煤矿运输系统顺煤流启动节能技术研究

刘玉军

（山西华阳集团新能股份有限公司新景矿， 山西 阳泉 045000）

引言

带式输送机为综采工作面的主要运输设备，其承担着煤炭、矸石等物料的运输任务。随着工作面生产能力的增加，带式输送机朝着长距离、大功率和高运速的方向发展，设备耗能也相应增加。通过对带式输送机进行变频启动设计改造，已经实现带式输送机在满足实际运输需求的基础上减少电能消耗。目前，带式输送机主要采用逆煤流方式对现场设备进行依次启动，带式输送机为首要启动设备[1]。据统计，待所有设备完全启动并开始运行后，带式输送机已经空载运行20 min，造成电能的严重损耗。另外，带式输送机多电机功率不平衡也会影响正常运行。因此，本文针对性提出对煤矿运输系统采取顺煤流节能启动方式和多电机功率平衡设计。

1 多电机带式输送机的功率平衡设计

为了适应工作面大运量、高运速的运输需求，传统单电机驱动的带式输送机已经不能够满足实际生产需求，目前工作面主要采用多电机带式输送机。多电机带式输送机尽管在设计初期各参数设置均能满足实际生产需求，但是，由于装置的制造和安装会导致各项参数出现误差，进而导致电机功率不平衡的问题出现[2]。为解决多电机带式输送机功率不平衡的问题，目前可采用的方式包括有转矩—转速控制法、电流控制功率平衡法以及电流—转速多机功率平衡法等。

由于转矩- 转速控制法中涉及的转矩检测装置无法适用于综采工作面，电流控制功率平衡法无法对大功率电机进行功率平衡控制，因此，本工程基于电流- 转速多机功率平衡法，实现对带式输送机功率平衡的控制。

带式输送机采用三电机驱动，电机额定功率为250 kW，额定转速为1480 r/min。对液力耦合驱动装置的功率平衡控制器设计，实现三电机驱动的功率平衡是减少电机损耗的主要措施之一[3]。

结合带式输送机的基本结构，多电机功率平衡控制的主要对象为调速型液力耦合驱动装置或变频驱动装置。

当控制对象为调速型液力耦合驱动装置时，电机与液力耦合装置的输出一致。一般情况下，三电机驱动的带式输送机电机的功率分配为1∶1∶1，对应的功率平衡模块控制器结构如图1 所示。

图1 液力耦合调速驱动装置功率平衡控制器

2 带式输送机顺煤流节能控制设计

对带式输送机的顺煤流启动方式进行设计，减少带式输送机的空转时间，减少不必要的能耗。本工程所研究带式输送机的具体参数，如下页表1 所示。

表1 带式输送机主要参数

2.1 现状分析

以新景矿为例，工作面运输系统采用逆煤流方式进行启动，即首先对现场的各级带式输送机依次启动，最后启动给煤机[4]。该启动方式的优势在于保证煤炭到达系统时各级设备已经开启运行，不会出现堆煤、堵煤的问题。但是，实际应用过程中，逆煤流启动方式存在如下缺点：

1）现场共配有三级带式输送机，待给煤机完全启动后，各级带式输送机空转时间分别为16 min、9 min和4 min，从很大程度上增加了无谓的损耗。

2）传统逆煤流启动方式在设备出现故障时并不能够完成自主停机，从而导致堆煤现象出现，影响运输的安全性。

2.2 顺煤流启动技术研究

为解决逆煤流启动所带来的设备空转导致的电能浪费，采用顺煤流启动方式，具体启动顺序如图2所示。

图2 顺煤流启动顺序图

由图2 可知，所谓的顺煤流启动为从离给煤机最近的带式输送机开始启动。但是顺煤流启动方式容易造成堆煤事故的发生。为避免因顺煤流启动而导致的堆煤事故发生，在每条带式输送机机尾滚筒处安装煤流传感器，检测是否有原煤流过带式输送机。

顺煤流启动还有一个关键问题为：1 号带式输送启动后，间隔t 时间启动2 号带式输送机，以此类推。在控制策略中，对t 时间的确定与1 号带式输送机的长度、运输速度以及2 号带式输送机完全启动所需时间相关。参数t 的确定如式（1）所示：

式中：L 为前一阶段带式输送机的长度；v 为前一阶段带式输送机的运行速度；ti为本阶段带式输送机完全启动所需的时间。

对应的带式输送机停机也采用顺煤流方式控制，要求带式输送机停机后输送带上不堆煤，从而保证在下一阶段启动后能够实现空载启动。同样，顺煤流停机对应2 号带式输送机在L/v 时间后开始停机。

同时，为了避免顺煤流启动方式或停机方式引起的故障，在控制策略中必须加入有效的保护措施，通过最大程度地自动识别故障，以保证带式输送机的安全[5]。顺煤流控制流程如图3 所示。

图3 顺煤流控制PLC 流程图

2.3 节能效果分析

从经济效益和社会效益两个方面验证采用基于PLC 的顺煤流控制方式的节能效果。

2.3.1 经济效益

实践表明，系统采用基于PLC 的顺煤流启动方式，对应的带式输送机每天平均空载时间降低0.5 h，则对应的一条带式输送机所节约的电能为：0.5 h×300 d×250 kW×3 台电机=112500 kW·h。

工业用电按照1 元/kW·h 计算，每条带式输送机采用顺煤流启动方式每年可节约电费为11.25 万元。

采用PLC 为主的自动化控制方式，很大程度上减小了现场作业人员的劳动强度。现场工作面所配置工作人员的数量可减少9 人，每位作业人员的基本工资按照3.6 万元/年计算，直接节省的人员成本为3.6万元/年×9 人=32.4 万元。

2.3.2 社会效益

采用基于PLC 的顺煤流控制方式对带式输送机的启动和停机进行控制，在节省人员成本的同时也降低了作业人员在现场的安全隐患，减少了设备的故障发生率，从而保证现场的运输任务顺利完成。同时，新设计的顺煤流控制方式是集计算机技术、自动化技术和监控技术为一体的综合控制技术，具有高可靠性、操作简单的优势。

3 结论

带式输送机作为综采工作面的关键运输设备，在工作面生产能力显著提升的同时对带式输送机的运输能力也提出更高的要求。带式输送机为工作面的主要耗能设备之一，为进一步降低带式输送机的能耗，节约工作面生产成本，本文从实现带式输送机的电机功率平衡控制和顺煤流启动控制两个方面进行分析，并重点对顺煤流启动控制方式进行研究，得出如下结论：

1）基于顺煤流控制方式，每条带式输送机每年可节约电费约11.25 万元，可直接节省的人员成本费用为32.4 万元。

2）基于顺煤流控制方式，可直接减少设备的故障发生率，提升现场的运输效率，具有显著的社会效益。