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大功率變頻器在膠帶輸送機上的節能運用

在新型干法水泥生產線中,石灰石原料礦山位于直線距離數公里外的山上,傳統的運輸方式是使用大噸位的礦用汽車從山上往山下一趟一趟運送礦石。為保證生產的正常進行,那就必須先修一條能夠供礦用汽車行駛的道路。只要水泥生產線不停工,礦車就要不間斷地將石灰石從山上運到山下。這條道路應能承受大噸位的礦用汽車的碾壓,其長度在數公里以上,占地面積大,投資自然也大,而且運輸過程中要消耗不少油料。再考慮到設備和道路的維護,運行費用高,水泥生產成本增高,不利于市場競爭。考慮到石灰石從山上運送到山下的過程中,位能在不斷減少,為降低生產成本,可利用石灰石本身具有的位能,不用消耗其他的能量或消耗很少的電能就可安全地將石灰石從山上運送到山下,如現在采用較多的膠帶輸送機。本文敘述的膠帶輸送機,不僅作為運輸石灰石的工具,而且還利用位能來發電,節能效率非同小可,降低水泥生產電耗意義重大。

    一、膠帶運輸機

    膠帶輸送機主要由鋼絲繩芯膠帶、托輥、滾筒、中間架和支推等組成,它廣泛地應用在礦山、冶金、煤炭、港口、電站、建材、化工、輕工、石油等各個行業,用來輸送松散物料或成件物品,根據輸送工藝要求,可以單臺輸送,也可多臺組成或與其他輸送設備組成水平或傾斜的輸送系統,以滿足不同布置型式的作業線需要。膠帶輸送機具有結構簡單、部件標準化、維修方便、輸送量大、操作維修簡單、運轉費用低、適用范圍廣等特點。長距離膠帶輸送機是一種大運輸量輸送設備,具有輸送連續、可靠、自動化程度高、設備維護工作量小、可與工廠總控制系統聯網統一管理、輸送線路按地形布置占有耕地少等特點;同時物料在運輸過程中相對穩定,揚塵點少、對環境污染小。

    某水泥有限公司由兩條500T/D干法水泥生產線,石灰石原料輸送采用長距離曲線膠帶輸送機輸送,運量為1800T/H,破碎站至廠區料倉的水平距離約為5451M;礦山破碎站翻卸平臺地坪高程約680M,破碎站帶式給料機出口高程約662M,膠帶機輸送終點水泥廠地坪標高290M,輸送機頭部卸料點高程310M,輸送機下運高度約-352M。

    以上的數據表明1800T的石灰石用1個小時的時間下運了352M,由此可計算出物料下運產生的位能為:

    

    二、膠帶輸送機控制方案

    1、膠帶輸送機技術參數

    膠帶輸送機運量:1800T/H

    膠帶運輸機水平投影長度:5451M

    膠帶輸送機最大提升高度:-352M

    電動機額定功率:2880KW

    電機電壓:交流三相690V(6000V)

    膠帶寬度:1400MM

    膠帶型號:ST3150

    膠帶運行速度:3.3M/S

    最大下運角度:20度

    發電功率:1200KW

    物料粒度::80MM。

    2、控制方案:

    長距離的下運膠帶輸送機分為兩段,兩臺交流電動機安裝在膠帶機的尾部,采用尾側驅動形式。

    (1)高壓交流電機直接驅動方案

    電動機不經減速器直接驅動下運膠帶輸送機。起動時,特別是在帶載起動的情況下,會產生很大的機械沖擊,使膠帶可能拉斷,帶來嚴重的后果。為實現帶載軟起動,在起動過程中加入液壓制動,由此將極大地增加制動器的運行負荷,縮短制動器的使用壽命,并增大制動器的維護工作量。液壓制動器是作為下運膠帶輸送機唯一的應急安全保障設施,不宜在起動時經常使用。

    當物料達到一定量時,其位能足以使膠帶機運行起來,下運膠帶輸送機拖動電動機發電,同頻同相且電壓比電源電壓高時,可將位能轉換來的電能送到電網上。停車時,為實現軟停車,需要加入制動。依據同樣的原因,這種起動、停車時經常使用制動系統的方案不太合適。

