業(yè)中，應用節(jié)能技術(shù)要保證煤礦企業(yè)的經(jīng)濟效益，達到一定的節(jié)能效果，利用全變頻調(diào)速改造低壓電機。能有效起到節(jié)能作用。直流調(diào)速系統(tǒng)節(jié)能效果不如交流電機，交流電機具有維護簡單、結(jié)構(gòu)合理、費用低等特性，它與直流調(diào)速類似，更符合煤礦企業(yè)的實際生產(chǎn)和節(jié)能需求。隨著變頻調(diào)速發(fā)展速度的提升，會逐漸取代直流調(diào)速系統(tǒng)。交流電機變頻技術(shù)在發(fā)達國家的應用比例已超過了70%，同時也產(chǎn)生了極為明顯的節(jié)能效果。

近年來，國外的電力電子技術(shù)所產(chǎn)生的節(jié)能比例在20%以上，而我國電力電子技術(shù)實際節(jié)能比例僅占6%。通過變頻技術(shù)的應用，能發(fā)揮交流電機在煤礦電力系統(tǒng)中的節(jié)能作用，與電梯調(diào)速經(jīng)驗類似，形成更加科學的節(jié)能效果。煤礦企業(yè)電力系統(tǒng)節(jié)能增效的快速實現(xiàn)符合煤礦企業(yè)長遠規(guī)劃和未來發(fā)展需求。在全變頻調(diào)速改造低壓電機過程中，可以運用交流轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速實現(xiàn)節(jié)能技術(shù)的應用。例如，一處地面工作設備電機工作電壓為380V，功率為125kW，采用轉(zhuǎn)子串電阻設計方式進行調(diào)速。通過全變頻改造后保留原系統(tǒng)，雙系統(tǒng)互為備用。通過檢測發(fā)現(xiàn)，在原基礎上節(jié)能率為25%以上，不僅降低了維修費用，同時還具有極好的節(jié)能效果。

變頻調(diào)速對于局部通風機、泵類等設備也能實現(xiàn)升級改造，讓礦井下大功率機電設備更好地實現(xiàn)工作效能轉(zhuǎn)換，減少電能損耗，體現(xiàn)變頻調(diào)速的節(jié)能作用。變頻調(diào)速改造不會影響電機的工作，在啟動時沖擊電流較小，可以有效實現(xiàn)節(jié)能作用，合理化地進行供電系統(tǒng)精確調(diào)度。對單母線雙電源的供電器進行技術(shù)改造，用單臺配電變壓器或兩臺配電變壓器實現(xiàn)并列運行。一臺變壓器可以滿足正常的用電需求，而工程擴建需要大量的電力，這時需要加配電變壓器實現(xiàn)同時運行，加大電力輸出。

靈活規(guī)劃供電系統(tǒng)，增強了工作中的靈活性和可靠性，保證了供電效果的同時，還實現(xiàn)了節(jié)能增效，提高了工作效率。配電變壓器處于5%電壓下，就會增加5%～15%的線損，如果處于10%的電壓下，線損會增加到50%。在過電壓運行工況期間還會增加空載流量，這種情況會讓配電變壓器老化速度加快。無功損耗量增加會導致變壓器壽命縮短，既不科學也不合理。因此，通過節(jié)能技術(shù)的運用才能合理使用變壓器，科學、安全地減少電能損耗，提升經(jīng)濟效益，實現(xiàn)最大的利益效果。通過變頻調(diào)速改造能實現(xiàn)設備升級，延長設備使用年限，提升企業(yè)經(jīng)濟效益[3]。

2.3 全自動無塔變頻供水裝置

煤礦企業(yè)通常離市區(qū)較為偏遠，并設有礦區(qū)工人村。礦區(qū)工人村要有獨立物業(yè)管理體系保證工人的日常生活需求。煤礦電力系統(tǒng)也包括工人村的電力供應，也需要將節(jié)能技術(shù)應用到工人村的電力系統(tǒng)中。全自動無塔變頻供水裝置既能保證礦區(qū)工人村用水需求，還能有效解決電能的浪費問題。礦區(qū)工人村采用定時供水制，規(guī)定時間段供水，用戶日常存水，保證生活需求。

一方面，在實際操作中，很多地方有長流水現(xiàn)象，導致水源和電能的浪費；另一方面，為保證水壓而使用大功率的電機和水泵，會造成設備資源浪費。全自動無塔變頻供水裝置投資小、自動化效率高，既能降低設備電力損耗，減少經(jīng)濟成本，同時還能實現(xiàn)節(jié)水節(jié)能的目的，是解決目前問題的有效措施。

