節能技術在皮帶輸送機中的應用研究

喬小娟

（西山煤電斜溝礦，山西 呂梁 033602）

引言

皮帶輸送機承擔著井下原煤輸送的重要任務，是煤層正常開采的重要生產設備[1]。在傳統的皮帶輸送機使用過程中，利用工業50 Hz 恒頻交流電驅動皮帶輸送機的運行，利用人工控制皮帶輸送機的運行參數，供電網絡提供頻率恒定不變的驅動電流[2]，當皮帶輸送機在較低負載或空載條件下運行時，供電網絡不能根據設備實際運行工況調整輸出電流的頻率，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節能高效作業的要求。利用變頻技術對井下皮帶輸送機的驅動電流進行變頻控制，根據設備負載變化實時調整供電網絡輸出電流的頻率，提高驅動電流的工作效率，從而減少皮帶輸送機運輸系統的能源損耗，經實踐應用表明，變頻節能技術能明顯降低皮帶輸送機的能耗，具有一定的使用意義[3]。

1 皮帶輸送機的工作特點

1.1 皮帶輸送機的受力特點

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

1.2 皮帶輸送機能耗

皮帶輸送機的能耗與負載率密切相關，負載率越大，皮帶輸送機的能耗越小，兩者的關系見圖1，圖1 中K 表示皮帶輸送機負載值與最大負載值的比值，即：

圖1 皮帶輸送機能耗E 與負載率K 之間的關系

式中：K 為負載率；Ki為皮帶輸送機的實時輸送的原煤質量，kg；Kmax為皮帶輸送機輸送原煤質量的最大設計值，kg。皮帶輸送機的能耗E 與負載率K 成反比例關系，隨著負載率的增加，能耗E 逐漸減少。當負載率K 在0～0.3 范圍內變化時，隨著負載率的增加，能耗E快速降低至0.25 kW 左右，當負載率K 在0.3～1 范圍內變化時，隨著負載率的增加，能耗E 緩慢降低至0.15 kW 左右，最終趨于穩定。因此，當負載率在0～0.3 范圍內變化時，皮帶輸送機處于空載或低載荷狀態，此時能耗值E 較高，驅動電機的輸出功率大部分做了無用功，不符合設備高效運行要求。

2 變頻技術原理

變頻技術的原理是利用變頻器把工業恒頻交流電轉換為頻率可控的交流電，根據機械設備運行的負載情況，動態調整供電網絡輸出電流的頻率，當設備負載較大時，控制系統控制變頻器提高輸出電流的頻率；當設備負載較小時，控制系統控制變頻器降低輸出電流的頻率，從而使設備節能高效運行，避免能源的浪費。變頻技術機理簡圖見下頁圖2。

如圖2 所示，從供電網絡輸出的50 Hz 工業恒頻交流電在整流設備作用下，變為50 Hz 恒頻直流電輸送給變頻設備，變頻設備將整流設備輸送的50 Hz 恒頻直流電轉換為頻率可控的交流電輸送給電動機，驅動機械設備的運轉。整流設備的作用是把供電網路輸出的交流電轉換為直流電，變頻設備的作用是把整流設備輸出的恒頻直流電轉換為頻率可控的交流電，在完成交-直-交轉變的過程中，實現對輸出電流頻率的調節控制。

圖2 變頻技術機理簡圖

3 節能系統設計

3.1 皮帶輸送機節能系統結構

傳統的皮帶輸送機控制過程中，使用50 Hz 恒頻交流電驅動設備運轉，當皮帶輸送機負荷較低或空載時，驅動電流不能根據設備負載情況調整輸入電流頻率，造成能源的浪費。把節能系統植入到皮帶輸送機運行系統中，利用變頻技術動態控制皮帶輸送機驅動電流頻率，當皮帶輸送機空載或負載較低時，及時控制變頻器降低輸出電流頻率。把變頻技術植入皮帶輸送機運行系統后的結構見圖3。

圖3 皮帶輸送機節能系統

如圖3 所示，圖中1 區為變頻控制系統，2 區為皮帶輸送機系統，A 為驅動電機，B 為皮帶。2 區內的監測設備實時監測皮帶輸送機的承載率，并將監測數據反饋給控制系統，經控制系統分析判斷后，輸出控制信號控制1 區變頻系統輸出的驅動電流頻率，動態調整驅動電機轉速。當皮帶輸送機負載較小或空載時，控制系統控制變頻系統降低驅動電流的頻率，使皮帶輸送機節能高效運行。

