基于變頻調(diào)速的煤礦帶式輸送機節(jié)能控制方法

程軍，李愈清，陸文濤

（1.北京昊華能源股份有限公司大安山煤礦，北京 102419；2.唐山開誠電控設(shè)備集團有限公司，河北 唐山 063020）

1 引言

帶式輸送機是煤礦生產(chǎn)的主要運輸設(shè)備，但在煤礦生產(chǎn)中，由于采區(qū)煤層分布不均勻，每天每個班次的采煤量也不均衡，從而導(dǎo)致煤炭運輸設(shè)備如帶式輸送機的輸送量也隨之變化。另外，在煤炭行業(yè)，選擇帶式輸送機驅(qū)動電機時，由于要考慮運行的可靠性和生產(chǎn)中可能出現(xiàn)的過載等情況，都會留有較大的余量，這也造成“大馬拉小車”的情況出現(xiàn)。然而，帶式輸送機在輸送量變小時，如果仍維持較高帶速不變，不僅會造成運輸設(shè)備不必要的機械磨損，而且白白消耗了大量的電能，使噸煤生產(chǎn)成本提高，效益降低。

變頻調(diào)速技術(shù)已普遍應(yīng)用于煤礦電氣設(shè)備的拖動上。帶式輸送機采用變頻調(diào)速裝置后，不僅解決了軟啟動、軟停止、驗帶和多機功率平衡等問題，而且還具有節(jié)能功效。變頻器的節(jié)能表現(xiàn)在其具有較高的效率和功率因數(shù)，同時4象限變頻器還可以將處于發(fā)電制動狀態(tài)的電動機的動能回饋電網(wǎng)。采用變頻調(diào)速的帶式輸送機在輸送量發(fā)生變化時，實時適度地調(diào)節(jié)和控制變頻器的輸出頻率，使帶式輸送機按照與其輸送量相匹配的速度運行，不僅充分利用了帶式輸送機的運載能力，而且減少了驅(qū)動電動機不必要的功率損耗，從而達(dá)到了節(jié)約電能的目的。

2 運煤量變化時帶式輸送機的節(jié)能控制

2.1 傳動滾筒上所需圓周力的計算［1］

鋼繩芯帶式輸送機的受力分析如圖1所示。

圖1 鋼繩芯帶式輸送機受力分析Fig.1 Steel cord conveyorstress analysis

在穩(wěn)定運行時，帶式輸送機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5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FN發(fā)生在所有的鋼繩芯帶式輸送機上，而特種阻力Fs（Fs=Fs1+Fs2）只出現(xiàn)在某些設(shè)備中，簡化計算時可暫不考慮。

主要阻力FH和傾斜阻力Fst的計算公式，可從圖1所示的鋼繩芯帶式輸送機直線段阻力推導(dǎo)得：

式中：FH為主要阻力；ω為運行阻力系數(shù)；L為鋼繩芯帶式輸送機長度；g為重力加速度；q′為每米輸送機上托輥轉(zhuǎn)動部分重量；q″為每米輸送機下托輥轉(zhuǎn)動部分重量；q0為每米鋼繩芯膠帶重量；q為每鋼繩芯膠帶上的物料重量；β為輸送機運輸傾角；Fst為傾斜阻力；H為送機卸料段與裝料段之間的高差。

附加阻力指在加料區(qū)的物料加速慣性力和摩擦力、在導(dǎo)料槽與膠帶之間的摩擦力、從動滾筒軸承處產(chǎn)生的摩擦力以及膠帶在滾筒上纏繞產(chǎn)生的彎曲阻力。按國際標(biāo)準(zhǔn)計算方法，把附加阻力劃到主要阻力當(dāng)中去，其方法是把主要阻力乘以系數(shù)C，即

式中：FN為附加阻力；C為系數(shù)。

簡單計算時，驅(qū)動滾筒圓周力Fu可表示為

將式（1）～式（3）代入式（4）得：

當(dāng)輸送機為下運方式時，β取負(fù)值，此時若Fu＜0，電動機處于發(fā)電狀態(tài)。

2.2 驅(qū)動電動機軸所需功率計算［1］

驅(qū)動電機軸所需功率：

其中

式中：PM為電動機功率；PA為傳動滾筒軸所需功率；K1為電動機功率系數(shù)；K2為電動機啟動方式系數(shù)；η1為減速器效率；η2為電壓降系數(shù)；η3為多機功率不平衡系數(shù)；Fu為驅(qū)動滾筒圓周力；v為帶速。

2.3 節(jié)能分析

下運帶式輸送機由于電動機一直處于發(fā)電制動狀態(tài)，凡具有回饋功能的變頻器都可以將電動機的發(fā)電能量回饋電網(wǎng)。因此，這種狀態(tài)屬于電動機通過變頻器向電網(wǎng)提供電能。而對于上運和平運帶式輸送機，需要電網(wǎng)通過變頻器向驅(qū)動電動機輸送功率，即電動機需要消耗電能。如果帶式輸送機的輸送量發(fā)生變化，則其以多高的帶速運行時才能使電動機消耗的軸功率最少，下面進(jìn)行節(jié)能分析。

