变频节能技术在煤矿机电设备中的应用探讨.pdf

2023.8 矿业装备/870 引言我国环境保护工作在近年来的发展中受到越来越高的重视，各类宏观调控政策随之大量出现，这些政策在强化环境保护有效性的同时，也对矿产领域的发展提出了更高的要求，促使各类煤矿企业不仅要控制开采规模，也需要做好开采成本的控制工作。由于煤矿生产大多数具体工作需要靠机电设备完成，而用于煤矿生产的机电设备又具有功率高、能耗大的缺陷，因此需要深入研发变频节能技术，并将该技术应用到煤矿机电设备的日常生产中，使之能够作用于煤矿企业的成本控制，同时帮助力煤矿开采工作实现绿色化、节能化方向的转型升级。1 煤矿企业对变频节能技术的需求煤矿企业的开采作业会涉及到大量特种工程机电设备的应用，其中的典型设备包括采煤机、输送机、提升机及流体负荷设备等。煤矿生产中应用的机电设备通常会在额定电压下保持长时间的运行状态，少数情况下出现高负载时，还能以超压状态运行一段时间，而长时间运行也是煤矿企业的生产需求。这就意味着煤矿生产中应用的机电设备会因为各种因素的影响导致超载、待机等现象出现，其中，超载是在特定时间段内负担高额工作量，待机则是在时段内无产出，均属于高耗能状态1。一般情况下，煤矿机电设备处于高耗能状态的时间越长，设备出现安全隐患的可能性就越大，这意味着企业在这种情况下将付出更高的运维成本，也不利于企业的安全生产。而在变频节能技术得到长足发展之后，该技术开始被应用到各个行业，并为不同行业的生产提供了可靠的节能支持。在这种情况下，煤矿机电设备也可尝试引入这种技术，来实现不同生产时段共点频率的调整，进而合理优化机电设备运转的负载。变频节能技术能够在需要的时候转换供电电源，通过应用逆变器来控制机电设备的工作电压；除此之外，变频节能技术还可通过设置传感器并配备相应的运算单元，来实时采集设备的运行参数，在获得运行参数之后可将其生成特定的控制信号，通过应用三相逆变器来将直流电转换为三相交流电。在以三相交流电为煤矿机电设备供能的情况下，设备能够以低功耗的状态持续运行，进而实现能耗的有效控制2。由此可见，变频节能技术能够根据煤矿机电设备不同时段的运作需求调整其实时运行状态，使运行状态符合不同时段的生产特征，进而实现设备能耗控制的高度优化。2 变频节能技术在煤矿机电设备中的具体应用在经过长时间的发展之后，当前的变频节能技术已经能较为顺利地应用在煤矿机电设备中，并按照设备具变频节能技术在煤矿机电设备中的应用探讨王彦（山西煤炭运销集团和尚嘴煤业有限公司，山西大同 037001）摘要：近年来，我国高度重视生态可持续发展战略的推动及落实，出台了多项政策监管并扶持煤矿企业的绿色发展之路。高能耗、高污染的煤矿机电设备被严格限制应用。许多煤矿企业开始尝试联合应用煤矿机电设备与变频节能技术。故此，以煤矿企业对变频节能技术的需求为切入点，针对该技术在煤矿机电设备中的应用展开探讨。关键词：变频节能技术；煤矿；机电设备88/矿业装备 MINING EQUIPMENT工 艺的功率提出更高要求。变频节能技术在提升机中的应用就是为了满足这种需求，在帮助提升机设备维持长期稳定运行的同时，实现能耗指标的有效管控及开采效率的合理提升。提升机对变频节能技术的应用需要结合质量传感器及其他辅助设备，共同搭建起智能化操作平台，该平台能够针对不同的装载质量调整提升机的功率，使提升机的作业状态充分满足煤矿开采作业需求，同时实现能耗的有效控制5。这种应用策略当前已经在我国多个矿区得到应用，整体上表现出非常理想的效果。2.3 变频节能技术在皮带输送机中的应用在应用变频节能技术之前，皮带输送机即使在空载的情况下也会保持满负荷功率运行。此时，该设备的能耗与产能之比无疑非常不理想，这是皮带输送机需要应用变频节能技术的原因之一。