（中交水運規(guī)劃設(shè)計院有限公司，北京 100007）

大型散貨碼頭堆場皮帶機(jī)變頻驅(qū)動方案設(shè)計

林結(jié)慶

（中交水運規(guī)劃設(shè)計院有限公司，北京 100007）

本文以北方某煤炭裝船碼頭工程的堆場皮帶機(jī)變頻系統(tǒng)方案設(shè)計為案例，通過對低、高壓變頻器的特點、皮帶機(jī)裝卸系統(tǒng)、供電設(shè)施布置及變頻方式的比較分析，提出適合本工程的變頻驅(qū)動方案，供大型散貨碼頭皮帶機(jī)變頻系統(tǒng)設(shè)計參考。

散貨碼頭；皮帶機(jī)；變頻驅(qū)動；方案比選

1 項目概況

北方某煤炭裝船碼頭擴(kuò)建四個3.5～10萬噸級煤炭泊位，泊位長度1072.5m；新建一個5萬噸級泊位，碼頭長度310m；設(shè)計年吞吐量5000萬噸，實施翻車機(jī)房、24座單倉容量為3萬噸的大型儲煤筒倉、露天儲煤堆場、生產(chǎn)及輔助建筑物等設(shè)施、配套建設(shè)為堆場服務(wù)的電氣設(shè)施、給排水消防、信息及控制、環(huán)保除塵等設(shè)施。新建部分皮帶機(jī)驅(qū)動電機(jī)主要布置在筒倉堆場和露天堆場區(qū)。

1.1 筒倉堆場

筒倉堆場布置在已有工程筒倉堆場西側(cè)，已有工程建設(shè)中為本工程預(yù)留了設(shè)計條件，筒倉群布置24座儲煤容量為3萬噸筒倉，采用4排6列的布置方式，設(shè)置在原有筒倉的西側(cè)，與現(xiàn)有的筒倉軸線一致。本工程煤炭進(jìn)筒倉工作流程為：由卸車系統(tǒng)卸下的煤炭經(jīng)本工程新建的BF皮帶機(jī)和已建的BH11～BH14-1、BH11～BH14-2皮帶機(jī)輸送到布置在每排筒倉頂部的皮帶機(jī)BD上，再通過卸料小車及其溜槽向筒倉內(nèi)卸料。卸料小車采用連續(xù)往復(fù)卸料的作業(yè)方式，每個筒倉沿皮帶機(jī)方向布置2條長條形進(jìn)料口，進(jìn)料口設(shè)有格柵板。每排筒倉下布置2條出倉皮帶機(jī)，筒倉布置6個倉下漏斗，為2排3列布置，分別向2條出倉皮帶機(jī)供煤，通過不同列筒倉分別出倉完成配煤作業(yè)。倉下皮帶機(jī)通過延長改造已有工程倉下皮帶機(jī)，實現(xiàn)每個筒倉出料均可到達(dá)9#～16#泊位的任意裝船機(jī)。

1.2 露天堆場

露天堆場設(shè)置在筒倉區(qū)北側(cè)，采用堆取分開的作業(yè)流程及布置型式，設(shè)置3條堆存區(qū)，堆場布置2條進(jìn)場皮帶機(jī)和2條出場皮帶機(jī)。堆場采用一線雙機(jī)方式實現(xiàn)配煤操作。卸車進(jìn)堆場作業(yè)線布置在堆場西側(cè)，進(jìn)堆場皮帶機(jī)BH14-1與CD13翻車機(jī)房連接。取料裝船作業(yè)線與17#裝船泊位和9#～16#裝船泊位連接，堆場內(nèi)煤炭可以進(jìn)入任意裝船泊位。

2 變頻器特點

2.1 低壓變頻器

變頻器是利用電力半導(dǎo)體器件的通斷作用把電壓、頻率固定不變的交流電變成電壓、頻率都可調(diào)的交流電源?，F(xiàn)在使用的低壓變頻器主要采用交直交方式（VVVF變頻或矢量控制變頻），先把低壓工頻交流電源通過整流器轉(zhuǎn)換成直流電源，然后再把直流電源轉(zhuǎn)換成頻率、電壓均可控制的交流電源以供給電機(jī)驅(qū)動。

