在“能耗双控”目标下煤炭洗选耗能系统的节能研究

＊侯丽华 张利云 吴春灵*

（1.鄂尔多斯应用技术学院 内蒙古 017000 2.鄂尔多斯市中钰泰德煤炭有限公司 内蒙古 017000）

引言

煤炭是多种物质伴生的不可再生资源，对其进行精选加工是提高煤炭综合利用程度、降低环境污染的有效途径。选煤厂是煤炭经开采至地面后进行洗选加工的单元，机械化程度比较高。煤炭洗选是连续生产方法，主要有原煤输入、破碎、筛分、重选、浮选、脱水等环节，都是紧密的连续性生产环节。作为大宗散粒物料的分选，其连续流态化的各个环节都需一定时间，而每个环节的停顿均会导致部分煤炭未经有效分选直接进入精煤产品中。选煤厂用电设备相对集中，运转机械大部分都集中在原煤准备、洗选、浓缩几个车间，安装相对集中，因此供电和控制都比较方便。目前，我国煤炭洗选过程基本实现自动化控制，选煤生产过程各环节连续性、关联性较强，设备之间的制约关系明显，洗选设备便于实现自动启停及自动化控制[1]。

1.选煤厂供电系统要求

选煤厂电力用户对供配电系统的要求主要为供电的可靠性、电能质量、供电安全性、供电系统的灵活性和经济性等方面。

(1)选煤厂供电可靠性要求

选煤厂供电可靠性指要求供电的连续、不间断性。我国的电力用户负荷划分为三个等级，分别为一级、二级、三级负荷[2]。

(2)选煤厂供电电能质量要求

选煤厂的电能质量指标有电源电压U、电压波形的稳定性及电源频率ƒ。

①电源电压

供电电压幅值理想状态应该为额定值的三相对称正弦电压。而实际供电网络中会有阻抗、用电负荷的变化等影响因素，导致用电设备在实际工作中的电压值与额定电压有一定的偏差，称为电压偏差或电压波动。

A.电压偏差

电压偏差是实际电压U与电压额定值UN之间的差值[3]，以△V1表示，其表达式为：

△V1=U-UN

选煤设备主要传动设备异步电动机的转矩M与电源实际电压U的平方成正比，即M∝U2，可以看出，电压波动会导致电动机转矩变化剧烈，从而导致能耗增加、设备老化，甚至烧毁电动机。

电源电压的偏差过大，影响电力系统运行，对用电设备危害较大，而且易导致能耗高。

B.电压波动

在某段时间，电压变化剧烈偏离额定值的现象称为“电压波动”[4]。用以衡量电压的稳定程度。电压波动是某一阶段电压最大值Umax和最小值Umin之间差值，以△V2表示，其表达式为：

电压波动在国家标准中有相关规定[5]，严重的电压波动会造成选煤电气设备不能正常工作，必须保证在规定范围内。

②电源频率

我国工业标准电流频率为50Hz，一般用频率偏差来评估电源频率的稳定性。以系统实际频率ƒ与标称频率ƒN之差（△ƒ）表示，即：

对于洗选相关交流电动机，其转速n正比于电源频率ƒ，即n∝ƒ。电源频率的偏差对电动机的危害取决于偏差的大小及持续的时间。

③电源电压正弦波及畸变

在正常情况下，按照三相交流发电机原理，电源电压波形应是正弦波[6]。但由于电力系统的发电、输电、配电、用电等不稳定因素，使得实际的电压波形呈现不规律正弦波，这种现象称为正弦波畸变。供电系统为了提供系统电压波形为完整正弦波，首先要保证发电机发出符合标准的正弦波电压，其次在电力输送、变压、配电及用电过程中不导致正弦波畸变。

(3)选煤厂供电系统稳定性和经济性的要求

发电厂的电能需要用高压输电线输送到用电地区，经降压及配压后分配给各用户。

一般将同一个区域的各种发电厂统筹联合起来，组成一个强大的电力系统，从而可以提高发电厂的设备利用率，合理调配各发电厂的负载，以提高电网系统供电的可靠性和经济性。

2.选煤厂供电系统节能研究

我国因地域广阔、输电距离远、供需不平衡等因素，导致电力品质不稳定、电压偏差、电压波动、谐波等影响整个电网，加之用户端非线性负荷、波动负荷、非对称负荷的使用造成电力品质的优劣波动，导致功率因数低，用户侧电力能效降低，安全隐患出现，同时也导致用电量上升，增加了用户的经济负担。

针对以上电力系统存在的问题及对选煤厂用电系统的研究，利用电磁平衡式节电器，以“电磁调压、电磁平衡、电磁移相、电磁滤波”4S电磁理论为基础，遵循由磁控电的理论技术，抑制电压偏差和波动、消除瞬间高压、消除谐波、平衡相位角、提高功率因数。

