煤矿带式输送机变频调速节能技术应用研究.pdf

第 卷第 期能源与环保 年月 收稿日期：；责任编辑：郭海霞 ：基金项目：国家自然科学基金资助项目（）作者简介：史发慧（），男，江苏南通人，高级工程师，年毕业于中国矿业大学，现从事煤矿装备研发及研发管理工作。引用格式：史发慧，王丹 煤矿带式输送机变频调速节能技术应用研究 能源与环保，（）：，（）：煤矿带式输送机变频调速节能技术应用研究史发慧，王丹（常州科研试制中心有限公司，江苏 常州 ；河南省煤炭科学研究院有限公司，河南 郑州 ）摘要：以煤矿主斜井带式输送机为研究对象，介绍一种煤矿带式输送机变频调速节能控制系统设计方案。此系统主要分为检测单元、控制单元以及执行单元 部分结构，系统主要装置包括 节能控制装置和变频调速装置。系统设计主体包括主斜井带式输送机选型、主斜井带式输送机电气监控系统以及主斜井带式输送机 控制软件等。完成相关系统模块设计后，将系统应用于煤矿主斜井带式输送机具体控制过程中，从运输效率、电气节能、机械损耗、社会效益等方面分析煤矿带式输送机变频调速节能控制系统应用成效，确认系统应用价值。最终判断此系统设计具有较强可行性，可在后续设计中进行参考和应用。关键词：带式输送机；变频调节；节能技术中图分类号：文献标志码：文章编号：（），（，；，）：，：；随着科学技术的快速发展，如今带式输送机运输性能得到快速提升的同时，其电量消耗所产生的成本在煤矿企业总生产成本中的占比也在持续提升。通常情况下，为满足生产规模需求，带式输送机设计中均会预留出一定的裕度，所以在带式输送机电气和机械选型配套设计时，需求在生产最大值的基础上再合理配置冗余系数。在不同时期 时间段条件下，带式输送机运输煤炭量存在一定的不均匀性，其在高运煤量下的电机有功做功较大，实际工作效率较高；在低运煤量条件下电机有功做功较小，实际工作效率较低，大量电能被浪费，增加煤矿生产成本。当前变频调速技术和传感器技术得到快速发 年第 期能源与环保第 卷展，并可根据带式输送机运煤量变化合理调节。但综合分析后可知，现有变频调节技术难以实现连续精准调节，具有一定的应用局限性。因此，介绍一种煤矿带式输送机变频调速节能系统，对现有研究成果进行补充完善，解决现有变频调节技术存在的问题，提高带式输送机变频调节控制成效，将具有一定的应用价值。工程概况靖远煤矿地处于我国西北部地区，东西长 、南北宽 ，总体呈现出不规则矩形，面积为 。煤矿具备多层煤炭层结构，其中三煤层是最具开采架构的煤层，煤层厚度为 ，煤层倾角 ，整体分布范围较小。煤矿预计储量为 万 ，设计年产量为 万 ，根据煤矿实际情况以及经济成本等多方面因素综合分析后，采用“立井 斜井”开采方式。在煤矿矿井设立之初，煤矿设置有进风立井、回风立井、主斜井、副斜井 个开采口，其中主斜井的倾角为 ，总长度为 ，净宽度为 ，断面截面积为 ，提升采用 条带式输送机搭接提升。节能控制及变频调速装置 节能控制装置 作为煤矿带式输送机变频调速节能控制系统的控制核心，其主要负责实时数据采集运算及控制指令输出等功能。具体 控制系统基本结构如图 所示。图 控制系统基本结构 煤矿内部的 控制主站设置于控制中心内，具体应用中需在设备端增设远程分站实现本地控制，远程分站与控制主站之间采用以太光缆相连，并通过模拟量输入模块和 通信实现数据交互及转换处理 。远程分站可接收控制主站之间的控制指令，远程分站可将带式输送机运行参数上传至控制主站，控制主站再根据数据调整控制指令，实现动态控制效果。为保障 控制系统的运行稳定性和安全性，设计中采用双 冗余系统，并为每个系统配置单独的电源模块和通信模块。另外，在具体应用中，两个 分别负责主控制和主控制运行监视，在主控制 发生故障后，通信模块立刻将故障状态指令发送给备用 ，备用 立刻投用至主控制，保障带式输送机连续控制。