低壓變頻器一般原理如圖1所示。

2.2 高壓變頻器工作原理

高壓變頻器是近年來發(fā)展較快的大功率電機(jī)啟動運行的元件，目前使用的高壓變頻器主要是采用若干個低電壓變頻功率單元串聯(lián)的方式直接高壓輸出。其工作原理是高壓供電電源（10kV或6kV）經(jīng)過移相變壓器降壓后給變頻功率單元供電，然后輸出交直交電壓源型逆變器結(jié)構(gòu)，相鄰功率單元的輸出端串接起來形成Y結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)變壓變頻的高壓直接輸出，向高壓電機(jī)供電。高壓變頻器的組成結(jié)構(gòu)如下圖2所示。

2.3 變頻驅(qū)動在皮帶機(jī)系統(tǒng)中的特點

堆場皮帶機(jī)采用變頻驅(qū)動后，可以提高供配電系統(tǒng)功率因數(shù)和皮帶機(jī)傳輸效率，節(jié)能效果顯著。

圖2 高壓變頻器原理圖

（1）提高系統(tǒng)功率因數(shù)。皮帶機(jī)系統(tǒng)采用變頻器驅(qū)動后，在整個過程中功率因數(shù)達(dá)0.95以上，可較大幅度的降低了港區(qū)供電系統(tǒng)的無功損耗。（2）提高系統(tǒng)效率。皮帶機(jī)系統(tǒng)采用變頻器驅(qū)動之后，皮帶機(jī)驅(qū)動原有的液力耦合器可取消，系統(tǒng)動力傳輸效率要比液力耦合器連接驅(qū)動方式高5%～10%，可將皮帶機(jī)輸送系統(tǒng)的能耗降低5%～10%。（3）系統(tǒng)穩(wěn)壓。可通過利用變頻器自動穩(wěn)壓功能，將部分距變電站較遠(yuǎn)的皮帶機(jī)驅(qū)動的電壓穩(wěn)定在一定的幅度，提高系統(tǒng)穩(wěn)定運行電壓參數(shù)，也有較大的節(jié)能效果。

3 皮帶機(jī)變頻驅(qū)動方案設(shè)計

文獻(xiàn)[3]研究指出，變頻驅(qū)動在碼頭堆存系統(tǒng)的長距離皮帶機(jī)恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載的高性能調(diào)速驅(qū)動過程中，能有效控制皮帶機(jī)柔性負(fù)載的軟起/停車動態(tài)過程，實現(xiàn)各個的驅(qū)動點之間的功率平衡和速度同步，能降低快速起/停車過程對機(jī)械和電氣系統(tǒng)的沖擊，避免撒料與疊帶，可增加皮帶機(jī)系統(tǒng)的可靠性和安全性，實現(xiàn)在低負(fù)載時的系統(tǒng)節(jié)能效果。

針對該煤炭碼頭堆場生產(chǎn)需求、變頻系統(tǒng)的特點及變頻驅(qū)動在皮帶機(jī)傳輸系統(tǒng)的應(yīng)用案例，結(jié)合本工程堆場工藝、節(jié)能環(huán)保、驅(qū)動設(shè)備性能穩(wěn)定、技術(shù)先進(jìn)等需求，本工程的設(shè)計推薦皮帶機(jī)驅(qū)動電機(jī)采用變頻調(diào)速裝置。

3.1 變頻驅(qū)動功能要求

結(jié)合散貨碼頭工程的的生產(chǎn)工藝及實際應(yīng)用，本工程的變頻驅(qū)動控制系統(tǒng)需滿足皮帶機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的以下功能要求。

（1）驅(qū)動系統(tǒng)需具有高效啟/?？刂坪驼{(diào)速運行功能，保證筒倉進(jìn)出倉工藝流程流程合理、穩(wěn)定、順行操作及極大降低生產(chǎn)用電損耗，為降低生產(chǎn)運行成本提供了切實可行的必須條件。（2）變頻器的軟起動功能將電氣的軟起動和皮帶機(jī)的軟起動合一，皮帶機(jī)系統(tǒng)可重載平滑啟停，真正實現(xiàn)了皮帶機(jī)系統(tǒng)的軟起動。（3）變頻驅(qū)動系統(tǒng)能自動控制電機(jī)啟動過程電流，降低總配電難度；實時自動檢測驅(qū)動電機(jī)的故障隱患，極大提高皮帶機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。（4）可主從控制，實現(xiàn)多電機(jī)同步驅(qū)動及功率平衡。（5）取消電機(jī)的液力耦合器，降低電機(jī)采購及維護(hù)成本。

3.2 皮帶機(jī)參數(shù)

根據(jù)裝卸工藝系統(tǒng)提供的工藝條件，筒倉堆場區(qū)皮帶機(jī)參數(shù)如下表1，該區(qū)域的驅(qū)動電機(jī)總功率為11160kW；露天堆場工藝皮帶數(shù)見表2，該區(qū)域的驅(qū)動電機(jī)總功率為17850kW。