另一方面，则是因为皮带输送机通常以液力耦合器作为启动设备，该设备在运转过程中会出现一定程度的过载，并因为这种过载导致皮带偏移、电机失控等问题出现。此时，就需要应用变频节能技术来控制电机启动过程中产生的电流，以使设备过载的问题得到有效控制，降低因设备过热导致故障的概率。此外，变频节能技术还能在空载状态下降低皮带输送机的运转速度，进而控制设备整体能耗。在应用变频节能技术之后，皮带输送机在长时间运行过程中，能根据工况调整传输速度及作业功率，进而对能耗实现有效调节，避免了皮带输送机出现长时间满负荷运行的情况，进一步降低设备因高强度运行导致损耗的可能，使得设备的维护压力大幅下降6。2.4 变频节能技术在流体负荷设备中的应用流体负荷设备指的是水泵和循环风机这类设备，由于地层中可能含有一定的水分，开采作业过程中也可能导致岩层中毒害气体的泄露，因此煤矿开采也需要这类设备保持长期稳定运行。水泵和风机通常被用于循环处理矿井中的水和空气，以维护矿井开采作业的稳定与安全。结合当前矿井的普遍运行状态来看，多数煤矿企业在下属矿井的流体负荷设备中引入了变频节能技术，部分条件允许的企业还为设备安装了同步调节器，来实现针对作业环境进行的定向调整。其中，水泵在应用了变频节能技术之后，能够在使用过程中充分控制水流冲击强度，还额外增加了定时功能，能够根据工况调节作业体运作需求加以调整，进而充分发挥出理想的节能效果。2.1 变频节能技术在采煤机中的应用采煤机是煤矿生产作业中的关键机电设备，主要负担煤矿开采作业。由于煤矿开采工作环境相当复杂，采煤机则需要具备不同类型高度具体的功能，因此其设备结构具有很高的复杂程度，是囊括电气、机械、液压等方向多个子系统的复杂机械结构。在采煤机中加入变频节能技术的目的，就是实现对多个子系统能耗的有效控制3。采煤机的具体功能包括切割、装在、传动、辅助控制系统等，在获得变频节能技术的技术支持以后，作业人员可根据具体作业需求对工况功率加以调整，例如：根据作业面面积调节采煤机切割作业功率的大小，在满足作业需求的同时有效控制能耗与成本；装载构件单元也可应用变频节能技术调整运行功率，结合采煤产出量设置最理想的运煤速率；传统结构在牵引力上的需求并不是一成不变的，同样需要根据采煤量及装载量加以调整，视采煤量、装载量的大小适当提升或降低牵引力，来确保牵引功能符合生产实际情况。这种根据生产效率决定功耗的做法能够合理控制电能消耗，但需要变频节能技术与设备控制系统有效契合，来实现对设备整体能耗状况的优化，在最大限度上降低设备出现超负荷工作的情况，使煤矿开采作业能够安全、正常进行。2.2 变频节能技术在提升机中的运用提升机是矿区中非常常见的转运设施，通常表现为立井升降的形式，且在煤矿生产过程中需要保持不间断的持续运作，其转运内容除开采到的煤炭之外，也包括开采作业所需的人员、开采设备及各种内容。这就意味着提升机除了能够满足持续不间断运作需求之外，还需要保障运转过程的稳定性。由于提升机在运作过程中会出现频繁变速启停的情况，因而也成为煤矿机电设备中的能耗巨头之一4。通常变频节能技术在提升机中的运用分为自动化控制系统与高压变频调控系统两种类型，前者能够通过强化系统中信息传输能力的方式提升整机的可控性，后者则能够帮助提升机实现更精准的能耗控制，进一步避免设备出现的过度能耗问题。考虑到煤矿坑道的角度存在一定的差异性，而这种差异性导致煤矿提升机的作业功率也不完全相同，且多数情况下随着坑道的增加和掘进，提升机也需要满足更多的转运作业需求，这就对提升机2023.8 矿业装备/89时间，在一定程度上实现自动化控制，充分降低了能耗。