煤矿井下主运输斜井带式输送机节能控制研究_伍海宾.pdf

煤矿井下主运输斜井带式输送机节能控制研究伍海宾（汾西瑞泰能源集团有限责任公司，山西左权032600）摘要：主斜井带式输送机是整个矿井运输系统关键环节，常表现运输负载大、能耗高等特点，采用合理的节能控制系统控制主斜井带式输送机运行，可显著降低井下运输系统能耗。基于此，提出一种基于负载监测的带式输送机节能控制系统，该系统通过控制驱动电机运行数量达到节能降耗目的。节能控制系统应用后，主斜井带式输送机不仅可满足原煤运输需要，而且不会给带式输送机及供电电网带来冲击，每年可直接降低电费投入约 58.1 万元，取得较好应用成果。关键词：带式输送机；主斜井；运输系统；驱动电机；节能降耗中图分类号：TD528.1文献标识码：A文章编号：1003-773X（2023）06-0251-020引言为满足井下原煤运输需要，带式输送机通过静态设计方法并按照最大运输量确定输送带、减速器以及电动机等技术参数，“大马拉小车”情况较为普遍1-2。煤矿井下生产受瓦斯、地质条件等各种因素制约，煤炭产量不均衡，带式输送机负载常出现长时间空载、轻载等情况，为降低带式输送机能耗，在带式输送机空载时需频繁安排人工停机3。此外，部分矿井未对井下用电量进行考核，一些操作人员节能意识薄弱，带式输送机频繁出现长时间空载情况，导致带式输送机工作效率低、电能消耗量大，增大井下运输系统成本4-5。因此采用合适的带式输送机节能控制系统，实现带式输送机经济、高效运行是煤矿企业迫切需要解决的问题。现阶段煤矿节能多采用软启动及变频控制技术，上述方式对已投入使用的、工频控制带式输送机进行改造，则面临成本较高问题6-8。为此，提出一种带式输送机节能控制系统，可充分利用带式输送机现有设备降低节能改造成本并实现带式输送机节能运行。1工程概况山西某矿设计产能为 240 万 t/a，采用斜井开拓方式，现阶段回采 2 号、3 号及 7 号煤层，回采区域内煤层赋存稳定，部分地质地质构造复杂。现阶段煤矿生产主要集中在 2 号、3 号煤层，煤厚分别为 4.6 m、5.9 m，均采用综放开采工艺。2 号煤层 2303 综放工作面以及 3 号煤层 3307 综放工作面均受回采区域内地质构造影响，导致采面煤炭推进速度较慢。2303 综放工作面、3307 综放工作面原煤运输路线分别为：2303综放工作面2303 运输巷5 盘区运输上山+910运输大巷主斜井；3507 综放工作面3507 运输巷5 盘区运输上山+910 m 运输大巷主斜井。2号煤层及 3 号煤层回采的原煤均汇集到+910 m 运输大巷带式输送机，后经主斜井带式输送机运输至地面。+910 m 运输大巷、主斜井带式输送机铺设长度分别为 2856m、1667m，其中主斜井倾角为 812，提升高度为 330 m。主斜井带式输送机型号为DTL120/120/3280，输送带带强为ST/S1600、宽度1200mm，额定运行速度 3.15 m/s，额定运量 1 200 t/h，采用的 3 部型号均为 YB450S3-4 防爆电机驱动（电机额定电压 10 kV、功率 280 kW、转速 1 489 r/min），主斜井带式输送机采用工频控制方式，设备启动后按照额定速度运行。受井下生产不连续以及采面推进速度慢等因素影响，矿井实际煤炭产能较低，根据 2021 年 5月2022 年 4 月统计资料得知，主斜井带式输送机空载、轻载时间占整个运行时间的 70%，主斜井带式输送机长时间处于轻载或者空载状态，3 台驱动电机同时运行导致能耗较大。为此，提出一种带式输送机节能控制系统，该系统可依据带式输送机实际负载控制驱动电机运行数量，在满足主斜井原煤运输基础上降低设备运行能耗，同时采用的节能控制系统结构简单，驱动系统改造成本低、改造简单。2带式输送机节能控制系统应用分析2.1节能控制系统结构及节能原理具体构建的带式输送机节能控制系统结构如下页图 1 所示。