    (2)高壓變頻器驅動方案

    目前,國內生產的6000V或6000V以上的高壓變頻器,其主回路拓撲均采用單元串聯式。由于變頻器主回路結構上的原因,這類變頻器主要用于風機、泵類負載上,不能用在有再生能量的場合。下運膠帶輸送機應使用三電平高壓變頻器,這類變頻器目前需要進口,投資大,從經濟上考慮此方案也不一定合適。

    (3)690V變頻器驅動方案

    690V變頻器屬于低壓范疇,變頻器技術較成熟,無須進口,價值也不高,其功能完全能滿足下運膠帶輸送機的工藝要求,而且維修方便,維護費用不高。唯一的缺點是電流較大,為減小線路的損耗,供電線路、變頻器接到電機的電路的截面積應足夠大,增大了初始投資。

    該方案不用液壓制動系統參與就可實現長距離膠帶機的帶載軟起動、軟停車、位能發電回饋電網、以及空載低速驗帶等功能。從目前的現狀看,這種方案既容易實現,又能滿足使用要求,而且是最經濟的方案。液壓制動器僅作為下運膠帶輸送機的應急安全保障設施,是必需的。

    變頻器的主回路如圖1所示:

    

    

    由圖可見,電路有兩逆變單元,右面逆變單元用于驅動電機運轉、有位能時為電機提供勵磁,并將電機產生的再生能量由反饋二極管反饋到中間直流環節;左面逆變單元在電動時作整流器,在再生時作逆變將直流環節的再生電能回饋到電網。

    三、方案實施

    對上述三個方案進行對比,考慮到目前技術狀況和能夠實現的條件,最后確定采用第三個690V變頻驅動方案。

    由膠帶輸送機的技術參數:物料下降-352米產生的位能為1724.8KW,采用尾側驅動形式,在兩段膠帶輸送機的尾部安裝兩臺交流電動機,電動機額定功率為:2880=1760KW。實際上,膠帶輸送機的膠帶相當長,其重量大,磨擦力也大,有一部分位能用于克服摩擦力,余下的位能用于發電,發電功率1200KW左右。為保證安全運行,兩臺電動機留有適當的余量。變頻器選用希望森蘭SB70G690V1100Q6高性能矢量控制變頻器。在膠帶輸送機起動時,有時可能是滿負荷重載軟起動,起動力矩要求很大,為保證可靠性和安全性,變頻器的容量也適當增大。

    膠帶輸送機系統由PLC控制,PLC位于主控室內。主控室遠離變頻器的安裝地點,用通信線路連接,傳輸距離至少在2KM以上,考慮到信號傳輸的速率和可靠性,采用PROFIBUS協議。PLC同時還要兼顧到液壓制動系統和其他安全系統的控制,實現連鎖綜合保護。為避免變頻器對控制系統的干擾,回饋單元之前安裝正弦波濾波器,使回饋到電網的波形經濾波后接近正弦波形;另外在電動時,增大了整流回路的內阻,降低了非線性元件二極管整流產生的畸變電流對電網的污染。為補償長線分布電容的影響,并抑制變頻器輸出的諧波分量,抑制電壓脈沖的尖峰,延長電機的絕緣壽命,變頻器的輸出安裝輸出電抗器。

    膠帶輸送機變頻驅動后可實現如下的功能:

    (1)可實現長距離膠帶機帶載情況下的軟起動、軟停車、位能發電、電能回饋、空載低速驗帶功能。

    (2)若不用變頻器,長距離膠帶機帶載情況下的軟起動、軟停車只能通過制動器來實現,由此將極大地增加制動器的運行負荷,縮短制動器的壽命,并增加制動器的維護工作量。

    膠帶輸送機運行后,每天24小時連續不斷以1200KW的功率發電,每年運行時間為11個月,年總發電量為964.8萬千瓦時,節能量巨大,效率十分可觀。從目前國內礦山的情況看,運送礦石基本上都是用大噸位的礦用汽車從山上往山下一趟一趟運送,既浪費了油料,又污染了環境,而且還占用大量耕地,很可惜。


川昇

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