3.3 四期工程變配電設(shè)施設(shè)置情況

本工程根據(jù)總平面布置及工藝需求，為滿足堆場皮帶機(jī)驅(qū)動供電需求共設(shè)置21#變電所、22#變電所及23#變電所為各個驅(qū)動電機(jī)供電，各個變電所供電范圍見下表3。

3.4 高、低壓變頻方案比選

高壓變頻驅(qū)動與低壓變頻驅(qū)動除了輸出電壓的不同外，高壓變頻器由較多的功率單元串接組成，其結(jié)構(gòu)構(gòu)成比低壓變頻器復(fù)雜，輸出高電壓可使電能傳輸較低壓遠(yuǎn)。低壓變頻器結(jié)構(gòu)簡單，但變頻器與電機(jī)距離不能太遠(yuǎn)，由于低壓變頻存在信號干擾及長距離的電壓降，一般變頻器與電機(jī)不宜超出300m。通過對變頻器及供電系統(tǒng)的合理布置，本期工程高低壓變頻均可滿足工藝要求。

表1 筒倉區(qū)皮帶機(jī)參數(shù)表

表2 露天堆場皮帶機(jī)參數(shù)表

表3 變電所供電范圍

下面以BF12皮帶機(jī)驅(qū)動為例，該驅(qū)動電機(jī)共4臺，單臺功率570kW,電源接自21#變電所，結(jié)合變頻方式，供電距離，變頻器室位置及綜合造價等方面，共有2種方案。

方案一：6kV高壓變頻，變頻裝置設(shè)21#變電所頂層，供電距離為440m。

方案二：低壓690V變頻，變頻器裝置設(shè)置T3-1轉(zhuǎn)運站北側(cè)的箱式變頻器室，總供電距離與方案一一致，其中高壓配電距離300m，變頻供電距離約為140m。

兩個方案的各項指標(biāo)比較如表4。

上述數(shù)據(jù)對比表明，采用高壓變頻方案比低壓變頻方案造價高出約80萬元。高壓變頻器可以設(shè)置在變電所內(nèi)，設(shè)備的統(tǒng)一管理比較方便；為保證電機(jī)啟動壓降，低壓變頻器應(yīng)設(shè)置在離驅(qū)動點盡量近的范圍，本項目采用就近設(shè)置箱式變頻器室方式，因此供電設(shè)備點比較分散，增加平時運行管理的工作難度。

由于本期工程設(shè)置3個變電所為驅(qū)動供電，除了BQ7～BQ10新增驅(qū)動電機(jī)采用低壓變頻驅(qū)動外，港區(qū)若采用方案一全高壓變頻方式，綜合造價約為為10610萬元；若全部采用方案二，全低壓變頻驅(qū)動方式，綜合造價約為8970萬元。

4 結(jié)語

若全部采用高壓變頻驅(qū)動方案，本期工程的46臺驅(qū)動的電氣投資將比低壓驅(qū)動高出約1700萬元；若全部采用低壓變頻方式，需在堆場就地設(shè)置多達(dá)11座箱式變頻器室，且倉頂4條BD皮帶機(jī)的驅(qū)動周邊無法設(shè)置低壓變頻器室。高粉塵環(huán)境將對設(shè)置在煤炭碼頭堆場內(nèi)的低壓變頻電站內(nèi)的設(shè)備運行安全造成較大的影響，增加維護(hù)工作量。大量低壓變頻器的使用，將對港區(qū)電氣系統(tǒng)的諧波含量增加，需增加諧波治理措施。

根據(jù)上述方案的比選，綜合比較本工程變電所布置情況及后期設(shè)備管理及運營要求，確定本工程皮帶機(jī)變頻驅(qū)動方案為全高壓變頻啟動，變頻設(shè)備設(shè)置在變電所的獨立空間以滿足散熱要求。

表4

[1]白霞等.變頻器原理及實訓(xùn)，清華大學(xué)出版社，2012，07.

[2]西門子（中國）有限公司，滿足最高要求的變頻器選擇，中壓變頻器樣本.

[3]姚青.變頻驅(qū)動技術(shù)在上海港羅涇礦石碼頭皮帶輸送系統(tǒng)中的運用[J].港口科技，2009，8.

[4]張敏.談變頻技術(shù)在皮帶運輸系統(tǒng)中的意義[J].價值工程，2012，4.

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