實例證明，自改造后，某礦區(qū)工人村節(jié)約了10%的水資源和15%以上的電能，同時還實現(xiàn)了全天候供水，極大改善了居民的生活，既保證了煤礦的經(jīng)濟效益，還產(chǎn)生了極大的社會反響。要將節(jié)能技術(shù)應用于煤礦電力系統(tǒng)中，就要在各個方面進行應用，引進適用于煤礦的節(jié)能技術(shù)。比如，在綠色照明計劃中，要不斷增強科技性，開發(fā)節(jié)能光源燈具，充分應用低成本、低污染、高性能的節(jié)能工具。煤礦井下使用節(jié)能燈具，以百萬噸礦井生產(chǎn)照明需求量計算，通過應用節(jié)能技術(shù)，可以節(jié)約15%的電量。我國原煤產(chǎn)量已超40 億噸，按每年節(jié)約電量8000 萬千瓦時，是極為可觀的數(shù)字。電子技術(shù)發(fā)展能促進節(jié)能技術(shù)的應用，在煤礦企業(yè)生產(chǎn)中達到綜合節(jié)能15%的效果，實現(xiàn)節(jié)能增效目標。助力企業(yè)發(fā)展壯大，效益持續(xù)增長，達到節(jié)能環(huán)保的目的[4]。

2.4 運輸系統(tǒng)智能技術(shù)

自2020 年3 月國家下發(fā)有關煤礦智能化發(fā)展意見以來，全國陸續(xù)開始煤礦智能化建設，形成了智能控制技術(shù)近35 項。通過成熟的技術(shù)，我國煤礦達到了初級智能化水平。礦山運輸系統(tǒng)要實現(xiàn)智能化，就要在驅(qū)動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、運維系統(tǒng)、駕駛系統(tǒng)方面進行設計改造。實現(xiàn)無人運輸、井下電機車無人駕駛，通過智能驅(qū)動控制運維達到礦山運輸裝備智能化效果，實現(xiàn)節(jié)能增效的目的[5]。礦山運輸驅(qū)動系統(tǒng)的效率會影響整機運行效率，智能化技術(shù)的應用能解決實際問題，提高智能化水平。

可以通過永磁變頻驅(qū)動等新方式升級提升工作效率。變頻驅(qū)動具有較高的智能化特點，實現(xiàn)智能化控制能有效提升傳輸效率，相對傳統(tǒng)異步驅(qū)動技術(shù)有更高的可行性。永磁變頻驅(qū)動技術(shù)在各行業(yè)中的應用產(chǎn)生了很好的反饋效果。例如，將永磁變頻驅(qū)動技術(shù)應用于礦山運輸裝備升級，可以充分發(fā)揮其特性，滿足低速重載驅(qū)動需求，提升礦山運輸裝備的工作效率。

同時，考慮到設置減速裝置，也可運用永磁變頻直驅(qū)和半直驅(qū)系統(tǒng)的設置來滿足工作需求。永磁變頻直驅(qū)技術(shù)在帶式輸送機中的表現(xiàn)非常優(yōu)秀，應用非常廣泛。煤礦企業(yè)運用帶式輸送機能實現(xiàn)長距離輸送，節(jié)約電能成本。運用雙閉環(huán)矢量控制、多機協(xié)調(diào)控制以及柔性重載啟動等智能型的控制策略，提升煤礦電力系統(tǒng)的管理效果，實現(xiàn)節(jié)能增效的目的。

煤礦電力系統(tǒng)中，節(jié)能技術(shù)包含直線電機磁懸浮驅(qū)動技術(shù)、礦用混合動力驅(qū)動技術(shù)、摩擦驅(qū)動式運輸裝備自動張緊技術(shù)人等，礦山運輸裝備智能化控制技術(shù)中的智能啟動、智能調(diào)速、智能制動、帶式輸送機協(xié)同控制、多電機功率平衡控制等方面。同時，礦山運輸裝備智能化運維技術(shù)包括在線監(jiān)測、智能診斷、智能巡檢機器人等技術(shù)，礦山運輸車輛無人駕駛技術(shù)包括井下電機無人駕駛技術(shù)、無軌膠輪車、無人駕駛技術(shù)等。智慧礦山通過智能技術(shù)、節(jié)能技術(shù)的運用，產(chǎn)生智能化效果，實現(xiàn)安全可靠、高效、節(jié)能的系統(tǒng)優(yōu)勢[6]。通過視頻圖像自主控制、高清攝像裝置、無軌運輸機器人、分級破碎、仿生分揀等，充分展現(xiàn)智能化的技術(shù)在煤礦企業(yè)的應用優(yōu)勢。煤礦電力系統(tǒng)實現(xiàn)智能化發(fā)展與升級，既體現(xiàn)出節(jié)能的實際效果，又能減少人員成本，在節(jié)能增效上起到直接的推動作用[7]。

3 結(jié)語

節(jié)能技術(shù)在煤礦電力系統(tǒng)中的應用，既使煤礦企業(yè)實現(xiàn)了經(jīng)濟增長，還能在節(jié)能增效上收獲豐富經(jīng)驗。未來的煤礦企業(yè)發(fā)展，需要高科技節(jié)能技術(shù)的支持，在國家政策的引領下，逐步向智能化發(fā)展。運用智能化節(jié)能技術(shù)全面提高煤礦企業(yè)的發(fā)展速度，提升工作效率，降低企業(yè)運營管理成本。節(jié)能技術(shù)應用于煤礦企業(yè)電力系統(tǒng)及各領域，是保障企業(yè)穩(wěn)定發(fā)展、增強經(jīng)濟效益、快速實現(xiàn)節(jié)能目標的必然選擇。