電力技術(shù)在煤炭企業(yè)的電力節(jié)能方面產(chǎn)生的作用分析論文
摘要：煤炭企業(yè)是耗電大戶(hù)，國(guó)有重點(diǎn)煤礦的原煤電耗一般為10~40kW·h/t，一個(gè)150萬(wàn)t礦井的耗電量，相當(dāng)于一個(gè)中等城市的照明用電，其中，礦井中電機(jī)消耗的電能占了近90%。電機(jī)是感性負(fù)載，功率因數(shù)低，負(fù)載變化大，節(jié)能的空間很大。70年代以來(lái)，主要產(chǎn)煤國(guó)的煤炭技術(shù)取得了長(zhǎng)足發(fā)展，噸煤電能消耗遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于我國(guó)。相比之下我國(guó)煤炭企業(yè)電力電子技術(shù)的應(yīng)用較為落后，這方面大有文章可作。
關(guān)鍵詞：電能消耗 電子技術(shù) 電力節(jié)能
一、電機(jī)調(diào)速及拖動(dòng)的應(yīng)用
礦井中的電機(jī)是耗能大戶(hù)，并且集中在提升機(jī)、通風(fēng)機(jī)、主排水泵、壓縮機(jī)以及采煤機(jī)等幾個(gè)大型電機(jī)上，耗能比較集中，這為電力電子技術(shù)改造提供了方便。我國(guó)在這方面的技術(shù)相對(duì)落后，以提升機(jī)的技術(shù)發(fā)展為例：提升機(jī)的電力拖動(dòng)裝置主要為交流和直流拖動(dòng)裝置兩種，以TKD和JKMK系列提升機(jī)電控系統(tǒng)為主的交流提升電控系統(tǒng)在我國(guó)使用最為普遍，這些控制系統(tǒng)都是采用轉(zhuǎn)子附加電阻來(lái)調(diào)速的。由于交流提升機(jī)在減速段機(jī)械特性軟調(diào)速性能較差，后來(lái)又出現(xiàn)直流調(diào)速提升機(jī)，但在開(kāi)始發(fā)展直流控制系統(tǒng)時(shí)電力電子技術(shù)特別是大功率電力電子元件及控制模塊還不是很成熟，因此這種直流調(diào)速方案主要采用F—D系統(tǒng)（直流發(fā)電機(jī)拖動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)）。
這種系統(tǒng)中拖動(dòng)發(fā)電機(jī)的電動(dòng)機(jī)除了檢修以外，一般不停機(jī)，因此電能浪費(fèi)嚴(yán)重。以某礦副井提升機(jī)為例：該礦副井提升機(jī)采用的是直流F—D直流拖動(dòng)系統(tǒng)，提升電機(jī)的功率是1 250kW，為其提供直流電源的是功率為1 450kW的直流發(fā)電機(jī)，拖動(dòng)發(fā)電機(jī)的是功率為1 600kW的交流同步電動(dòng)機(jī)，在提升機(jī)進(jìn)行電力電子技術(shù)改造前每個(gè)月的耗電量在40~45萬(wàn)kW·h之間。除此之外，整個(gè)控制系統(tǒng)仍然采用傳統(tǒng)的繼電器控制，所有參數(shù)也是模擬量，因此控制復(fù)雜、故障率高、參數(shù)易變、維護(hù)量大，每年的維修費(fèi)用15萬(wàn)元左右，維修時(shí)間超過(guò)500h。該礦于2000年10月對(duì)電控系統(tǒng)進(jìn)行改造，改造成電力電子整流直流調(diào)速系統(tǒng)，整套系統(tǒng)采用進(jìn)口整流控制柜和PLC控制系統(tǒng)。改造后，每月電量消耗在20萬(wàn)kW·h左右，節(jié)能非常明顯，兩年內(nèi)節(jié)約的電費(fèi)就收回了項(xiàng)目投資。同時(shí)控制系統(tǒng)數(shù)字化、模塊化，結(jié)構(gòu)緊湊、集成度高、故障率低、維護(hù)方便，年維修費(fèi)用2萬(wàn)元以下，年維修時(shí)間200h左右。
節(jié)能效果良好，經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益明顯。相對(duì)于直流調(diào)速系統(tǒng)，交流電機(jī)費(fèi)用低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維護(hù)方便，因此受到用戶(hù)的青睞，特別是交流電機(jī)的變頻調(diào)速性能和直流調(diào)速基本相似，因此變頻調(diào)速的發(fā)展速度很快，并且有逐步取代直流調(diào)速的趨勢(shì)。在發(fā)達(dá)國(guó)家，交流電機(jī)采用變頻技術(shù)已經(jīng)達(dá)到60%~70%，節(jié)能效果也非常明顯。