馬香玲

(中煤西安設(shè)計(jì)工程有限責(zé)任公司，陜西 西安 710054)

0 引言

陜西黃陵建北煤礦生產(chǎn)能力為7.00 Mt/a，生產(chǎn)的煤炭是良好的動(dòng)力用煤及氣化、液化等化工原料。井下“一井兩區(qū)，一區(qū)一面”生產(chǎn)，現(xiàn)井下三、四盤(pán)區(qū)同時(shí)生產(chǎn)。目前煤炭主運(yùn)輸系統(tǒng)出現(xiàn)以下問(wèn)題：井下2個(gè)綜采工作面同時(shí)生產(chǎn)時(shí)，工作面峰值輸送量到主斜井帶式輸送機(jī)時(shí)，主斜井帶式輸送機(jī)頻繁出現(xiàn)過(guò)載保護(hù)停機(jī)、輸送機(jī)壓死情況以及重載無(wú)法啟動(dòng)工況，嚴(yán)重影響礦井正常生產(chǎn)及設(shè)備安全運(yùn)行。為此，急需對(duì)主斜井帶式輸送機(jī)進(jìn)行升級(jí)改造，提高過(guò)載能力，實(shí)現(xiàn)重載啟動(dòng)，保證礦井正常生產(chǎn)。

1 驅(qū)動(dòng)改造方案

1.1 現(xiàn)有主斜井帶式輸送機(jī)設(shè)備

建北煤礦主斜井帶式輸送機(jī)屬于大型帶式輸送機(jī)，驅(qū)動(dòng)采用隔爆電機(jī)+CST可控軟啟動(dòng)方式，主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 主斜井帶式輸送機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

1.2 改造原則

在現(xiàn)有主斜井井筒和驅(qū)動(dòng)機(jī)房設(shè)備基礎(chǔ)、空間中挖潛改造，盡量利用現(xiàn)有設(shè)備[9]；采用先進(jìn)的新技術(shù)提升主斜井帶式輸送機(jī)智能驅(qū)動(dòng)能力，實(shí)現(xiàn)重載啟動(dòng)，保證礦井主運(yùn)輸?shù)目煽?、高效和?jié)能生產(chǎn)；不改變主斜井帶式輸送機(jī)的帶寬以保證現(xiàn)有主斜井井筒斷面和設(shè)備基礎(chǔ)預(yù)埋件不變。

1.3 驅(qū)動(dòng)改造方案

1.3.1 永磁變頻調(diào)速驅(qū)動(dòng)方式的確定

傳統(tǒng)帶式輸送機(jī)異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)存在的啟動(dòng)困難、維修費(fèi)用高以及日常生產(chǎn)中突發(fā)故障多等問(wèn)題，其啟動(dòng)特性如圖1所示。永磁變頻直驅(qū)系統(tǒng)具有啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、過(guò)載能力強(qiáng)、效率和功率因數(shù)高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、免維護(hù)、溫升低以及使用壽命長(zhǎng)，便于實(shí)現(xiàn)智能化等優(yōu)點(diǎn)，極大地提升了運(yùn)輸系統(tǒng)的生產(chǎn)效率[12，4]，其啟動(dòng)特性如圖2所示。

圖1 異步電機(jī)啟動(dòng)特性Fig.1 Starting characteristics of asynchronous motors

圖2 永磁電機(jī)啟動(dòng)特性Fig.2 Starting characteristics of permanent magnet motor

智能永磁直驅(qū)系統(tǒng)融合變頻矢量控制技術(shù)、低速直驅(qū)大轉(zhuǎn)矩永磁同步電動(dòng)機(jī)技術(shù)和智能控制技術(shù)，解決早期設(shè)備在主斜井帶式輸送機(jī)上出現(xiàn)逆轉(zhuǎn)找磁極的問(wèn)題。永磁同步變頻電動(dòng)機(jī)革命性的拋棄三相異步電動(dòng)機(jī)、減速機(jī)、機(jī)械軟起裝置，采用電動(dòng)機(jī)與傳動(dòng)滾筒直聯(lián)的方式，具有重載軟啟動(dòng)和多機(jī)動(dòng)態(tài)功率平衡的功能。永磁同步電機(jī)采用永磁體勵(lì)磁而不會(huì)產(chǎn)生轉(zhuǎn)子損耗，總損耗相對(duì)于異步電機(jī)可降低40%～60%[6]，在啟動(dòng)過(guò)程中永磁直驅(qū)式帶式輸送機(jī)具有更小的張力峰值，同時(shí)在整個(gè)啟動(dòng)過(guò)程中比異步驅(qū)動(dòng)式帶式輸送機(jī)降低了約8%的能耗[15]。永磁直驅(qū)系統(tǒng)日?；久饩S護(hù)和檢修，節(jié)約大量的人力物力成本，減輕生產(chǎn)過(guò)程中的環(huán)境污染，有效減少碳排放。其智能調(diào)速功能滿足主煤流系統(tǒng)智能化建設(shè)要求，解決了大型主斜井帶式輸送的軟啟動(dòng)，重載啟動(dòng)和多機(jī)動(dòng)態(tài)功率平衡問(wèn)題。