主要工作原理是通过调节变压器主磁通，使变压器运行能效调整至高效区间，向负载输送经济有效电能，减少变压器和负载间无效能量交换，降低变压器和负载的铁损、绝缘介质损耗、铜耗，以及过饱和磁通引起的电流畸变能耗，使变压器能效比提高、体积能量密度增高。

(1)电磁平衡技术原理

在理想情况下，三相电压的频率相同、幅值相同、各相电压向量相差120度，相位差也相同，如图1A所示。但在三相电压不平衡时，则产生负序电压和零序电压分量，如图1B所示。

图1 三相电压不平衡原理图

对比图1A和图1B，从图1B三相不平衡电压图可以看出，其幅值不同，按向量图解法可得出负序分量电压UB2、UC2及UA0，这几个向量均是反方向的序量，可使电动机产生反向旋转制动力矩，如果要克服它并且按正方向保持原速度，就要额外的增加相对于一倍负序分量的正序能量才能保持原速度，如果U负序＝1.5%U正序，则功率要增加△P=U2/R=（1.5%）2P正序。由于电压的不平衡导致电压和电流负序分量，使电动机产生振动力矩和线圈漏磁通损耗。

利用低漏感铁心变压器技术，对变压器主磁通进行控制和调节，附加一个调节绕组，调节电动势，电压对称补偿，使得电源变压器具有理想变压器的电能输变特性。通过附加电压进行磁通矢量调节，改善变压器三相电压的不平衡度。

(2)选煤厂电能控制方法研究

在实际选煤厂生产过程中，因洗选负荷变化、煤质变化、设备状况、现场管理好坏等影响因素，总的电能消耗变化较大[6]。目前，在国家“双碳”“能耗双控”政策要求下，选煤厂都在寻求更加有效地使用电能。

在选煤厂主变压器安装节电器，通过附加电压进行磁通矢量调节，改善变压器三相电压的不平衡度。通过谐振技术方式调制附加电压，抑制和消除输入侧和输出侧的谐波电压。

节电器将变压器和负载等效电路构建成物理量模型，将各个物理关系式进行离散化处理，通过运算输出调制电压，调节主磁通。负载侧电量发生变化时，节电器会以不同的调制电压控制变压器主磁通，使变压器和负载运行在高效能区间。

在鄂尔多斯某煤矿选煤厂应用节电技术进行实验后，由于对主磁通进行了优化控制，使变压器损耗降低。实验结果如下：

由以上图2对比可以看出，通过对1#变压器的节电改造，消减谐波电压、消减电压不平衡度，改造后输出电压降低至额定电压值附近，且电压更加平稳。

图2 选煤厂改造实验后1#变压器输出电压情况

从图2可以看出将用电设备的运行电压从U1调到U2时，按公式P＝U2/R可得，纯电阻的照明、电热负荷的节电率为：

取15:00对应数值：U1为409V，U2为384V，带入计算节电率为：

取7:00对应数值：U1为410V，U2为381V，带入计算节电率为：

通过对比和计算，可以看出，通过对1#变压器的节电改造可实现负载节能。

对于负载节能研究，对1#变压器改造前后进行了24h连续观察，测量数据，测绘出选煤厂1#变压器相关负载设备有功功率消耗曲线，如下图所示。

对比分析图3、图4有功功率消耗情况，可知，应用节电器后，改善了系统功率因数、降低了谐波回路阻抗降低负载的介质损耗有功功率有所降低，节约了电能约10%左右。

图3 选煤厂1#变压器改造实验前有功功率消耗情况

图4 选煤厂1#变压器改造实验后有功功率消耗情况

根据该洗煤厂1#变压器有功功率的降低情况，可以计算：

改造前1#变压器平均有功功率=98kW。

改造后1#变压器平均有功功率=88kW。

该洗煤厂1#变压器相关负载年节约电能为：

（98-88）kW×6600h（年运行时间）=66000kW·h

电费平均按0.42元/kW·h计，通过节能改造，年经济效益为：

66000kW·h×0.42元=27720元。

而据了解，800万吨/年生产规模的煤炭洗选厂，在正常生产期间，全部运转设备总有效功率约为6500kW，如果全部实现该项节电技术，年经济效益可达183万元。

3.结语

在“双碳”“能耗双控”目标及背景下，我国各个行业都在制定“碳中和”“碳达峰”路线图。我国的煤炭洗选企业也在探索各种节能、降耗措施。在过去，选煤企业着力点主要在生产环节的控制，比如有洗选工艺技术的革新、洗选设备的大型化及改进、大型储备仓及模块的推广、智能化控制等等，但是对于节电技术的研究并未得到广泛的实验和应用。本文以鄂尔多斯地区某选煤厂应用节电技术进行实验，结果表明，对选煤厂主变压器安装节电器，通过改善变压器三相电压的不平衡度，保障供给洗选负载稳定电压，实现约10%的节电率，亦可为煤炭洗选企业创造一定的经济效益，达到节能、环保、增效作用。