风机则是在融入了变频节能技术之后，能够在待机状态将运转速度调整至下限，以怠速运转的方式持续运转，这就保证了风机这一通风设备运转的稳定性。考虑到煤矿开采作业面会随着开采程度的提升而不断增加，坑道中的气体成分也会变得越来越复杂，在不同情况下需要风机达到的作业强度也不一样，因此即使是在坑道中大量配备风机的情况下，也需要为之配备变频节能技术，进而在保证生产过程安全性的基础上合理控制能耗。例如在空气质量满足正常生产标准时，可通过变频节能技术来使风机处于怠速运行状态，将能耗控制在最低水平；在空气质量严重污染的情况下，则需要使所有风机满功率运行。要做到这一点，除了要配备变频节能技术之外，还需要为风机配备空气传感器，根据矿井内部空气质量变化状态合理控制风机启停，进而降低风机的能耗，并使之能够为矿井提供安全的空气环境。3 实际应用案例某煤矿企业在风机和水泵中引入了变频调速节能技术，并以该技术替代了原先的异步电动机控制系统，在实现远程控制的同时，也获得了控制精度的提升及操作难度的下降。结合流体力学原理可知，无论是风机或是水泵，其转速n、流量Q、压力H及轴功率满足以下几条定理：第一，流量与转速成正比。第二，扬程、压力与转速平方值成正比。第三，轴功率与转速的立方成正比。该企业首先对水泵应用两种不同控制方式时的结果进行了对比。在定速运行的情况下，借助出口阀将流量Q1减小至Q2（减小程度 50%），此时管网阻力发生改变，且压力 H 出现一定程度的上升。此时管网阻力特性并未发生变化。由于阀门调节过程导致系统压力上升，进而对管路及阀门的密封性能造成威胁，而在转速下降的同时系统压力同样会下降，此时系统的正常运行不会受到影响。在这种情况下，当水泵水流量缩减 50%之后，利用变频调速技术将转速调节更改为阀门调节，能够实现75%以上的节能。将这种策略应用到风机中之后，发现结果同样如此。具体应用内容如下所示：以一台功率 22kW 的风机为实验载体，该风机首先以全功率每天运行 18h，之后以 90%负荷每天运行 10h（频率取 46Hz，挡板调节时电机功耗取 98%），再以 50%负荷每日运行 8h（频率 20Hz，挡板调节电机功耗 70%），全年运行 300 天。此时，变频调速每年电能节约情况如下：W1=22101-(46/50)3300=14607kWhW2=2281-(20/50)3300=49420kWhWb=W1+W2=64027kWh挡板开度时，每年电能节约情况如下：W1=22(1-98%)10300=1320kWhW2=22(1-70%)8300=15840kWhWb=W1+W2=17610kWh此时，节点总量如下：Wb-Wd=64027-17610=46867kWh由此可看出，变频节能技术具有非常显著的节电效益。4 结束语煤矿开采设备在应用变频节能技术之后能够显著提升工作效率，同时帮助煤矿企业节约能源消耗。因此，在后续发展中具有不可忽视的优化潜力。作为煤矿企业节能减排的主要途径之一，对变频节能技术的应用还需要进行更进一步的研究，使之能够有效推动煤矿产业实现绿色可持续发展。参考文献1 武鹏飞.变频节能技术在煤矿机电设备中的应用探讨 J.能源与节能,2017(4):79-80.2 刘志强,杨鑫平.变频节能技术在煤矿机电设备中的应用探讨 J.大科技,2021(27):183-184.3 王鹏.探究变频节能技术在煤矿机电设备中的应用 J.煤,2018(7):83-84.4 宫国清.关于煤矿机电设备中变频节能技术的分析 J.装备维修技术,2021(1):21-22.5 杜斌雁.变频节能技术在煤矿机电设备中的应用 J.集成电路应用,2022(7):39.6 李刚,刘利.探讨变频节能技术在煤矿机电设备中的应用J.内蒙古煤炭经济,2019(21):168-169.