建北煤礦主斜井帶式輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)方式改造采用目前技術(shù)先進(jìn)的智能永磁直驅(qū)系統(tǒng)替代傳統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)裝置直接驅(qū)動(dòng)帶式輸送機(jī)方案。

1.3.2 智能永磁同步變頻調(diào)速設(shè)備選型及比選

永磁同步變頻調(diào)速設(shè)備：目前，隨著永磁驅(qū)動(dòng)技術(shù)的發(fā)展，國(guó)內(nèi)外帶式輸送機(jī)永磁變頻調(diào)速驅(qū)動(dòng)設(shè)備主要有智能永磁直驅(qū)滾筒、智能永磁同步變頻調(diào)速一體機(jī)和智能永磁同步變頻調(diào)速分體機(jī)3大類(lèi)。煤礦井下帶式輸送機(jī)設(shè)備，用于煤塵、爆炸性氣體危險(xiǎn)環(huán)境的設(shè)備必須有煤安證。智能永磁直驅(qū)滾筒有煤安證的最大功率為315 kW；智能永磁同步變頻調(diào)速一體機(jī)目前1 140 V設(shè)備較為成熟，但沒(méi)有高壓設(shè)備；智能永磁同步變頻調(diào)速分體機(jī)目前低壓660 V/1 140 V，高壓6 kV/10 kV較為成熟，設(shè)備組成和適用條件見(jiàn)表2。

表2 智能永磁驅(qū)動(dòng)設(shè)備組成和適用條件

永磁同步變頻調(diào)速設(shè)備計(jì)算選型及方案比選：礦方實(shí)測(cè)井下2個(gè)工作面同時(shí)生產(chǎn)時(shí)的峰值煤量約為1 700 t/h，大約持續(xù)1 h。根據(jù)改造設(shè)計(jì)原則和設(shè)計(jì)依據(jù)。計(jì)算設(shè)計(jì)輸送量，計(jì)算帶式輸送機(jī)所需總圓周力和驅(qū)動(dòng)功率。永磁電機(jī)根據(jù)轉(zhuǎn)矩要求進(jìn)行設(shè)計(jì)選型，異步電機(jī)按照功率進(jìn)行設(shè)計(jì)。

設(shè)計(jì)輸送量

Q=3 600ψStANυρ

(1)

式中，ψSt為傾斜輸送時(shí)輸送帶承載物料的理論橫截面積縮減系數(shù)[3]，ψSt=0.91；AN為輸送帶承載物料的設(shè)計(jì)橫截面積，AN=0.165 m2；v為帶速，v=4 m/s；ρ為堆積密度，ρ=0.9 t/m3。

Q=1 946.94 t/h>1 700 t/h，輸送能力滿足運(yùn)煤要求。

所需總圓周力

FTr=CFH+FS+FSt

(2)

式中，C為附加阻力系數(shù)，選取C=1.09；FH為主要阻力，計(jì)算為116 907 N；FS為特種阻力，計(jì)算為11 403 N；FSt為提升阻力，計(jì)算為229 558 N。

所需總圓周力FTr=368 390 N

則所需單臺(tái)傳動(dòng)滾筒軸功率PM=FTrυ/2 000=736.78 kW，2臺(tái)。

永磁電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速確定

驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩確定(富裕系數(shù)k，取1.2[7])

T=k×9 550×PM=140 725 N·m

在永磁同步變頻電動(dòng)機(jī)選型時(shí)，應(yīng)由關(guān)注電動(dòng)機(jī)額定輸出功率的傳統(tǒng)慣性思維逐漸回歸到電動(dòng)機(jī)本質(zhì)，將關(guān)注點(diǎn)放在電動(dòng)機(jī)輸出額定扭矩上[7]。

