节能技术在皮带输送机中的应用研究
时间：2023-06-12 22:55:05 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
乔小娟
（西山煤电斜沟矿，山西 吕梁 033602）
皮带输送机承担着井下原煤输送的重要任务，是煤层正常开采的重要生产设备[1]。在传统的皮带输送机使用过程中，利用工业50 Hz 恒频交流电驱动皮带输送机的运行，利用人工控制皮带输送机的运行参数，供电网络提供频率恒定不变的驱动电流[2]，当皮带输送机在较低负载或空载条件下运行时，供电网络不能根据设备实际运行工况调整输出电流的频率，部分电能在使用过程中做无用功，并以热能的形式逸散，造成能源损耗，难以满足井下皮带输送机节能高效作业的要求。利用变频技术对井下皮带输送机的驱动电流进行变频控制，根据设备负载变化实时调整供电网络输出电流的频率，提高驱动电流的工作效率，从而减少皮带输送机运输系统的能源损耗，经实践应用表明，变频节能技术能明显降低皮带输送机的能耗，具有一定的使用意义[3]。
1.1 皮带输送机的受力特点
井下煤矿开采时通常采用多机串联的方式把工作面开采的原煤沿井下工作面-综采工作面运输巷-轨道大巷-主井的运输路线运至地表进行下一步洗选，皮带输送机沿巷道布置，存在一定的倾斜角度，在原煤的运输过程中，皮带输送机主要克服原煤重力，原煤重力沿皮带输送机切向方向的分力与皮带上原煤的质量有关，两者成正比例关系。
1.2 皮带输送机能耗
皮带输送机的能耗与负载率密切相关，负载率越大，皮带输送机的能耗越小，两者的关系见图1，图1 中K 表示皮带输送机负载值与最大负载值的比值，即：
图1 皮带输送机能耗E 与负载率K 之间的关系
式中：K 为负载率；
Ki为皮带输送机的实时输送的原煤质量，kg；
Kmax为皮带输送机输送原煤质量的最大设计值，kg。皮带输送机的能耗E 与负载率K 成反比例关系，随着负载率的增加，能耗E 逐渐减少。当负载率K 在0～0.3 范围内变化时，随着负载率的增加，能耗E快速降低至0.25 kW 左右，当负载率K 在0.3～1 范围内变化时，随着负载率的增加，能耗E 缓慢降低至0.15 kW 左右，最终趋于稳定。因此，当负载率在0～0.3 范围内变化时，皮带输送机处于空载或低载荷状态，此时能耗值E 较高，驱动电机的输出功率大部分做了无用功，不符合设备高效运行要求。
变频技术的原理是利用变频器把工业恒频交流电转换为频率可控的交流电，根据机械设备运行的负载情况，动态调整供电网络输出电流的频率，当设备负载较大时，控制系统控制变频器提高输出电流的频率；
当设备负载较小时，控制系统控制变频器降低输出电流的频率，从而使设备节能高效运行，避免能源的浪费。变频技术机理简图见下页图2。
如图2 所示，从供电网络输出的50 Hz 工业恒频交流电在整流设备作用下，变为50 Hz 恒频直流电输送给变频设备，变频设备将整流设备输送的50 Hz 恒频直流电转换为频率可控的交流电输送给电动机，驱动机械设备的运转。整流设备的作用是把供电网路输出的交流电转换为直流电，变频设备的作用是把整流设备输出的恒频直流电转换为频率可控的交流电，在完成交-直-交转变的过程中，实现对输出电流频率的调节控制。
图2 变频技术机理简图
3.1 皮带输送机节能系统结构
传统的皮带输送机控制过程中，使用50 Hz 恒频交流电驱动设备运转，当皮带输送机负荷较低或空载时，驱动电流不能根据设备负载情况调整输入电流频率，造成能源的浪费。把节能系统植入到皮带输送机运行系统中，利用变频技术动态控制皮带输送机驱动电流频率，当皮带输送机空载或负载较低时，及时控制变频器降低输出电流频率。把变频技术植入皮带输送机运行系统后的结构见图3。
图3 皮带输送机节能系统
