電力技術在煤炭企業(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，國有重點煤礦的原煤電耗一般為10~40kW·h/t，一個150萬t礦井的耗電量，相當于一個中等城市的照明用電，其中，礦井中電機消耗的電能占了近90%。電機是感性負載，功率因數(shù)低，負載變化大，節(jié)能的空間很大。70年代以來，主要產(chǎn)煤國的煤炭技術取得了長足發(fā)展，噸煤電能消耗遠遠低于我國。相比之下我國煤炭企業(yè)電力電子技術的應用較為落后，這方面大有文章可作。
關鍵詞：電能消耗 電子技術 電力節(jié)能
一、電機調(diào)速及拖動的應用
礦井中的電機是耗能大戶，并且集中在提升機、通風機、主排水泵、壓縮機以及采煤機等幾個大型電機上，耗能比較集中，這為電力電子技術改造提供了方便。我國在這方面的技術相對落后，以提升機的技術發(fā)展為例：提升機的電力拖動裝置主要為交流和直流拖動裝置兩種，以TKD和JKMK系列提升機電控系統(tǒng)為主的交流提升電控系統(tǒng)在我國使用最為普遍，這些控制系統(tǒng)都是采用轉子附加電阻來調(diào)速的。由于交流提升機在減速段機械特性軟調(diào)速性能較差，后來又出現(xiàn)直流調(diào)速提升機，但在開始發(fā)展直流控制系統(tǒng)時電力電子技術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)電機拖動直流電動機）。
這種系統(tǒng)中拖動發(fā)電機的電動機除了檢修以外，一般不停機，因此電能浪費嚴重。以某礦副井提升機為例：該礦副井提升機采用的是直流F—D直流拖動系統(tǒng)，提升電機的功率是1 250kW，為其提供直流電源的是功率為1 450kW的直流發(fā)電機，拖動發(fā)電機的是功率為1 600kW的交流同步電動機，在提升機進行電力電子技術改造前每個月的耗電量在40~45萬kW·h之間。除此之外，整個控制系統(tǒng)仍然采用傳統(tǒng)的繼電器控制，所有參數(shù)也是模擬量，因此控制復雜、故障率高、參數(shù)易變、維護量大，每年的維修費用15萬元左右，維修時間超過500h。該礦于2000年10月對電控系統(tǒng)進行改造，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kW·h左右，節(jié)能非常明顯，兩年內(nèi)節(jié)約的電費就收回了項目投資。同時控制系統(tǒng)數(shù)字化、模塊化，結構緊湊、集成度高、故障率低、維護方便，年維修費用2萬元以下，年維修時間200h左右。
節(jié)能效果良好，經(jīng)濟和社會效益明顯。相對于直流調(diào)速系統(tǒng)，交流電機費用低、結構簡單、維護方便，因此受到用戶的青睞，特別是交流電機的變頻調(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。在發(fā)達國家，交流電機采用變頻技術已經(jīng)達到60%~70%，節(jié)能效果也非常明顯。美國近年來推行電力電子技術，節(jié)能15%~20%。日本的電力電子技術推廣最為普遍，因此日本是世界上國民生產(chǎn)總值電力能耗最低的國家。我國交流電機采用變頻技術僅6%左右，因此，我國變頻技術的發(fā)展還有很大空間。交流電機采用變頻技術與直流電機采用直流調(diào)速性能基本相似，但是變頻技術相對直流調(diào)速方案總體經(jīng)濟效益較好，這一點在電梯調(diào)速方面的`成功應用可以得到驗證。
國內(nèi)除了少數(shù)幾個煤炭企業(yè)在礦用提升機電氣控制系統(tǒng)的改造方案采用了先進的電力電子技術以外（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使用的仍然是舊式的交流系統(tǒng)，電機使用的額定電壓以6 000V為主，因此直接使用變頻器控制目前還有一定的難度，應用高壓交流電機和高壓變頻調(diào)速的方案目前還沒有一個成功應用的例子。隨著變頻技術的進步，具有內(nèi)置式PID以及張力卷取軟件、速度級鏈、速度跟隨以及電流平衡等功能的大功率高壓變頻器技術的成熟，礦用提升機采用交流變頻調(diào)速在技術上應該是可行的，我們可以以某大型冶金企業(yè)將電動機單機容量為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。目前的礦用提升機交流電控系統(tǒng)除了調(diào)速性能不理想外，其轉子串接的加速電阻也消耗部分電能，而且維修量大。