分别于综放工作面巷道输送机和主斜井 部胶带机上各设置一部核子秤，核子秤所采集的胶带机运煤量数据会经由远程分站初步处理后传输至控制主站中的 进行在此运算处理，根据运算结果匹配数据库中的预设参数将控制信号传输至胶带机变频器，从而实现胶带机的变频调速节能控制效果。具体来说，可根据运煤量数据通过变频器控制带式输送机带速，若是核子秤未采集到物料数据，则 控制胶带机停止运行，避免出现空载运行情况，达成调速节能控制目标。变频调速装置煤矿主斜井 条带式输送机各配置有 台驱动电机实现变频控制，每台驱动电机还配置有 台对应的多电平完美无谐波变频器，综合保障带式输送机变频调速控制效果 。为保障带式输送机变频 年第 期史发慧，等：煤矿带式输送机变频调速节能技术应用研究第 卷控制时的速度同步、功率平衡等要求，台驱动电机采用相互关联控制模式，其中 台驱动电机设置为主传动，另外 台驱动电机设置为从传动，与主传动电机保持同步转动，具体转矩输出控制以主传动为依据。台驱动电机对应的变频器均设置在矿井进口地面配电室内，变频器之间的数据通信采用变频器内部通信网来实现。驱动电机与变频器共同组成的变频调速装置主要负责带式输送机自动 手动控制、动态符合检测和电机给定速度控制、变频器故障检测以及上位机通信等功能，相关功能可有效保障变频调速装置的应用效果。系统软硬件设计实践 主斜井带式输送机选型设计中，需根据煤矿 综放工作面实际情况合理实施主斜井带式输送机选型工作。综合市场上现有各类带式输送机结构及参数特征，确认主斜井带式输送机主要技术参数见表 。表 主斜井上段 下段带式输送机技术参数 项目技术参数运煤量（）带宽 带速（）长度 高度 托辊槽角（）托辊直径 胶带选型 阻燃钢丝绳芯胶带胶带带强（）传动滚筒直径 项目技术参数驱动模式减速器 中压变频器电机 电机功率 功率配比 拉紧装置 拉紧装置最大拉力 逆止器选型 型逆止器逆止力矩（）输送带安全系数 主斜井带式输送机电气监控系统煤矿主斜井带式输送机电气监控系统基本架构如图 所示。图 电气监控系统基本架构 高低压配电装置根据煤矿综采工作面供电设计方案，主斜井上段和下段带式输送机均为二级负荷，其电力供应的 变电所设置在主斜井进口附近。为保障电力供应的持续性和稳定性，带式输送机对应的高压变频设备设置在 变电所内部，出线电缆沿主斜井敷设，并在下段带式输送机机头区域设置配电点，为下段带式输送机辅助设备提供电力供应。变电所两回路高压线路采用 交联聚乙烯电力电缆，两回路电缆分别从 变电站的 侧不同母线处引入，并通过 台电力变压器为带式输送机提供电力供应 。具体供电系统结构如图 所示。变频调速装置煤矿带式输送机变频调速节能控制系统的变频调速输送功能主要由变频调速装置实现。其中变频器负责接收 的频率控制信号，并按照给定信号频率驱动电动机实现带式输送机调速。综合市场现有煤矿用变频调速装置后，选用 型多电平完美无谐波高压变频器作为本设计中的系统变频器，煤矿主斜井 条带式输送机各配置有 台驱动电机实现变频控制，每台驱动电机还配置有 年第 期能源与环保第 卷台对应的多电平完美无谐波变频器，共计配置 台变频器。每台带式输送机所对应的 台变频器中均集成有隔离变压器和变频器等功能，其不仅可以根据 频率控制指令输出 控制电压信号，还具备过电压 电流、欠电压、缺相、过热 过载、输出接地 短路等多方面故障保护功能，可为带式输送机提供较为稳定的运行控制保障 。图 煤矿主斜井带式输送机供电系统结构 控制装置 控制子系统作为煤矿带式输送机变频调速节能控制系统的控制系统，其主要负责采集数据分析与控制信号输出等功能。