如图3 所示，图中1 区为变频控制系统，2 区为皮带输送机系统，A 为驱动电机，B 为皮带。2 区内的监测设备实时监测皮带输送机的承载率，并将监测数据反馈给控制系统，经控制系统分析判断后，输出控制信号控制1 区变频系统输出的驱动电流频率，动态调整驱动电机转速。当皮带输送机负载较小或空载时，控制系统控制变频系统降低驱动电流的频率，使皮带输送机节能高效运行。
3.2 节能系统参数设计
在节能系统设计中，根据皮带输送机的设备运行特点，选定合理的单位时间原煤运输量区间，并明确与原煤运输量区间相对应的皮带运行速度。根据监测到的单位时间原煤运输量，控制变频系统实时调整供电网络输出电流的频率，动态控制皮带运输机运行速度，减少能耗。皮带输送机运行速度与电动机功率一一对应，在确定皮带输送机运行速度后，可查表获得电动机功率，井下单位时间内原煤运输量与皮带输送机运行速度之间的控制关系如表1 所示，当井下监测设备监测到皮带输送机单位时间内原煤运输量小于等于Q1时，控制系统控制变频器实时调整输出电流的频率，使皮带输送机在驱动电机带动下以速度V1恒速运行，当井下监测设备监测到皮带输送机单位时间内原煤运输量在Q1～Q2区间时，控制系统控制变频器实时调整输出电流的频率，使皮带输送机在驱动电机带动下以速度V2恒速运行。皮带输送机运行过程中，单位时间内的原煤运输量与皮带输送机的运行速度成正比，随着负载量的增大，皮带输送机的运行速度逐渐增大。皮带输送机的运行速度与驱动电机的功率相对应，当明确了皮带输送机的运行速度后查表获得电动机功率。
表1 单位时间内原煤运输量与皮带输送机运行速度关系
某矿综采工作面采用4 台DSJ80 型皮带输送机串联方式运输原煤，皮带输送系统功率为6×1 200 kW，每天额定工作时间为19 h。利用变频技术对皮带输送系统进行节能优化，在4 台串联的DSJ80 型皮带输送机尾端布置监测设备，实时监测井下皮带输送机单位时间内的原煤运输量，根据井下的生产工况和皮带输送机的设备特点，确定单位时间内的原煤运输量与皮带输送机运行速度之间的关系如表2 所示。
表2 综采工作面单位时间内原煤运输量与皮带输送机运行速度关系
由表2 可知，当井下监测设备监测到皮带输送机单位时间内原煤运输量小于等于2 400 t/h 时，控制系统控制变频器实时调整输出电流的频率，使皮带输送机在驱动电机带动下以速度1.7 m/s 恒速运行；
当井下监测设备监测到皮带输送机单位时间内原煤运输量在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 时，控制系统控制变频器实时调整输出电流的频率，使皮带输送机在驱动电机带动下以相应的速度2.2 m/s、2.7 m/s、3.3 m/s、3.7 m/s、4.1 m/s 恒速运行。实现对井下皮带输送机运输量的实时监控，并动态调整皮带输送机的运行速度，降低皮带输送机空载或以低载荷运行时的能耗。
利用变频技术对该矿综采工作面采用4 台DSJ80 型皮带输送机进行节能改造后，井下皮带输送机系统的能耗降低了15%，取得较大的经济和社会效益。实践表明，在皮带输送机系统内植入变频节能系统，能实现对井下皮带输送机运输量的实时监控，并动态调整皮带输送机的运行速度，降低皮带输送机空载或以低载荷运行时的能耗，具有一定的使用价值。
1）利用静力学原理分析了皮带输送机的作用机理，统计分析了皮带输送机负载率K 和能耗E 之间的关系，当负载率K 在0～0.3 范围内变化时，能耗E 快速降低至0.25 kW 左右；
当负载率K 在0.3～1 范围内变化时，能耗E 缓慢降低至0.15 kW 左右，最终趋于稳定。
2）阐述了变频节能技术机理，根据变频技术机理和皮带输送机运行特点，设计了皮带输送机变频节能系统，明确了单位时间内原煤运输量与皮带输送机运行速度的对应关系。
3）利用变频节能系统对某矿综采工作面的皮带输送机进行节能改造，结果表明：变频节能技术降低了皮带输送机运输系统15%的能耗，具有一定的使用价值。
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