带式输送机驱动装置包括 1 台主机、2台辅机，主机与辅机间采用 CAN 总线通信，并由主机控制辅机启动或者停止。具体过程为：主机实时采集带式输送机负载电流，并与节能模式设定的辅机启动、停机值紧张比对。若主机连续 1 min 内测定的带式输送机负载电流超过辅机启动电机，则主机依次向辅机 1、辅机 2 发出启动指令；若辅机启动后主机连续 1 min 内测定的带式输送机负载电流小于辅机启动电机，则主机依次向辅机 1、辅机 2 发出停机执行。辅机启动电流依据主机额定电流、辅机启动系数收稿日期：2022-09-23作者简介：伍海宾（1985），男，四川自贡人，本科，毕业于国家开放大学机械设计制造及其自动化专业，助理工程师。总第 242 期2023 年第 6 期机械管理开发MechanicalManagementandDevelopmentTotal 242No.6，2023DOI:10.16525/14-1134/th.2023.06.102技术应用机械管理开发第 38 卷（取值 60%100%）确定，辅机停机电流依据主机额定电流、辅机停机系数（取值 140%200%）确定。节能控制系统可依据带式输送机实际负载自动调节驱动电机运行数量，从而达到降低运行能耗目的。2.2现场应用分析2.2.1节能系统运行规则通过传感器实时检测主斜井带式输送机运行负荷，并通过运行负荷对比分析确定投入的驱动电机数量。在空载或者轻载时，若单台电机提供的扭矩满足现场需要时则用单台电机驱动；在重载时则启动 3 台电机满足带式输送机运输需要。具体各驱动电机启动规则为：1）KQ1为辅机 1 启动系数，取值 80%；KQ2为辅机 2 启动系数，取值 160%；Im为主机负载率。带式输送机处于轻载时仅启动主机，随着负载增加则逐个启动辅机 1、辅机 2。2）当 ImKQ1时，即主机负载率80%，则单台主机运行即可满足带式输送机驱动需要，此时仅一台主机保持运行；根据 2021 年 5 月2022 年 4 月统计资料发现，该状态运行时间约占带式输送机运行总时间的 37%。3）当 KQ1ImKQ2时，即主机负载率在 80%160%，单体主机难以满足带式输送机运输需要，则启动辅机 1。该状态运行时间约占带式输送机运行总时间的 33%。4）当 ImKQ2时，即主机负载率超过 160%，带式输送机负载较大，主机+辅机 1 难以满足带式输送机运输需要，则启动辅机 2。该状态运行时间约占带式输送机运行总时间的 30%。通过带式输送机负载控制驱动电机运行数量，在满足井下原煤运输基础上降低驱动电机能耗。2.2.2节能效果节能控制系统在主斜井 DTL120/120/3280 应用以来，带式输送机驱动装置可保持正常运行，设备故障率以及维修费用等均未有明显变化。具体节能控制系统应用前后驱动电机电流、功率统计结果如图 2所示。主斜井带式输送机现运行方式比原运行方式驱动电流平均降低约 4A、驱动功率平均降低约 200kW，主斜井带式输送机每日平均运行 18 h，则可直接节约电能 18 h200 kW=3 200 kWh，则年直接电费约3 200 kWh330 d0.55 元/kWh=58.1 万元。3结语在主斜井 DTL120/120/3280 带式输送机上使用的节能控制系统不需要安装煤流传感器、变频器等设备，依据监测带式输送机负载（主机负载）调整驱动电机运行数量，通过控制辅机启、停降低带式输送机能耗，采用的节能控制方式对供电电网以及带式输送机冲击小，同时不需要增设变频器等设备，应用成本较低。对节能控制系统运行规则进行阐述，在主斜井现场应用后，带式输送机运行平稳，驱动装置故障率以及维修费用等未有明显变化，带式输送机每年可直接节能电费约为 58.1 万元，取得较为显著的节能效果。参考文献1樊恒伟.基于变间隔调速的带式输送机节能控制系统设计研究J.机械管理开发，2022，37（7）：280-282.2赵瑞祥.变频调速节能控制技术在带式输送机上的应用探讨J.矿业装备，2022（3）：266-268.3高晋庭.