系统设计中 控制器采用 系列 ，该 中集成 核心、电源模块、模块、模拟量输入 输出模块、通信模块、电源模块等多种模块 ，并采用双 冗余技术和集约结构设计，可满足本系统设计的 功能需求的同时，也有利于后续系统的升级拓展。因此，在综合分析市场上现有诸多 控制装置以后，选用该 作为系统 控制器。综合保护装置变频调速节能控制系统的自动化变频调速节能控制需求综合保护装置作为带式输送机自动控制支持。具体设计中综合保护装置采用 型带式输送机控制装置，该带式输送机控制装置具备延时起车、瞬时停车、设备间相互闭锁、预警联系信号等多种功能，可实现带式输送机起停控制、跑偏 胶带打滑预警、纵向撕裂预警、温度 烟雾预警、电机故障预警以及系统紧急闭锁等效果 。综合保护装置沿带式输送机主变频器方向沿线接触 台长 的屏蔽助燃拉力电缆，并在电缆的另一端配置 台组合扩音电话，并在后续设置中每间隔 配置 个闭锁点和 个电话点，用于实现系统起停预告、紧急闭锁以及沿线扩音通话的即时达成效果。另外，在带式输送机机头区域配置本安型速度传感器、本安型温度传感器、延误传感器、隔爆型电磁阀、堆煤传感器各 台，另设有跑偏传感器台 。通过以上多种传感器实现带式输送机运行数据采集，保障采集数据的全面性和完整性。在带式输送机尾端设置 台组合扩音电话，该组合扩音电话用于跑偏传感器和撕裂传感器接入使用。主斜井带式输送机 控制软件 控制主程序主斜井带式输送机 控制主程序涉及起动预警、自检保护、数据监测、功率平衡、节能调速等控制阶段，具体控制流程如图 所示。图 主程序控制流程 年第 期史发慧，等：煤矿带式输送机变频调速节能技术应用研究第 卷 启动预警控制 控制变频器启动开车，变频器输出频率驱动电动机按照预定输出曲线进行持续运行。在此过程中，启动预警控制主要设计开车预警、电动机软启动预警、电动机冷却风扇预警、减速油泵启动预警等环节 ，具体启动预警控制流程如图 所示。图 启动预警控制流程 带速和煤量测量控制 动态化控制需要精准有效的带速和煤量测量数据作为支持，所以为 控制软件配置带速和煤量测量控制功能，核子秤对输送机的带速和运煤量进行综合采集，所采集的数据在经过远程分站初步处理后，通过以太光缆传递至 处进行分析测算 ，同数据库中预设参数匹配对比后，向变频器输送控制信号，实现胶带机的转速控制效果。具体带式和煤量测量控制流程如图 所示。功率平衡控制功率平衡可有效解决多台带式输送机同时驱动时功率分配不平衡问题。其控制子程序可根据传感器设备所采集带式输送机电动机电流信号来实现运行频率分析，促使电动机输出功率可处在设计功率区间范围，并与输出转矩达到设计预期，保障带式输送机的安全稳定运行。具体功率平衡控制流程如图所示。图 带式和煤量测量控制流程 节能调速控制 根据核子秤获取的运煤量和带速参数合理调整控制参数值，实现带式输送机的最优控制效果。具体节能调速控制流程如图 所示。控制系统工程应用成效在介绍煤矿带式输送机变频调速节能控制系统基本架构体系后，根据系统结构于煤矿中进行系统安装及应用，并比对系统应用前后的运输效率、电气节能、机械损耗、社会效益等方面变化情况，确认系统应用价值。（）运输效率。应用后带式输送机的平均运煤量为 ，此运煤量条件下的带式输送机冗余比为 。在系统应用前，煤矿内带式输送机长时间处于匀速运行状态，其实际运输效率较低。在系统应用后，可根据带式输送机冗余比来合理设置不同运煤量条件下的带式输送机运行速度，其中重点设置轻载和空载条件下的运行速度变化，保障系统运行效率 。根据现场测试可知，当运煤量每增加，带式输送机运行速度会同步增加 ，进而促使整体系统输出功率提升。（）电气节能。