带式输送机的能耗分析及变频驱动节能研究

柴杰 张杨

[摘    要]目前我国煤矿主运输系统带式输送机耗电占比较大，其节能改造对整体煤矿耗能有巨大价值。通过对钢绳芯带式输送机运行时各种阻力的计算、轻载或空载运行状态时的能量消耗分析，得出调整相应轻载或空载带式输送机的带速，可以实现最大限度的节能。结合变频调速原理，验证了空载运行及轻载运行状态下，改变电机的频率实现带式输送机运行时节能的理论依据。阐述了防爆变频器在我国煤矿广泛推广的现状下，变频驱动节能的前景需求。

[关键词]带式输送机;变频器驱动;节能

[中图分类号]TD528.1 [文献标志码]A [文章编号]2095–6487（2021）03–00–02

[Abstract]At present， the energy consumption of belt conveyor in the main transport system of coal mine in China is relatively large， and its energy saving transformation has great value to the energy consumption of the whole coal mine.Based on the calculation of various resistance of the steel rope core belt conveyor and the analysis of energy consumption in the light or no-load running state， this paper concludes that adjusting the corresponding belt speed of the light or no-load belt conveyor can achieve maximum energy saving.Combined with the principle of frequency conversion speed regulation， the paper verifies the theoretical basis of changing the frequency of the motor to realize the running time of the belt conveyor under no-load operation and light-load operation.This paper expounds the prospect and demand of energy saving in the situation that explosion-proof frequency converter is widely popularized in China's coal mines.

[Keywords]belt conveyor，variable frequency drive，energy conservation

目前，煤礦业依旧是我国最大的能源工业，我国在煤矿开采方面的耗能约占到全国能源总消耗量的3.86%。由此可见，煤矿业是我国产能最大的领域，同时也成为耗能最大的领域。以某年产量为2 000万～3 000万t、下属有12～17个新老煤矿的矿业集团为例，用于提升、通风、排水、运输、空压、热力、洗选、采掘等方面的较大型电力驱动装备为700～800台套，其各类设备数量及电耗情况如表1所示。

在煤矿开采中，主运输系统主要由带式输送机构成，针对带式输送机的大耗电率进行节能改造，将会对整体煤矿耗能产生巨大的影响。

1 皮带耗能分析

1.1 传动滚筒上所需圆周力的计算

在稳定运行时，钢绳芯带式输送机（受力示意见图1）的传动滚筒圆周力等于带式输送机的运行总阻力。钢绳芯带式输送机的运行总阻力是由几种阻力组成的，这些阻力可分为五类：主要阻力FH、倾斜阻力Fst、附加阻力FN、特种主要阻力Fs1、特种附加阻力Fs2。

主要阻力FH和附加阻力Fst的计算公式：

式（1）中，FH为主要阻力，ω为运行阻力系数（取值见表2），L为钢绳芯带式输送机长度，g为重力加速度，取g=9.8 m/s2，为每米输送机上托辊转动部分重量，为每米输送机下托辊转动部分重量，q0为每米钢绳芯胶带重量，β为输送机运输倾角。

附加阻力指在加料区的物料加速惯性力和摩擦力，在导料机槽与胶带之间的摩擦力，从动滚筒轴承处产生的摩擦力以及胶带在滚筒上缠绕产生的弯曲阻力，按国际标准计算方法，把附加阻力划到主要阻力当中去，其方法是把主要阻力乘以系数C，即

当系统处于空载运行时，q=0，则Fu为固定数值，此时通过调节电机的转速，则可以实现大量节能。

1.2 节能分析

煤矿井下的主运输系统大部分由带式输送机逐条搭接构成，在生产过程中，如下情况会导致主运系统处于轻载或空载运行状态：

（1）主运输系统中某台设备由于某种原因暂时停止运行。因为运输距离较长，无论是顺煤流起动还是逆煤流起动，均需要较长的起动时间，一般情况下，只会将上游设备停机，而不会将下游带式输送机停机，此时，就造成较多的带式输送机空载全速运行。

（2）有较多的时候，由于各种原因，产量并不均匀，造成主运输系统处于轻载或空载运行。

（3）有时同一煤矿两翼只有一翼在生产，但是主运输系统则仍处在全速运行状态。

基于以上原因，此时调整相应轻载或空载带式输送机的带速，系统在满足不停机的状态下，则可以实现最大限度的节能。

2 变频调速节能研究

2.1 变频调速原理

异步电动机的同步轉速由电动机的磁极对数（极对数）和电源频率所决定，电动机的转速：

式（7）中：n为电动机转速，r/min;ns为同步转速，r/min;f为电源频率，Hz;p为电动机磁极对数;s为转差率。

因此，只需改变电机的频率，即可实现对带式输送机电机速度的调节。

2.2 空载状态下的运行

在空载状态，通过调节变频器的输出频率至最低设定值如10 Hz，实现带式输送机降速至20%的额定速度，根据式（5）和式（6），则可实现带式输送机空载运行时的节能，节约空载状态下消耗能量的80%。

2.3 轻载状态下的运行

在轻载状态下，参见图2，通过煤流量检测仪，实时检测带式输送机上的煤流量，调节带式输送机的运行速度。

传感器采用LMS传感器硬件技术，基于时间飞行原理，用于对传送带上物体散料体积和流量进行非接触式测量。通过发送与接收激光脉冲的时间差，计算出2 D轮廓，然后再结合输送带速度，生成可靠的体积流量信号。将实时煤量采样至PLC进行数据分析和处理，结合电机电流以及前后级带式输送机运行情况进行综合分析，对带式输送机变频器进行速度调整，通过变频器的升、降速使皮带上煤量接近满皮带状态，直至带速降到最低设定值，如10 Hz。

3 结论

从空载至重载的各种状态里，系统做功分为两部分。一部分为运输有益载荷Q的有用功，这部分功是随着负载的变化而变化的;另一部分则是之前研究的空载状态下的做功。

在同样给煤的前提下，有用功的大小与带式输送机的速度没有关系，只与给煤的多少有关系。由式（2）可知，在相同的给煤量即相同的有益载荷Q下，带式输送机速度高只是q增加，即运输的效率高;速度低则q减小，即运输的效率低。

因此，轻载过程中的调速，对于有益载荷是不节能的，但是对于空载部分的能量还是可以成线性节约的。

4 现状及推广前景

节能减排是中国能源发展的基本国策。在能源价格低迷、电力与煤炭行业产能过剩的今天，节能工作尤其不能放松。随着近二十年，防爆变频器在煤矿的广泛推广，井下绝大部分带式输送机都已经采用变频器进行拖动，这就为根据煤量调带速提供了良好的应用环境和背景。现场只需选用准确、可靠的煤量检测，通过PID调节，驱动变频器调节带式输送机的带速，即可实现根据煤流量调节运输系统带速的目的。从目前在现场的应用数据来看，节能效果可以达到30%以上。

参考文献

[1] 张少波.我国煤矿能耗现状分析及节能技术发展方向[J].煤矿支矿，2008（4）：45-48.