交流轉子串電阻調(diào)速方案的全變頻調(diào)速改造在低壓電機已經(jīng)有了成功應用。某礦地面矸石提升絞車電機為工作電壓380V，功率125kW，原設計調(diào)速采用的是轉子串電阻方式，該礦對其電控進行全變頻改造，并且保留原系統(tǒng)，兩套系統(tǒng)互為備用。該礦技術人員專門對兩套系統(tǒng)的耗電情況進行了檢測，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，維修費用也大幅度降低。1983年以來，煤炭企業(yè)風機、水泵的節(jié)能改造取得了一定成效。風機、水泵屬于平方根轉矩設備，輸入電壓隨頻率的2次方降低，軸功率近似隨轉數(shù)的3次方降低，因此，可以選用風機泵類變頻器，節(jié)能效果較明顯。煤礦主通風機的風量需求是按照礦井終期來設計的，裕度較大。目前控制風量的辦法是通過控制風門和調(diào)整風葉角度來控制，造成浪費，如果直接采用高壓變頻器，節(jié)能可達20%以上，而且也節(jié)省了調(diào)整風門或風葉的時間。另外，礦井的主壓縮機和主排水泵設計都有節(jié)約電能的潛能。礦井采掘機械是煤礦的重要設備，是煤礦機械化裝備程度的重要環(huán)節(jié)，由于這些設備的功率裕度大、負荷變化大，因此節(jié)能的潛力較大。特別是隨著電力電子技術的迅速發(fā)展和成熟，采掘機械應用電力電子技術在發(fā)達國家已經(jīng)非常普及。例如，發(fā)達國家已不再生產(chǎn)液壓牽引采煤機，取而代之的是交流變頻和直流電牽引采煤機，尤其以變頻技術應用最為廣泛。電牽引采煤機相對液壓牽引采煤機，節(jié)能達到20%以上，同時也改善了電機的啟動特性。
礦用刮板輸送機和帶式輸送機是煤礦生產(chǎn)的重要設備之一，這些設備啟動頻繁，負荷變化大，目前使用的啟動設備大多數(shù)采用普通磁力啟動器配液壓聯(lián)軸器，啟動效果不很理想，同時也無法達到節(jié)能效果。隨著隔爆型變頻器技術的成熟，礦用運輸設備采用變頻器是完全可行的，而且可以同時達到節(jié)能和軟啟動的目的。但是隔爆型變頻器造價高，推廣起來有一定的難度。不過現(xiàn)在國內(nèi)有的企業(yè)通過和國外技術合作，引進或自制隔爆型節(jié)能軟啟動開關，這種開關造價比變頻器低，還可以通過調(diào)整輸出電壓來達到節(jié)能的目的，在目前條件下，這種開關還是值得推廣的。
二、電力電子技術的其它應用
煤炭企業(yè)一般距離市區(qū)較遠，因此煤礦工人村都有相對獨立的物業(yè)管理體系，例如必須具備獨立的供水系統(tǒng)�，F(xiàn)在大多數(shù)礦山工人村采用的都是定時供水制，只在規(guī)定的時間內(nèi)供水，供水的時候，就是用水的高峰期，每個用戶還要用容器存一部分水備用，實際上并不一定能用完，長流水的地方也比較多，因此造成水資源和電能的浪費。另外，由于用水集中，為了保證有足夠的水壓，供水的水泵和電機都比較大，因此也造成了設備資源的浪費。全自動無塔變頻供水裝置這項技術在全國推廣使用已經(jīng)好幾年了，這項技術投資少，自動化程度高，同時還可以達到節(jié)水節(jié)能的目的，但是在煤炭企業(yè)應用還不是太廣泛，許多企業(yè)還沒有認識到其優(yōu)勢。某礦工人村原來使用的也是定時供水制，自從改造成全自動無塔變頻供水以后，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)濟和社會效果都很好。我國于1996年正式啟動綠色照明計劃，綠色照明計劃的關鍵就是利用電力電子技術開發(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。以百萬噸礦井生產(chǎn)照明用電容量為50kW計算，推行節(jié)能技術可節(jié)約電量15%，全國年產(chǎn)原煤12億t，年節(jié)約電量近8 000萬kW·h，細算起來是一個不小的數(shù)字。但是，我國在開發(fā)成本低、電磁污染低、可靠性高的性能先進的電子整流器方面，特別是能適應煤礦井下惡劣條件的先進節(jié)能燈具技術還不是很成熟。電力電子技術的發(fā)展，為煤礦電力節(jié)能提供了很好的機遇，根據(jù)國外技術統(tǒng)計，電力電子技術的綜合節(jié)能效果為10%~15%。當然，電力電子技術作為一項新技術投入的資金較多，在煤炭行業(yè)還沒有徹底擺脫困境的情況下，全面推行電力電子技術目前有一定難度。但是，煤炭企業(yè)一定要把眼光放的更長遠一點，在有條件的基礎上推行電力電子技術，否則錯過了機會，煤炭企業(yè)再想發(fā)展壯大就很困難了。
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