經(jīng)設(shè)計(jì)計(jì)算，建北煤礦主斜井帶式輸送機(jī)采用2套永磁直驅(qū)電機(jī)。對(duì)于多電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式，最關(guān)鍵問(wèn)題在于實(shí)現(xiàn)各個(gè)電機(jī)的動(dòng)態(tài)功率平衡問(wèn)題，從而達(dá)到節(jié)能的效果[14]，永磁驅(qū)動(dòng)具有多機(jī)動(dòng)態(tài)功率平衡功能。依據(jù)現(xiàn)有10 kV電壓和改造后的驅(qū)動(dòng)功率要求，改造方案可選2套低壓1 140 V永磁變頻一體機(jī)和6 kV高壓的永磁變頻分體機(jī)。兩者對(duì)比見(jiàn)表3。

表3 分體機(jī)和一體機(jī)對(duì)比

建北煤礦主斜井帶式輸送機(jī)運(yùn)輸距離長(zhǎng)，總機(jī)功率大，屬于大型帶式輸送機(jī)，目前國(guó)內(nèi)外應(yīng)用永磁驅(qū)動(dòng)設(shè)備越來(lái)越多，但在主斜井帶式輸送機(jī)上采用永磁電機(jī)變頻驅(qū)動(dòng)技術(shù)實(shí)例較少，尤其2臺(tái)額定扭矩約159 kN·m(相當(dāng)于功率約為1 000 kW)的一體機(jī)，目前還沒(méi)有應(yīng)用案例，考慮到主斜井帶式輸送機(jī)為煤礦運(yùn)輸?shù)奶嵘屎憝h(huán)節(jié)，結(jié)合目前永磁一體機(jī)和分體機(jī)的技術(shù)發(fā)展，改造方案優(yōu)選永磁分體機(jī)方案。但隨著永磁控制、變頻控制技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展完善，一體機(jī)將電動(dòng)機(jī)和變頻器融合為一體，必將在主斜井帶式輸送機(jī)系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。

2 經(jīng)濟(jì)效益分析

煤礦機(jī)電設(shè)備大多為大功率用電設(shè)備，節(jié)能可以創(chuàng)造顯著的經(jīng)濟(jì)效益[10]。帶式輸送機(jī)是煤礦井下主要運(yùn)輸設(shè)備同時(shí)也是主要的能耗設(shè)備，恒速運(yùn)行雖然可滿足煤炭的運(yùn)輸要求[12]，但從井下工作面來(lái)看煤往往不均衡。

在倡導(dǎo)綠色節(jié)能的歷史背景下，通過(guò)煤量監(jiān)控，實(shí)時(shí)進(jìn)行帶式輸送機(jī)智能變頻調(diào)速控制，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)約電量消耗[11]，而永磁變頻直驅(qū)系統(tǒng)必將成為帶式輸送機(jī)的主流配置[4]。永磁直驅(qū)系統(tǒng)傳動(dòng)效率近似1，從而降低了維護(hù)和運(yùn)行成本[13]。永磁變頻直驅(qū)系統(tǒng)可根據(jù)負(fù)載情況進(jìn)行速度調(diào)節(jié)，能在任意頻率下低速運(yùn)行[8]，可滿足綠色礦山建設(shè)節(jié)能要求。

建北主斜井帶式輸送機(jī)采用傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)方式與永磁變頻驅(qū)動(dòng)方式的節(jié)能減排和維護(hù)效益對(duì)比分析見(jiàn)表4。以帶式輸送機(jī)運(yùn)行每年330 d，每天18 h，生產(chǎn)用電價(jià)格0.8元/度，負(fù)載按額定60%計(jì)算。

表4 節(jié)能對(duì)比

傳統(tǒng)帶式輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)更替為新型的永磁變頻調(diào)速直驅(qū)系統(tǒng)后，節(jié)能減排和經(jīng)濟(jì)效益顯著[5]。依據(jù)表4分析可見(jiàn)，建北煤礦主斜井帶式輸送機(jī)每年可節(jié)約電能總計(jì)約67.6萬(wàn)元，維修維護(hù)人工費(fèi)節(jié)約19.5萬(wàn)元，年節(jié)約總費(fèi)用約87.1萬(wàn)元。

3 結(jié)語(yǔ)

永磁變頻直驅(qū)系統(tǒng)應(yīng)用在主斜井帶式輸送機(jī)，不僅具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、免維護(hù)、性能可靠和高效節(jié)能等特點(diǎn)，而且具有啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、過(guò)載能力強(qiáng)，能夠解決大型主斜井帶式輸送的軟啟動(dòng)，尤其重載啟動(dòng)問(wèn)題，且其智能調(diào)速功能為實(shí)現(xiàn)煤礦主運(yùn)輸系統(tǒng)智能化控制提供了硬件支撐。