3.2 節能系統參數設計

在節能系統設計中，根據皮帶輸送機的設備運行特點，選定合理的單位時間原煤運輸量區間，并明確與原煤運輸量區間相對應的皮帶運行速度。根據監測到的單位時間原煤運輸量，控制變頻系統實時調整供電網絡輸出電流的頻率，動態控制皮帶運輸機運行速度，減少能耗。皮帶輸送機運行速度與電動機功率一一對應，在確定皮帶輸送機運行速度后，可查表獲得電動機功率，井下單位時間內原煤運輸量與皮帶輸送機運行速度之間的控制關系如表1 所示，當井下監測設備監測到皮帶輸送機單位時間內原煤運輸量小于等于Q1時，控制系統控制變頻器實時調整輸出電流的頻率，使皮帶輸送機在驅動電機帶動下以速度V1恒速運行，當井下監測設備監測到皮帶輸送機單位時間內原煤運輸量在Q1～Q2區間時，控制系統控制變頻器實時調整輸出電流的頻率，使皮帶輸送機在驅動電機帶動下以速度V2恒速運行。皮帶輸送機運行過程中，單位時間內的原煤運輸量與皮帶輸送機的運行速度成正比，隨著負載量的增大，皮帶輸送機的運行速度逐漸增大。皮帶輸送機的運行速度與驅動電機的功率相對應，當明確了皮帶輸送機的運行速度后查表獲得電動機功率。

表1 單位時間內原煤運輸量與皮帶輸送機運行速度關系

4 節能系統應用

某礦綜采工作面采用4 臺DSJ80 型皮帶輸送機串聯方式運輸原煤，皮帶輸送系統功率為6×1 200 kW，每天額定工作時間為19 h。利用變頻技術對皮帶輸送系統進行節能優化，在4 臺串聯的DSJ80 型皮帶輸送機尾端布置監測設備，實時監測井下皮帶輸送機單位時間內的原煤運輸量，根據井下的生產工況和皮帶輸送機的設備特點，確定單位時間內的原煤運輸量與皮帶輸送機運行速度之間的關系如表2 所示。

表2 綜采工作面單位時間內原煤運輸量與皮帶輸送機運行速度關系

由表2 可知，當井下監測設備監測到皮帶輸送機單位時間內原煤運輸量小于等于2 400 t/h 時，控制系統控制變頻器實時調整輸出電流的頻率，使皮帶輸送機在驅動電機帶動下以速度1.7 m/s 恒速運行；當井下監測設備監測到皮帶輸送機單位時間內原煤運輸量在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，控制系統控制變頻器實時調整輸出電流的頻率，使皮帶輸送機在驅動電機帶動下以相應的速度2.2 m/s、2.7 m/s、3.3 m/s、3.7 m/s、4.1 m/s 恒速運行。實現對井下皮帶輸送機運輸量的實時監控，并動態調整皮帶輸送機的運行速度，降低皮帶輸送機空載或以低載荷運行時的能耗。

利用變頻技術對該礦綜采工作面采用4 臺DSJ80 型皮帶輸送機進行節能改造后，井下皮帶輸送機系統的能耗降低了15%，取得較大的經濟和社會效益。實踐表明，在皮帶輸送機系統內植入變頻節能系統，能實現對井下皮帶輸送機運輸量的實時監控，并動態調整皮帶輸送機的運行速度，降低皮帶輸送機空載或以低載荷運行時的能耗，具有一定的使用價值。

5 結論

1）利用靜力學原理分析了皮帶輸送機的作用機理，統計分析了皮帶輸送機負載率K 和能耗E 之間的關系，當負載率K 在0～0.3 范圍內變化時，能耗E 快速降低至0.25 kW 左右；當負載率K 在0.3～1 范圍內變化時，能耗E 緩慢降低至0.15 kW 左右，最終趨于穩定。

2）闡述了變頻節能技術機理，根據變頻技術機理和皮帶輸送機運行特點，設計了皮帶輸送機變頻節能系統，明確了單位時間內原煤運輸量與皮帶輸送機運行速度的對應關系。

3）利用變頻節能系統對某礦綜采工作面的皮帶輸送機進行節能改造，結果表明：變頻節能技術降低了皮帶輸送機運輸系統15%的能耗，具有一定的使用價值。