美國(guó)近年來(lái)推行電力電子技術(shù)，節(jié)能15%~20%。日本的電力電子技術(shù)推廣最為普遍，因此日本是世界上國(guó)民生產(chǎn)總值電力能耗最低的國(guó)家。我國(guó)交流電機(jī)采用變頻技術(shù)僅6%左右，因此，我國(guó)變頻技術(shù)的發(fā)展還有很大空間。交流電機(jī)采用變頻技術(shù)與直流電機(jī)采用直流調(diào)速性能基本相似，但是變頻技術(shù)相對(duì)直流調(diào)速方案總體經(jīng)濟(jì)效益較好，這一點(diǎn)在電梯調(diào)速方面的`成功應(yīng)用可以得到驗(yàn)證。
國(guó)內(nèi)除了少數(shù)幾個(gè)煤炭企業(yè)在礦用提升機(jī)電氣控制系統(tǒng)的改造方案采用了先進(jìn)的電力電子技術(shù)以外（主要是直流調(diào)速系統(tǒng)），大多數(shù)煤礦特別是以前安裝的提升機(jī)使用的仍然是舊式的交流系統(tǒng)，電機(jī)使用的額定電壓以6 000V為主，因此直接使用變頻器控制目前還有一定的難度，應(yīng)用高壓交流電機(jī)和高壓變頻調(diào)速的方案目前還沒(méi)有一個(gè)成功應(yīng)用的例子。隨著變頻技術(shù)的進(jìn)步，具有內(nèi)置式PID以及張力卷取軟件、速度級(jí)鏈、速度跟隨以及電流平衡等功能的大功率高壓變頻器技術(shù)的成熟，礦用提升機(jī)采用交流變頻調(diào)速在技術(shù)上應(yīng)該是可行的，我們可以以某大型冶金企業(yè)將電動(dòng)機(jī)單機(jī)容量為950kW的直流調(diào)速方案和變頻調(diào)速方案的比較作為參考（見(jiàn)下表）。從表中可以看出，變頻調(diào)速方案比直流調(diào)速方案有優(yōu)勢(shì)。目前的礦用提升機(jī)交流電控系統(tǒng)除了調(diào)速性能不理想外，其轉(zhuǎn)子串接的加速電阻也消耗部分電能，而且維修量大。
交流轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速方案的全變頻調(diào)速改造在低壓電機(jī)已經(jīng)有了成功應(yīng)用。某礦地面矸石提升絞車(chē)電機(jī)為工作電壓380V，功率125kW，原設(shè)計(jì)調(diào)速采用的是轉(zhuǎn)子串電阻方式，該礦對(duì)其電控進(jìn)行全變頻改造，并且保留原系統(tǒng)，兩套系統(tǒng)互為備用。該礦技術(shù)人員專(zhuān)門(mén)對(duì)兩套系統(tǒng)的耗電情況進(jìn)行了檢測(cè)，全變頻調(diào)速比串電阻調(diào)速節(jié)能20%~25%，節(jié)能效果明顯，維修費(fèi)用也大幅度降低。1983年以來(lái)，煤炭企業(yè)風(fēng)機(jī)、水泵的節(jié)能改造取得了一定成效。風(fēng)機(jī)、水泵屬于平方根轉(zhuǎn)矩設(shè)備，輸入電壓隨頻率的2次方降低，軸功率近似隨轉(zhuǎn)數(shù)的3次方降低，因此，可以選用風(fēng)機(jī)泵類(lèi)變頻器，節(jié)能效果較明顯。煤礦主通風(fēng)機(jī)的風(fēng)量需求是按照礦井終期來(lái)設(shè)計(jì)的，裕度較大。目前控制風(fēng)量的辦法是通過(guò)控制風(fēng)門(mén)和調(diào)整風(fēng)葉角度來(lái)控制，造成浪費(fèi)，如果直接采用高壓變頻器，節(jié)能可達(dá)20%以上，而且也節(jié)省了調(diào)整風(fēng)門(mén)或風(fēng)葉的時(shí)間。另外，礦井的主壓縮機(jī)和主排水泵設(shè)計(jì)都有節(jié)約電能的潛能。礦井采掘機(jī)械是煤礦的重要設(shè)備，是煤礦機(jī)械化裝備程度的重要環(huán)節(jié)，由于這些設(shè)備的功率裕度大、負(fù)荷變化大，因此節(jié)能的潛力較大。特別是隨著電力電子技術(shù)的迅速發(fā)展和成熟，采掘機(jī)械應(yīng)用電力電子技術(shù)在發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)非常普及。例如，發(fā)達(dá)國(guó)家已不再生產(chǎn)液壓牽引采煤機(jī)，取而代之的是交流變頻和直流電牽引采煤機(jī)，尤其以變頻技術(shù)應(yīng)用最為廣泛。電牽引采煤機(jī)相對(duì)液壓牽引采煤機(jī)，節(jié)能達(dá)到20%以上，同時(shí)也改善了電機(jī)的啟動(dòng)特性。
