長距離帶式輸送機節能優化研究

楊 雪

（晉能控股煤業集團四臺礦機電管理科， 山西 大同 037000）

引言

隨著能源價格的不斷上漲，通過節能改造進行成本控制已經越來越受到企業的關注。帶式輸送機作為煤炭開采行業的一種主要運輸設備，對其的節能優化改造對于企業發展至關重要。傳統帶式輸送機的運行模式大多為恒速模式，由于企業在實際開采過程中無法做到恒量產出，這就使得帶式輸送機在運輸貨物的過程中出現低負荷甚至空載運行的狀況，大大浪費了帶式輸送機運行能源，降低了設備電能使用效率，提升了企業運行成本[1-5]。針對這一問題，本文擬通過對帶式輸送機啟動過程與速度調節功能兩方面對帶式輸送機進行節能優化改造，以期提升設備電能使用率，降低企業成本，增加企業市場競爭力。

1 長距離帶式輸送機能耗原因分析

長距離帶式輸送機一般分為六部分，分別為驅動設備、滾筒、輸送帶、拉緊裝置、托輥及輔助裝置，其具體結構如圖1 所示。其中，長距離帶式輸送機的驅動設備是由多臺交流變頻電動機組成的，在實際生產過程中，多臺交流變頻電動機運行會產生功率不均衡的現象，這導致帶式輸送機的電機負荷產生不均現象，使得設備能源損耗上升，成本無法控制，嚴重者會使電機磨損，造成電機燒毀現象。電機均衡性的影響因素分為靜態因素與動態因素兩類。其中，靜態因素主要是長距離帶式輸送機的參數設計是否合理；動態因素為在產生不均衡現象時，設備是否具有迅速響應機制，可在時間要求范圍之內對不均衡現象進行處理，保證帶式輸送機的有效運行。

圖1 帶式輸送機結構示意圖

長距離帶式輸送機的另外一個問題為速度調節問題。傳統的帶式輸送機一般采用恒速運行的模式，但實際的生產活動中恒定不變的煤炭產量是十分少見的，這就使得帶式輸送機會有較多情況處于空載或低載荷運行狀態，造成電能浪費，增加企業成本。

2 帶式輸送機啟動功率平衡控制優化分析

傳統的功率平衡控制主要有主從控制和并行控制兩種，主從控制為以主機控制為主，從機進行配合，以實現驅動同步；并行控制為將電機參數統一設置，統一給定運行。并行控制抗干擾能力不強，主從控制同步性較弱，均無法完美解決功率不平衡問題。基于上述現象，本文提出了耦合補償的方法對電機進行功率平衡控制，通過測定各個電機運行狀態時的參數，依據參數的變化量進行差異性分析并進行相應補償。該方法既可解決電機之間的運行誤差，又可使電機轉速精確達到設定值，減少運行誤差。其具體的結構示意圖如圖2 所示。

圖2 帶式輸送機啟動功率平衡控制優化結構示意圖

功率平衡控制系統會對各電機進行電流與轉速分析，得出電機工作狀態結果。假設圖2 中兩臺發電機一臺為電動狀態，另外一臺為發電狀態。將兩臺的負載率進行比較，當負載率較大的電機為電動電機時，表明電動電機處于負載狀態，電機需對輸送機提供正牽引力，增大發電電機功率，提供負載；當負載率較大的電機為發電電機時，表明發電電機處于負載狀態，這時應減少功率輸出，使電動電機進入發電狀態。

3 帶式輸送機變頻調速優化分析

3.1 變頻調速系統總體設計方案

針對傳統帶式輸送機恒速運行的弊端，本文提出運用變頻調速技術對帶式輸送機進行節能改造。對電動機進行調速的方法包括電磁調速、變極調速、轉子串電阻調速、變頻調速等方法。其中，變頻調速因其調速平穩、響應速度快、輸出穩定、節能等特點逐漸成為調速主流方式。變頻調速的主要元件為變頻器，通過與PLC 相組合的方法對帶式輸送機進行調速優化。其具體布置示意圖如圖3 所示。其中，PLC 為主控制器，變頻系統與PLC 通過通信線進行連接，可實現數據的傳輸與處理。PLC 還可將變頻器的數據向上位機傳輸，以實現上位機對帶式輸送機的精準控制。

圖3 變頻調速系統布置示意圖

3.2 變頻調速系統設計

3.2.1 變頻器選型

變頻器可分為兩種，分別為交-交變頻器與交-直-交變頻器。交-交變頻器的變頻范圍小，應用面較窄，故本文選用交-直-交變頻器。交-直-交變頻器主要是通過整流裝置將交流電轉化為直流電，然后利用逆變器將直流電轉化為可調的頻率與電壓，從而實現變頻調速。

由于長距離帶式輸送機是恒轉矩負載模式，故設備在啟動時對驅動系統的控制要求較高。故本文選用SIMOVERT MV 變頻器，其具體配置如圖4 所示。該變頻器為西門子公司研發制造，屬于中壓變頻器，設計連接電機額定電壓為2.3～6.6 kV，功率為0.66～7.2 MW。該變頻器具有啟動電流小、力矩大、磨損與損耗較小、啟動停止時間可調等特點，且對于帶式輸送機功率平衡問題有所幫助，較為適合本設計。

圖4 變頻調速系統配置示意圖

3.2.2 PLC 選型

PLC 控制系統的主要功能為數據采集、故障判斷與控制、人機對話。經分析，由于PLC 有儲存容量要求，且PLC 與變頻器等設備的通信采用PROFIBUS通信網絡，故本文選用CPU315-2DP 可編程邏輯控制器，其模塊配置及參數要求較為符合。

4 系統測試

1）輸送機啟動功率平衡控制優化方案無論處于靜負載還是動負載狀態下，無論電機參數是否相同，輸出轉矩都可按照比例進行分配，未出現欠載或者過載現象，解決了帶式輸送機啟動功率不平衡現象。

2）將上述兩種方案應用于實際中后，長距離帶式輸送機使用電量大幅下降，按工業電價0.83 元/kWh計算，一年約可節省95 萬元，降低了企業成本，提升了能源使用率。

5 結論

隨著能源使用成本的不斷提高，對于設備的節能改造逐漸引起企業的重視。長距離帶式輸送機因其啟動功率不平衡及帶式輸送機常處于空載或低負載狀態，使得設備電能利用率較為低下。針對這一現象，本文進行了針對性節能分析，運用耦合補償與變頻調速的方法對其進行了節能優化設計，并得出了以下結論：

1）耦合補償方法可有效解決長距離帶式輸送機啟動時功率不平衡現象，降低設備磨損，提高能源使用率。

2）帶式輸送機啟動功率平衡控制優化方案與輸送機變頻調速優化方案的使用可大幅度降低企業用電成本，提升能源利用率，按工業電價0.83 元/kWh 計算，一年約可節省95 萬元，達到了節能改造的目的。