鄭偉偉

（山西焦煤霍州煤電集團(tuán)團(tuán)柏煤礦，山西 霍州 031400）

煤礦運(yùn)輸設(shè)備是煤礦生產(chǎn)的重要組成部分，現(xiàn)階段煤礦井下煤炭運(yùn)輸主要設(shè)備采用帶式輸送機(jī)。為了減少故障發(fā)生，帶式輸送機(jī)在工作過(guò)程中，常常采用恒速運(yùn)行，而煤礦實(shí)際運(yùn)量是不均衡的，帶式輸送機(jī)常常出現(xiàn)低負(fù)荷運(yùn)行，出現(xiàn)低載或空載情況。針對(duì)上述問(wèn)題，本文以團(tuán)柏煤礦主井強(qiáng)力皮帶為研究對(duì)象，從降低生產(chǎn)能源成本與能源消耗角度出發(fā)，研究將變頻調(diào)速器應(yīng)用到主井強(qiáng)力皮帶的調(diào)速中，同時(shí)采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)確定不同煤炭運(yùn)量時(shí)的最佳皮帶帶速，以達(dá)到實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)主井強(qiáng)力皮帶帶速，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)帶式輸送機(jī)的低功率運(yùn)行，為團(tuán)柏煤礦帶式輸送機(jī)低功率運(yùn)行提供參考依據(jù)。

1 工程概況

霍州煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司團(tuán)柏煤礦井田現(xiàn)階段開(kāi)采＋400m水平10號(hào)煤層，分割為三個(gè)采區(qū)。其中前兩個(gè)采區(qū)位于井田西南部，一采區(qū)以軌道巷及皮帶巷為界分為左翼及右翼采區(qū)；二采區(qū)位于一采區(qū)右翼以西；三采區(qū)位于一、二采區(qū)以北，以400m水平軌道巷、皮帶巷及總回風(fēng)巷分開(kāi)。其中井下原煤運(yùn)輸路線見(jiàn)圖1。

圖1 團(tuán)柏煤礦400m水平原煤運(yùn)輸路線

主井強(qiáng)力皮帶全長(zhǎng)600m，皮帶寬度1000mm，帶速2.15m/s，運(yùn)輸坡度16°，電機(jī)功率3×160kW，已安裝DDZ-1200型皮帶抓捕器16套（上12套下4套），運(yùn)輸能力400t/h，主要承擔(dān)礦井原煤運(yùn)輸工作。

2 運(yùn)輸皮帶低功耗運(yùn)行

2.1 運(yùn)輸皮帶調(diào)速方式確定

電機(jī)轉(zhuǎn)速隨其加載工頻的增加而增加，二者呈現(xiàn)正比關(guān)系，變頻調(diào)速正是利用此原理，通過(guò)改變電機(jī)工頻來(lái)完成電機(jī)調(diào)速。相比定子調(diào)壓式調(diào)速方式，變頻調(diào)速速度改變更加平穩(wěn)，能夠?qū)⒍鄠€(gè)電機(jī)的功率進(jìn)行整合，實(shí)現(xiàn)電機(jī)高效運(yùn)行。根據(jù)大型煤礦實(shí)際應(yīng)用情況，現(xiàn)階段大部分煤礦皮帶采用原始工頻，使得皮帶耗能高。采用變頻調(diào)速方式后皮帶耗能減小約30%，效果明顯。雖然改造前期投入成本較大，但其高效性能可大幅度減少能量消耗，投入成本可快速回收，所以變頻調(diào)速式運(yùn)行方式得到了廣泛的推廣。

2.2 煤量自動(dòng)識(shí)別設(shè)備

為了檢測(cè)皮帶運(yùn)煤量，采用核子皮帶秤對(duì)團(tuán)柏礦主井皮帶煤量進(jìn)行跟蹤測(cè)量。此項(xiàng)先進(jìn)測(cè)量方式采用非接觸方式，構(gòu)造復(fù)雜。核子皮帶秤利用自身產(chǎn)生的伽馬射線傳至測(cè)量煤料，依靠伽馬射線的吸收和放射規(guī)律，其剩余射線呈現(xiàn)指數(shù)分布形式，檢測(cè)系統(tǒng)根據(jù)信號(hào)變化的程度判斷物料的數(shù)量，結(jié)合皮帶機(jī)速度，經(jīng)過(guò)運(yùn)算系統(tǒng)處理將載荷、累計(jì)載荷、運(yùn)輸流量顯示在檢測(cè)系統(tǒng)屏幕上，核子皮帶秤如圖2所示。

圖2 核子秤實(shí)物圖

2.3 變頻控制裝置

根據(jù)團(tuán)柏煤礦主井強(qiáng)力皮帶性能參數(shù)和低功率運(yùn)行需要，選擇變頻器額定電壓為AC660V/1140V，頻率為50Hz±10%，輸出電壓為0～95%V，頻率0～100Hz。輸出轉(zhuǎn)矩大于二倍額定轉(zhuǎn)矩，輸出功率不超過(guò)630kW。通過(guò)對(duì)比本系統(tǒng)采用M340598 JN-BPJ-1140V變頻器，如圖3所示。