將式（5）、式（7）代入式（6）整理可得電動機軸所需的功率為

由式（8）可見，對一條固定的帶式輸送機而言，式（8）中的第1項除了帶速v之外，其余均為常數(shù)，可用λ1表示；第2項除了v與q之外，其余也為常數(shù)，用λ2表示。因此式（8）還可表示為

其中

式（9）中第1項與運載能力q無關(guān)，可理解為帶式輸送機的空載功率損耗；第2項與運載能力q有關(guān)，可理解為帶式輸送機的負(fù)載功率損耗。

輸送機每米輸送帶上的物料重量q（運載能力）與輸送機的輸送量QC有關(guān)，當(dāng)QC發(fā)生變化時，如何調(diào)整帶速v才能使PM最小，下面分3個階段進(jìn)行分析。

1）當(dāng)給煤量QG=0 t/h時，輸送機的輸送量QC=0 t/h（假定輸送機上無剩煤），q=0 kg/m，輸送機為空載運行。這時，如果將帶速v調(diào)整到最低運行速度v0，由式（9）可得PM=λ1·v0，此時電動機消耗的軸功率最小。

2）當(dāng)給煤量QG最大時，QC和q也為最大值，輸送機將以最大的輸送量滿載運行。輸送機的運行速度v也為最高速度，這時，電動機消耗的功率最大（可到額定功率）。

3）當(dāng)給煤量QG由最大減少時，如果v保持不變（最高速），則QC減少，q也隨之減少。因此q·v也有所減少，但由式（9）可知，q·v減少只使負(fù)載功率減少，而對電動機總的功率消耗影響有限，并且輸送機高速運行也加大了整個系統(tǒng)的機械磨損。此時如果降低帶速v，在當(dāng)前的給煤量下使q恢復(fù)到最大值，這樣不僅完全利用了輸送機的運載能力，而且可以使v降到當(dāng)前的最低值。由于v下降后，q又升了上去，因而這時的q·v與降速之前的值基本相等，即降速后對負(fù)載功率損耗影響不大，主要是減少了空載功率損耗。因而，這種節(jié)能原理其實就是在輸送量減少時，應(yīng)盡可能地降低帶式輸送機的帶速，在當(dāng)前的給煤量下使輸送機達(dá)到最大運載能力時為止。這時的帶速一定是最低的，空載功率損耗也是最低的，輸送機也就運行在最佳的節(jié)能狀態(tài)。

2.4 最低帶速計算

輸送機運行在額定工況時，輸送機的輸送量QC達(dá)到最大值QCM，且與給煤機最大的給煤量QGM相等，即QCM=QGM。輸送機每米輸送帶上物料重量也達(dá)到最大值qM。輸送機的運行速度為最高速度vM。由此可得出：

將給煤機的給煤量降到其最大值的ρ倍即ρQGM（0＜ρ≤100%），若保持帶速不變，則輸送機的輸送量QC也會降到ρQCM，輸送機每米輸送帶上物料重量也會降到ρqM。按照節(jié)能分析的原理，如果降低帶速而繼續(xù)維持qM不變，則有：

由式（10）、式（11）可得：

即輸送機的輸送量降到其最大值的多少倍，使輸送機的帶速也降到其最大值的多少倍時，就可以達(dá)到理想的節(jié)能效果。這也是根據(jù)煤量自動調(diào)速的依據(jù)。

2.5 節(jié)能效果計算

節(jié)能效果計算是按照輸送量發(fā)生變化時，帶速維持最高速度不變時電動機消耗的功率與帶速按節(jié)能要求改變后電動機消耗的功率進(jìn)行計算，求出兩者之間的功率差，再按照不同負(fù)載段輸送機運行的時間就可以求出輸送機總的節(jié)能效果。下面從空載、滿載和負(fù)載以20%滿載的步進(jìn)量變化時來進(jìn)行節(jié)能分析。按照上面的定義，以每米輸送帶上的物料重量q來代表載荷，qM代表滿載，vM代表最高速度。電動機消耗的軸功率由式（9）求得。負(fù)載變化時帶速變化按節(jié)能要求考慮。

假設(shè)輸送機每天運行T h，其中空載運行時間為T0；20%負(fù)載運行時間為T20%；40%負(fù)載運行時間為T40%；60%負(fù)載運行時間為T60%；80%負(fù)載運行時間為T80%；滿載運行時間為Te。則由表1可得輸送機每天節(jié)約的電能為

表1 帶速跟隨輸送量變化前后電動機軸功率計算Tab.1 Belt speed follower throughput change before and after the motor shaft power calculation