礦用刮板輸送機(jī)和帶式輸送機(jī)是煤礦生產(chǎn)的重要設(shè)備之一，這些設(shè)備啟動(dòng)頻繁，負(fù)荷變化大，目前使用的啟動(dòng)設(shè)備大多數(shù)采用普通磁力啟動(dòng)器配液壓聯(lián)軸器，啟動(dòng)效果不很理想，同時(shí)也無(wú)法達(dá)到節(jié)能效果。隨著隔爆型變頻器技術(shù)的成熟，礦用運(yùn)輸設(shè)備采用變頻器是完全可行的，而且可以同時(shí)達(dá)到節(jié)能和軟啟動(dòng)的目的。但是隔爆型變頻器造價(jià)高，推廣起來(lái)有一定的難度。不過(guò)現(xiàn)在國(guó)內(nèi)有的企業(yè)通過(guò)和國(guó)外技術(shù)合作，引進(jìn)或自制隔爆型節(jié)能軟啟動(dòng)開(kāi)關(guān)，這種開(kāi)關(guān)造價(jià)比變頻器低，還可以通過(guò)調(diào)整輸出電壓來(lái)達(dá)到節(jié)能的目的，在目前條件下，這種開(kāi)關(guān)還是值得推廣的。
二、電力電子技術(shù)的其它應(yīng)用
煤炭企業(yè)一般距離市區(qū)較遠(yuǎn)，因此煤礦工人村都有相對(duì)獨(dú)立的物業(yè)管理體系，例如必須具備獨(dú)立的供水系統(tǒng)。現(xiàn)在大多數(shù)礦山工人村采用的都是定時(shí)供水制，只在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)供水，供水的時(shí)候，就是用水的高峰期，每個(gè)用戶(hù)還要用容器存一部分水備用，實(shí)際上并不一定能用完，長(zhǎng)流水的地方也比較多，因此造成水資源和電能的浪費(fèi)。另外，由于用水集中，為了保證有足夠的水壓，供水的水泵和電機(jī)都比較大，因此也造成了設(shè)備資源的浪費(fèi)。全自動(dòng)無(wú)塔變頻供水裝置這項(xiàng)技術(shù)在全國(guó)推廣使用已經(jīng)好幾年了，這項(xiàng)技術(shù)投資少，自動(dòng)化程度高，同時(shí)還可以達(dá)到節(jié)水節(jié)能的目的，但是在煤炭企業(yè)應(yīng)用還不是太廣泛，許多企業(yè)還沒(méi)有認(rèn)識(shí)到其優(yōu)勢(shì)。某礦工人村原來(lái)使用的也是定時(shí)供水制，自從改造成全自動(dòng)無(wú)塔變頻供水以后，節(jié)約水資源10%以上，節(jié)約電能15%以上，而且還可以保證全天候供水，方便了居民生活，經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效果都很好。我國(guó)于1996年正式啟動(dòng)綠色照明計(jì)劃，綠色照明計(jì)劃的關(guān)鍵就是利用電力電子技術(shù)開(kāi)發(fā)節(jié)能光源和節(jié)能燈具。煤礦井下大量使用照明，因此大規(guī)模推廣使用節(jié)能燈具有著重要意義。以百萬(wàn)噸礦井生產(chǎn)照明用電容量為50kW計(jì)算，推行節(jié)能技術(shù)可節(jié)約電量15%，全國(guó)年產(chǎn)原煤12億t，年節(jié)約電量近8 000萬(wàn)kW·h，細(xì)算起來(lái)是一個(gè)不小的數(shù)字。但是，我國(guó)在開(kāi)發(fā)成本低、電磁污染低、可靠性高的性能先進(jìn)的電子整流器方面，特別是能適應(yīng)煤礦井下惡劣條件的先進(jìn)節(jié)能燈具技術(shù)還不是很成熟。電力電子技術(shù)的發(fā)展，為煤礦電力節(jié)能提供了很好的機(jī)遇，根據(jù)國(guó)外技術(shù)統(tǒng)計(jì)，電力電子技術(shù)的綜合節(jié)能效果為10%~15%。當(dāng)然，電力電子技術(shù)作為一項(xiàng)新技術(shù)投入的資金較多，在煤炭行業(yè)還沒(méi)有徹底擺脫困境的情況下，全面推行電力電子技術(shù)目前有一定難度。但是，煤炭企業(yè)一定要把眼光放的更長(zhǎng)遠(yuǎn)一點(diǎn)，在有條件的基礎(chǔ)上推行電力電子技術(shù)，否則錯(cuò)過(guò)了機(jī)會(huì)，煤炭企業(yè)再想發(fā)展壯大就很困難了。
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