在系统应用前，煤矿 综放工作面主斜井每台驱动电机输出功率为额定功率的 ，带式输送机全年总用电量为 ；在系统应用后，当带式输送机的运煤量低于额定运煤量一半时，系统会将变频器输出频率调整为 ，进而促使应用后带式输送机全面总用电量为 ，相较于应用前节电约 的电量，实际节电率为 ，总体节电效果较为明显。年第 期能源与环保第 卷图 功率平衡控制流程 图 节能调速控制流程 （）机械损耗。通常情况下，带式输送机运行速度越快，其机械损耗越高。为降低机械损耗，系统可根据传感器采集数据信号实现带式输送机运行速度的动态化控制，避免带式输送机在轻载和空载情况下的高速运行，降低带式输送机机械损耗。应用后统计分析确认主斜井托辊、减速器、胶带以及润滑脂更换成本节省约 万元。（）社会效益。现阶段，社会对于煤炭需求持续增大，从而带动煤矿产业及相关技术的快速创新与发展 。通过煤矿带式输送机变频调速节能控制系统设计可为后续其他相关控制系统设计提供参考，增强行业自主创新能力。同时系统可降低带式输送机控制中的人力需求，提高控制成效，降低现场人为控制安全风险。结语以煤矿主斜井带式输送机为研究对象，介绍一种煤矿带式输送机变频调速节能控制系统设计方案。系统主要包括检测单元、控制单元以及执行单元三部分结构，可通过传感器实现带式输送机运行数据采 年第 期史发慧，等：煤矿带式输送机变频调速节能技术应用研究第 卷集，根据采集数据分析处理后，输出对应控制指令控制变频器调整驱动电机运行速度，实现带式输送机变频调速节能控制效果。在煤矿 综采工作面中应用后确认，煤矿带式输送机变频调速节能控制系统在运输效率、电气节能、机械损耗、社会效益等方面均表现出较强的优势，可在后续煤矿带式输送机变频调速节能控制系统设计中进行参考应用。参考文献（）：钱立栋，张宏伟 带式输送机自适应节能控制技术 中州煤炭，（）：，（）：李明生，赵虎 煤矿胶带输送系统煤流节能技术研究 能源与环保，（）：，（）：刘妍萍 矿用带式输送系统应用研究 能源与环保，（）：，（）：徐国强，陈鹏飞 基于变频器应用的井下带式输送机优化研究 中州煤炭，（）：，（）：，陈斐，赵亚玲 矿用带式输送机自动控制系统设计及其应用研究 能源与环保，（）：，（）：，赵超，何富贤，张秋寿，等 大功率变频器集中控制系统在带式输送机上的应用 中州煤炭，（）：，（）：田晶，罗立川 矿用带式输送机多电机智能控制系统的设计与应用研究 能源与环保，（）：，（）：刘颖，朱栋栋，张豪 带式输送机智能控制系统研究与应用 能源与环保，（）：，（）：魏晓 下运带式输送机变频及同步制动装置的设计安装 中州煤炭，（）：，（）：涂兴子，王万龙，杨建伟，等 芳纶输送带和永磁电机新技术的研究及应用 能源与环保，（）：，（）：王志广，王朋飞 变频控制系统在矿用带式输送机中的应用 能源与环保，（）：，（）：，檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶 （上接第 页）李万鹏，孔令刚 矿用风筒的现状与发展 工业安全与防尘，（）：，（）：丁芳 塑料自然老化与人工加速老化相关性研究 商品与质量，（）：，（）：，朱正宪，孔令刚，李万鹏 我国煤矿用风筒产品概述 矿业安全与环保，（）：，（）：薛金城 阻燃杭静电技术在矿用胶布导风筒中的应用 特种橡胶制品，（）：，（）：刘世翔 煤矿用风筒涂覆布重复性试验分析 科学技术创新，（）：，（）：陆振乾，吴元强，王涛 柔性风筒的研究进展 产业用纺织品，（）：，（）：刘明，侯翠劳，胡伟力，等 矿用多功能风筒的设谜与整疹 产业用纺织品，（）：，（）：，任连保 阻燃、抗静电矿 用风筒布的生产技术 聚氯乙烯，（）：，（）：冯宗福，刘荣厚 塑料无缝导风筒 矿业安全与环保，（）：，（）：中华人民共和国煤炭工业部 煤矿井下用聚合物制品阻燃抗静电性通用试验方法和判定规则：北京：中国标准出版社，