帶式輸送機的能耗分析及變頻驅動節能研究

柴杰 張楊

[摘 ? ?要]目前我國煤礦主運輸系統帶式輸送機耗電占比較大，其節能改造對整體煤礦耗能有巨大價值。通過對鋼繩芯帶式輸送機運行時各種阻力的計算、輕載或空載運行狀態時的能量消耗分析，得出調整相應輕載或空載帶式輸送機的帶速，可以實現最大限度的節能。結合變頻調速原理，驗證了空載運行及輕載運行狀態下，改變電機的頻率實現帶式輸送機運行時節能的理論依據。闡述了防爆變頻器在我國煤礦廣泛推廣的現狀下，變頻驅動節能的前景需求。

[關鍵詞]帶式輸送機;變頻器驅動;節能

[中圖分類號]TD528.1 [文獻標志碼]A [文章編號]2095–6487（2021）03–00–02

[Abstract]At present， the energy consumption of belt conveyor in the main transport system of coal mine in China is relatively large， and its energy saving transformation has great value to the energy consumption of the whole coal mine.Based on the calculation of various resistance of the steel rope core belt conveyor and the analysis of energy consumption in the light or no-load running state， this paper concludes that adjusting the corresponding belt speed of the light or no-load belt conveyor can achieve maximum energy saving.Combined with the principle of frequency conversion speed regulation， the paper verifies the theoretical basis of changing the frequency of the motor to realize the running time of the belt conveyor under no-load operation and light-load operation.This paper expounds the prospect and demand of energy saving in the situation that explosion-proof frequency converter is widely popularized in China's coal mines.

[Keywords]belt conveyor，variable frequency drive，energy conservation

目前，煤礦業依舊是我國最大的能源工業，我國在煤礦開采方面的耗能約占到全國能源總消耗量的3.86%。由此可見，煤礦業是我國產能最大的領域，同時也成為耗能最大的領域。以某年產量為2 000萬～3 000萬t、下屬有12～17個新老煤礦的礦業集團為例，用于提升、通風、排水、運輸、空壓、熱力、洗選、采掘等方面的較大型電力驅動裝備為700～800臺套，其各類設備數量及電耗情況如表1所示。

在煤礦開采中，主運輸系統主要由帶式輸送機構成，針對帶式輸送機的大耗電率進行節能改造，將會對整體煤礦耗能產生巨大的影響。

1 皮帶耗能分析

1.1 傳動滾筒上所需圓周力的計算

在穩定運行時，鋼繩芯帶式輸送機（受力示意見圖1）的傳動滾筒圓周力等于帶式輸送機的運行總阻力。鋼繩芯帶式輸送機的運行總阻力是由幾種阻力組成的，這些阻力可分為五類：主要阻力FH、傾斜阻力Fst、附加阻力FN、特種主要阻力Fs1、特種附加阻力Fs2。

主要阻力FH和附加阻力Fst的計算公式：

式（1）中，FH為主要阻力，ω為運行阻力系數（取值見表2），L為鋼繩芯帶式輸送機長度，g為重力加速度，取g=9.8 m/s2，為每米輸送機上托輥轉動部分重量，為每米輸送機下托輥轉動部分重量，q0為每米鋼繩芯膠帶重量，β為輸送機運輸傾角。

附加阻力指在加料區的物料加速慣性力和摩擦力，在導料機槽與膠帶之間的摩擦力，從動滾筒軸承處產生的摩擦力以及膠帶在滾筒上纏繞產生的彎曲阻力，按國際標準計算方法，把附加阻力劃到主要阻力當中去，其方法是把主要阻力乘以系數C，即

當系統處于空載運行時，q=0，則Fu為固定數值，此時通過調節電機的轉速，則可以實現大量節能。

1.2 節能分析

煤礦井下的主運輸系統大部分由帶式輸送機逐條搭接構成，在生產過程中，如下情況會導致主運系統處于輕載或空載運行狀態：

（1）主運輸系統中某臺設備由于某種原因暫時停止運行。因為運輸距離較長，無論是順煤流起動還是逆煤流起動，均需要較長的起動時間，一般情況下，只會將上游設備停機，而不會將下游帶式輸送機停機，此時，就造成較多的帶式輸送機空載全速運行。

（2）有較多的時候，由于各種原因，產量并不均勻，造成主運輸系統處于輕載或空載運行。

（3）有時同一煤礦兩翼只有一翼在生產，但是主運輸系統則仍處在全速運行狀態。

基于以上原因，此時調整相應輕載或空載帶式輸送機的帶速，系統在滿足不停機的狀態下，則可以實現最大限度的節能。

2 變頻調速節能研究

2.1 變頻調速原理

異步電動機的同步轉速由電動機的磁極對數（極對數）和電源頻率所決定，電動機的轉速：

式（7）中：n為電動機轉速，r/min;ns為同步轉速，r/min;f為電源頻率，Hz;p為電動機磁極對數;s為轉差率。

因此，只需改變電機的頻率，即可實現對帶式輸送機電機速度的調節。

2.2 空載狀態下的運行

在空載狀態，通過調節變頻器的輸出頻率至最低設定值如10 Hz，實現帶式輸送機降速至20%的額定速度，根據式（5）和式（6），則可實現帶式輸送機空載運行時的節能，節約空載狀態下消耗能量的80%。

2.3 輕載狀態下的運行

在輕載狀態下，參見圖2，通過煤流量檢測儀，實時檢測帶式輸送機上的煤流量，調節帶式輸送機的運行速度。

傳感器采用LMS傳感器硬件技術，基于時間飛行原理，用于對傳送帶上物體散料體積和流量進行非接觸式測量。通過發送與接收激光脈沖的時間差，計算出2 D輪廓，然后再結合輸送帶速度，生成可靠的體積流量信號。將實時煤量采樣至PLC進行數據分析和處理，結合電機電流以及前后級帶式輸送機運行情況進行綜合分析，對帶式輸送機變頻器進行速度調整，通過變頻器的升、降速使皮帶上煤量接近滿皮帶狀態，直至帶速降到最低設定值，如10 Hz。

3 結論

從空載至重載的各種狀態里，系統做功分為兩部分。一部分為運輸有益載荷Q的有用功，這部分功是隨著負載的變化而變化的;另一部分則是之前研究的空載狀態下的做功。

在同樣給煤的前提下，有用功的大小與帶式輸送機的速度沒有關系，只與給煤的多少有關系。由式（2）可知，在相同的給煤量即相同的有益載荷Q下，帶式輸送機速度高只是q增加，即運輸的效率高;速度低則q減小，即運輸的效率低。

因此，輕載過程中的調速，對于有益載荷是不節能的，但是對于空載部分的能量還是可以成線性節約的。

4 現狀及推廣前景

節能減排是中國能源發展的基本國策。在能源價格低迷、電力與煤炭行業產能過剩的今天，節能工作尤其不能放松。隨著近二十年，防爆變頻器在煤礦的廣泛推廣，井下絕大部分帶式輸送機都已經采用變頻器進行拖動，這就為根據煤量調帶速提供了良好的應用環境和背景。現場只需選用準確、可靠的煤量檢測，通過PID調節，驅動變頻器調節帶式輸送機的帶速，即可實現根據煤流量調節運輸系統帶速的目的。從目前在現場的應用數據來看，節能效果可以達到30%以上。

參考文獻

[1] 張少波.我國煤礦能耗現狀分析及節能技術發展方向[J].煤礦支礦，2008（4）：45-48.