3 基于變頻調(diào)速的節(jié)能控制流程圖

帶式輸送機的輸送量可以通過安裝在給煤點附近的電子皮帶秤進(jìn)行檢測。電子皮帶秤是一種常見的動態(tài)物料計量和控制設(shè)備，它通過測量皮帶上物料的重量和皮帶的帶速來核算物料的輸送量，并輸出4～20 mA模擬量信號。對帶式輸送機煤量信號的采集和變頻器的速度控制，是由皮帶集控系統(tǒng)完成。由于帶式輸送機的輸送量是不斷波動的，為了盡可能準(zhǔn)確地反映實際煤量的變化，可以將帶式輸送機的輸送量以20%的梯度進(jìn)行統(tǒng)計，當(dāng)煤量到達(dá)某一梯度范圍內(nèi)并在設(shè)定的延時時間內(nèi)不變時，就可以認(rèn)為達(dá)到了當(dāng)前的輸送量。皮帶集控系統(tǒng)將根據(jù)不同梯度范圍內(nèi)的輸送量，按照式（12）計算出變頻器相應(yīng)的速度給定信號，變頻器就會輸出相應(yīng)的頻率來滿足輸送機對不同帶速的要求。圖2為帶式輸送機根據(jù)輸送量調(diào)節(jié)帶速的節(jié)能控制流程圖。圖2中假設(shè)電子皮帶秤4～20 mA對應(yīng)煤量為0～1000 t。

圖2 帶式輸送機節(jié)能控制流程圖Fig.2 Belt conveyor energy-saving control flowchart

4 工業(yè)現(xiàn)場實際應(yīng)用效果

下面以淮南礦業(yè)集團某礦主運帶式輸送機變頻調(diào)速節(jié)能控制系統(tǒng)為例，對采用該節(jié)能控制方法所取得的節(jié)能效果進(jìn)行分析。

該礦主運帶式輸送機是一條傾角為11°的上運皮帶機，皮帶機頭有2個滾筒，每個滾筒由1臺450 kW，6 kV交流異步電機驅(qū)動。2臺電機采用1套防爆高壓變頻器進(jìn)行變頻調(diào)速。該礦帶式輸送機的機械參數(shù)為：運量1100 t/h；皮帶斜長L=680 m，帶寬B=1200 mm，傾角β=0～11°，帶速vM=3.15 m/s。

按照參考文獻(xiàn)［1］第9章中公布的數(shù)據(jù)表，可對以下參數(shù)進(jìn)行選取：電動機功率系數(shù)：K1=1.3；電動機啟動方式系數(shù)：K2=1；與L成函數(shù)關(guān)系的系數(shù)C=1.21；阻力系數(shù)W=0.02；每米輸送機上托輥傳動部分重量q′=20.8k g/m；每米輸送機下托輥傳動部分重量q″=6.7k g/m；每米鋼繩芯膠帶重量q0=57k g/m。

按照節(jié)能效果分析，可在理論上計算出帶式輸送機每天節(jié)約的電能為

該礦主運帶式輸送機每天運行22 h，其中空載運行時間T0=3 h，60%重載運行時間T60%=7 h，80%重載運行時間T80%=5h，100%重載運行時間7h，全年運行330天，每度電按0.75元計算，則每天節(jié)約的電能為

年節(jié)約電費=516×330×0.75=12.8萬元。

另外，根據(jù)工業(yè)現(xiàn)場的實際運行記錄，可以計算出負(fù)載變化時電動機運行在50H z時每天消耗的電能為5190 kW·h；負(fù)載變化時電動機運行在與負(fù)載相應(yīng)的節(jié)能速度下時每天消耗的電能為4655 kW·h。后一種運行狀態(tài)比前一種每天節(jié)電：535 kW·h?？梢娒刻鞂嶋H節(jié)電效果與理論計算值相近。

5 結(jié)論

本文通過對煤礦帶式輸送機所受的運行阻力的分析，給出了帶式輸送機驅(qū)動電動機軸功率計算公式，并將軸功率分解為與帶速有關(guān)的空載功率損耗和與帶速、負(fù)載有關(guān)的負(fù)載功率損耗兩部分。帶式輸送機的節(jié)能控制實際上就是通過合理的匹配其輸送量與帶速的關(guān)系，在維持輸送機正常運載能力不變時，保持其負(fù)載功率損耗不變，而靠減少其空載功率損耗來達(dá)到節(jié)能的目的。該節(jié)能控制方式是通過變頻調(diào)速和皮帶集控系統(tǒng)完成的，經(jīng)工業(yè)現(xiàn)場實際使用證明，具有明顯的節(jié)能效果。

［1］顧永輝.煤礦電工手冊（修訂本）第3分冊：煤礦固定設(shè)備電力拖動［M］.北京：煤炭工業(yè)出版社，1997.