变频调速带式输送机节能控制技术研究J.能源与节能，2022（1）：72-73；78.4王振华.DTL260 型带式输送机节能控制系统的研究J.煤炭与化工，2021，44（10）：93-94；97.5赵炳文.基于模糊控制的带式输送机节能控制系统设计J.煤炭技术，2021，40（8）：181-183.6郝洪涛，杨庭杰，张超.基于负载估计的带式输送机系统节能控制方法研究J.煤炭科学技术，2021，49（7）：139-146.7李林浩.关于 DTL1500 型矿用带式输送机节能优化控制系统的研究J.机械管理开发，2021，36（5）：208-209；212.8钱科.矿用带式输送机节能优化控制策略研究J.煤矿机械，2021，42（2）：27-28.（编辑：王慧芳）图 1带式输送机节能控制系统结构示意图图 2节能控制系统应用前后驱动电机电流、功率对比结果高压配电开关PRI-B135综合保护器PRI-B135综合保护器PRI-B135综合保护器主机辅机 1辅机 2CAN 总线现运行方式原运行方式2520151050电流/A最小电流平均电流7006005004003002001000功率/kW功率2-1驱动电机电流2-2驱动电机功率（下转第 255 页）2522023 年第 6 期其裂纹深度、局部应力集中等情况无法检测，导致再制造缸体存在安全隐患8。以曲轴为例，采用磁粉探伤检测表层是否存在裂纹，而曲轴的内部裂纹、应力集中程度和疲劳损伤情况无法检测评估，这也为曲轴再制造带来了安全隐患。为了提高再制造质量及其服役可靠性，采用磁记忆检测技术就可对构件的应力状态和应力集中区域作出判断，从而达到早期诊断的目的9。应力变化范围是影响疲劳寿命的主要因素，而再制造发动机的曲轴、连杆等关键件因长期在恶劣环境下工作，均存在不同程度的应力集中，易导致发动机的安全事故发生，为此，针对关键件的应力分析和评估对于提升再制造发动机的安全可靠性和延长使用寿命具有重要意义。总之，发动机再制造的无损检测技术，应向质量检测全面、自动化程度更高、检测成本更低、检测效率更快的方向过渡，其中数字化、智能化、图像化将是无损检测技术的发展方向。5结语根据再制造设计和实际维修纲领要求，论证了磁粉检测、荧光检测、超声检测和气压检查等技术在某型号发动机关键零部件再制造过程中的应用，在质量保证、效率提升和成本降低等方面均取得了显著效果。但无损检测技术不是一种“成形技术”，是不断发展的综合技术，随着发动机再制造水平的提升和再制造纲领的增加，应在经济性地运用常规的无损检测方法基础上，必须综合应用先进的无损检测技术来满足再制造发动机更高的使用寿命和工作可靠性。参考文献1佚名.“绿色再制造工程及其在我国的应用前景”列入中国工程院咨询项目J.中国表面工程，2000（3）：7.2刘贵民.无损检测技术M.北京：国防工业出版社，2006.3丁立红，雷卫宁.面向再制造工程的无损检测方法与应用研究进展J.江苏理工学院学报，2014（2）：53-57.4徐滨士，刘世参.汽车发动机再制造效益分析及对循环经济贡献研究J.中国表面工程，2005（1）：1-7.5朱胜，姚巨坤.再制造技术与工艺M.北京：机械工业出版社，2011：120-122.6蔡鹏，程玉华.超声波技术用于零件表面硬度无损检测的研究J.工具技术，2007（2）：85-89.7赵新明，黄玉清.无损检测技术在再制造工程中的应用及发展J.应用科技，2009（6）：120-122.8董世运，董丽虹，徐滨士，等.汽车发动机再制造生产中旧件的无损检测评价技术C/全国第九届无损检测学术年会论文集.北戴河：中国机械工程学会，2010，9：520-525.9任吉林，林俊明.金属磁记忆检测技术M.北京：中国电力出版社，2000.（编辑：王婧）Research and Application of Non-Destructive Testing Technology in Engine RemanufacturingWang Lianhong,Li Xi