圖3 變頻器實(shí)物圖

3 主井強(qiáng)力皮帶運(yùn)量與帶速匹配

3.1 運(yùn)量與帶速數(shù)據(jù)最優(yōu)匹配基本原理

皮帶運(yùn)行時(shí)其運(yùn)量和皮帶機(jī)運(yùn)行速度對(duì)帶式輸送機(jī)的扭矩和功率影響重大。運(yùn)量不變時(shí)，速度越快，功率越高，運(yùn)量發(fā)生變化時(shí)，皮帶機(jī)消耗功率與速度關(guān)系如圖4所示，其中Q為其運(yùn)量。

圖4 皮帶機(jī)運(yùn)行速度與所耗功率關(guān)系曲線

根據(jù)圖4可以得出，皮帶機(jī)的消耗功率隨皮帶機(jī)運(yùn)行速度的增加而增加，二者呈現(xiàn)正比關(guān)系，在一定范圍內(nèi)降低速度就可減少皮帶機(jī)耗能。本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)針對(duì)團(tuán)柏煤礦主井皮帶，其皮帶寬度和極限煤料線密度固定，為保證煤料線密度，故將皮帶運(yùn)行速度和運(yùn)載量關(guān)系設(shè)置為：

其中：

v-主井強(qiáng)力皮帶的運(yùn)行速率，t/h；

Q-為皮帶運(yùn)量，t；

qm-最大煤料密度，t/m3。

為確保安全，必須保證qm不變，則當(dāng)Q發(fā)生變化時(shí)，皮帶速度要對(duì)應(yīng)改變，Q最小則v最低，沒(méi)有運(yùn)量時(shí)皮帶機(jī)停止。然而皮帶機(jī)不能經(jīng)常停轉(zhuǎn)，所以運(yùn)量小時(shí)，皮帶機(jī)以最低速運(yùn)行。皮帶速度與運(yùn)量關(guān)系如圖5曲線所示。

圖5 皮帶運(yùn)行速度與運(yùn)量的實(shí)際關(guān)系曲線

由上圖可得二者之間的數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：

3.2 構(gòu)建皮帶機(jī)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)低功耗模型

通過(guò)測(cè)量一段時(shí)間內(nèi)皮帶輸送煤流量，求解此時(shí)間段的平均Q，通過(guò)改變變頻器頻率值實(shí)現(xiàn)皮帶電機(jī)速度的逐漸提高，記錄這個(gè)時(shí)間段的速度對(duì)應(yīng)功耗，對(duì)比得出最小功耗速度。通過(guò)此方法得出多組參數(shù)，即對(duì)應(yīng)Q，P，v數(shù)值，作為訓(xùn)練的樣本。

創(chuàng)建Q、P、v的BP低功耗模型，此模型由三層網(wǎng)絡(luò)控制，分別為輸入層、隱藏層和輸出層，對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)分別為2、5和1，Q和v作為輸入層節(jié)點(diǎn)，P作為輸出層。隱含層和輸出層激勵(lì)函數(shù)采用S型函數(shù)和線性函數(shù)。權(quán)值矩陣各自用W1和W2表示。偏差矩陣各自用B1和B2表示。A1和A2各自為隱含層與輸出層的輸出。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)模型如圖6所示。

圖6 BP網(wǎng)絡(luò)節(jié)能模型

設(shè)置循環(huán)次數(shù)為100，訓(xùn)練時(shí)間為48h，誤差值為5%，條件達(dá)到時(shí)訓(xùn)練結(jié)束。

4 主井強(qiáng)力皮帶低功耗運(yùn)行測(cè)試

主井強(qiáng)力皮帶動(dòng)力驅(qū)動(dòng)為3×160kW電機(jī)，需要3臺(tái)M340598 JN-BPJ-1140V礦用防爆變頻器配合使用。將該系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用于團(tuán)柏煤礦，將實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中的運(yùn)量數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄。通過(guò)計(jì)算2018年10月份連續(xù)十天的數(shù)據(jù)得出，煤礦平均運(yùn)量為額定運(yùn)量56%，速度1.3m/s，對(duì)應(yīng)功率395kW。按團(tuán)柏煤礦2016年和2017年實(shí)際生產(chǎn)時(shí)間，即一年生產(chǎn)天數(shù)為290d，一天工作時(shí)間為15h計(jì)算，可得變頻調(diào)速之后的年用電量為：Eb= 395kW× 15h×290 = 1718250kW· h

而以額定功率運(yùn)行的年用電量為：

E= 540kW× 15h×290 = 2349000kW· h

由此可以得出年用電量的減少量為：

ΔE=E-Eb= 630750kW· h

省電率為：

由計(jì)算結(jié)果可以看出，降低的功耗明顯。

5 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)對(duì)團(tuán)柏煤礦主井強(qiáng)力皮帶進(jìn)行低功耗研究，確定應(yīng)用變頻調(diào)速實(shí)現(xiàn)不同煤量下皮帶運(yùn)行速度調(diào)整，并完成防爆變頻器和皮帶稱(chēng)選型。將BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法應(yīng)用到皮帶帶速與運(yùn)量進(jìn)行合理調(diào)解中，根據(jù)團(tuán)柏煤礦實(shí)際運(yùn)行測(cè)試，應(yīng)用該系統(tǒng)后預(yù)計(jì)主井強(qiáng)力皮帶年節(jié)約電能630750kW·h，能耗降低26.85%，降耗效果明顯。