长距离带式输送机节能优化研究

杨 雪

（晋能控股煤业集团四台矿机电管理科， 山西 大同 037000）

引言

随着能源价格的不断上涨，通过节能改造进行成本控制已经越来越受到企业的关注。带式输送机作为煤炭开采行业的一种主要运输设备，对其的节能优化改造对于企业发展至关重要。传统带式输送机的运行模式大多为恒速模式，由于企业在实际开采过程中无法做到恒量产出，这就使得带式输送机在运输货物的过程中出现低负荷甚至空载运行的状况，大大浪费了带式输送机运行能源，降低了设备电能使用效率，提升了企业运行成本[1-5]。针对这一问题，本文拟通过对带式输送机启动过程与速度调节功能两方面对带式输送机进行节能优化改造，以期提升设备电能使用率，降低企业成本，增加企业市场竞争力。

1 长距离带式输送机能耗原因分析

长距离带式输送机一般分为六部分，分别为驱动设备、滚筒、输送带、拉紧装置、托辊及辅助装置，其具体结构如图1 所示。其中，长距离带式输送机的驱动设备是由多台交流变频电动机组成的，在实际生产过程中，多台交流变频电动机运行会产生功率不均衡的现象，这导致带式输送机的电机负荷产生不均现象，使得设备能源损耗上升，成本无法控制，严重者会使电机磨损，造成电机烧毁现象。电机均衡性的影响因素分为静态因素与动态因素两类。其中，静态因素主要是长距离带式输送机的参数设计是否合理；动态因素为在产生不均衡现象时，设备是否具有迅速响应机制，可在时间要求范围之内对不均衡现象进行处理，保证带式输送机的有效运行。

图1 带式输送机结构示意图

长距离带式输送机的另外一个问题为速度调节问题。传统的带式输送机一般采用恒速运行的模式，但实际的生产活动中恒定不变的煤炭产量是十分少见的，这就使得带式输送机会有较多情况处于空载或低载荷运行状态，造成电能浪费，增加企业成本。

2 带式输送机启动功率平衡控制优化分析

传统的功率平衡控制主要有主从控制和并行控制两种，主从控制为以主机控制为主，从机进行配合，以实现驱动同步；并行控制为将电机参数统一设置，统一给定运行。并行控制抗干扰能力不强，主从控制同步性较弱，均无法完美解决功率不平衡问题。基于上述现象，本文提出了耦合补偿的方法对电机进行功率平衡控制，通过测定各个电机运行状态时的参数，依据参数的变化量进行差异性分析并进行相应补偿。该方法既可解决电机之间的运行误差，又可使电机转速精确达到设定值，减少运行误差。其具体的结构示意图如图2 所示。

图2 带式输送机启动功率平衡控制优化结构示意图

功率平衡控制系统会对各电机进行电流与转速分析，得出电机工作状态结果。假设图2 中两台发电机一台为电动状态，另外一台为发电状态。将两台的负载率进行比较，当负载率较大的电机为电动电机时，表明电动电机处于负载状态，电机需对输送机提供正牵引力，增大发电电机功率，提供负载；当负载率较大的电机为发电电机时，表明发电电机处于负载状态，这时应减少功率输出，使电动电机进入发电状态。

3 带式输送机变频调速优化分析

3.1 变频调速系统总体设计方案

针对传统带式输送机恒速运行的弊端，本文提出运用变频调速技术对带式输送机进行节能改造。对电动机进行调速的方法包括电磁调速、变极调速、转子串电阻调速、变频调速等方法。其中，变频调速因其调速平稳、响应速度快、输出稳定、节能等特点逐渐成为调速主流方式。变频调速的主要元件为变频器，通过与PLC 相组合的方法对带式输送机进行调速优化。其具体布置示意图如图3 所示。其中，PLC 为主控制器，变频系统与PLC 通过通信线进行连接，可实现数据的传输与处理。PLC 还可将变频器的数据向上位机传输，以实现上位机对带式输送机的精准控制。

图3 变频调速系统布置示意图

3.2 变频调速系统设计

3.2.1 变频器选型

变频器可分为两种，分别为交-交变频器与交-直-交变频器。交-交变频器的变频范围小，应用面较窄，故本文选用交-直-交变频器。交-直-交变频器主要是通过整流装置将交流电转化为直流电，然后利用逆变器将直流电转化为可调的频率与电压，从而实现变频调速。

由于长距离带式输送机是恒转矩负载模式，故设备在启动时对驱动系统的控制要求较高。故本文选用SIMOVERT MV 变频器，其具体配置如图4 所示。该变频器为西门子公司研发制造，属于中压变频器，设计连接电机额定电压为2.3～6.6 kV，功率为0.66～7.2 MW。该变频器具有启动电流小、力矩大、磨损与损耗较小、启动停止时间可调等特点，且对于带式输送机功率平衡问题有所帮助，较为适合本设计。

图4 变频调速系统配置示意图

3.2.2 PLC 选型

PLC 控制系统的主要功能为数据采集、故障判断与控制、人机对话。经分析，由于PLC 有储存容量要求，且PLC 与变频器等设备的通信采用PROFIBUS通信网络，故本文选用CPU315-2DP 可编程逻辑控制器，其模块配置及参数要求较为符合。

4 系统测试

1）输送机启动功率平衡控制优化方案无论处于静负载还是动负载状态下，无论电机参数是否相同，输出转矩都可按照比例进行分配，未出现欠载或者过载现象，解决了带式输送机启动功率不平衡现象。

2）将上述两种方案应用于实际中后，长距离带式输送机使用电量大幅下降，按工业电价0.83 元/kWh计算，一年约可节省95 万元，降低了企业成本，提升了能源使用率。

5 结论

随着能源使用成本的不断提高，对于设备的节能改造逐渐引起企业的重视。长距离带式输送机因其启动功率不平衡及带式输送机常处于空载或低负载状态，使得设备电能利用率较为低下。针对这一现象，本文进行了针对性节能分析，运用耦合补偿与变频调速的方法对其进行了节能优化设计，并得出了以下结论：

1）耦合补偿方法可有效解决长距离带式输送机启动时功率不平衡现象，降低设备磨损，提高能源使用率。

2）带式输送机启动功率平衡控制优化方案与输送机变频调速优化方案的使用可大幅度降低企业用电成本，提升能源利用率，按工业电价0.83 元/kWh 计算，一年约可节省95 万元，达到了节能改造的目的。