電力技術(shù)在煤炭企業(yè)的電力節能方面產(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，相當于一個(gè)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，功率因數低，負載變化大，節能的空間很大。70年代以來(lái)，主要產(chǎn)煤國的煤炭技術(shù)取得了長(cháng)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(shù)的應用較為落后，這方面大有文章可作。
關(guān)鍵詞：電能消耗 電子技術(shù) 電力節能
一、電機調速及拖動(dòng)的應用
礦井中的電機是耗能大戶(hù)，并且集中在提升機、通風(fēng)機、主排水泵、壓縮機以及采煤機等幾個(gè)大型電機上，耗能比較集中，這為電力電子技術(shù)改造提供了方便。我國在這方面的技術(shù)相對落后，以提升機的技術(shù)發(fā)展為例：提升機的電力拖動(dòng)裝置主要為交流和直流拖動(dòng)裝置兩種，以TKD和JKMK系列提升機電控系統為主的交流提升電控系統在我國使用最為普遍，這些控制系統都是采用轉子附加電阻來(lái)調速的。由于交流提升機在減速段機械特性軟調速性能較差，后來(lái)又出現直流調速提升機，但在開(kāi)始發(fā)展直流控制系統時(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，因此這種直流調速方案主要采用F—D系統（直流發(fā)電機拖動(dòng)直流電動(dòng)機）。
這種系統中拖動(dòng)發(fā)電機的電動(dòng)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(dòng)系統，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(dòng)發(fā)電機的是功率為1 600kW的交流同步電動(dòng)機，在提升機進(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)控制系統仍然采用傳統的繼電器控制，所有參數也是模擬量，因此控制復雜、故障率高、參數易變、維護量大，每年的維修費用15萬(wàn)元左右，維修時(shí)間超過(guò)500h。該礦于2000年10月對電控系統進(jìn)行改造，改造成電力電子整流直流調速系統，整套系統采用進(jìn)口整流控制柜和PLC控制系統。改造后，每月電量消耗在20萬(wàn)kW·h左右，節能非常明顯，兩年內節約的電費就收回了項目投資。同時(shí)控制系統數字化、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(wàn)元以下，年維修時(shí)間200h左右。
節能效果良好，經(jīng)濟和社會(huì )效益明顯。相對于直流調速系統，交流電機費用低、結構簡(jiǎn)單、維護方便，因此受到用戶(hù)的青睞，特別是交流電機的變頻調速性能和直流調速基本相似，因此變頻調速的發(fā)展速度很快，并且有逐步取代直流調速的趨勢。在發(fā)達國家，交流電機采用變頻技術(shù)已經(jīng)達到60%~70%，節能效果也非常明顯。美國近年來(lái)推行電力電子技術(shù)，節能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(shù)僅6%左右，因此，我國變頻技術(shù)的發(fā)展還有很大空間。交流電機采用變頻技術(shù)與直流電機采用直流調速性能基本相似，但是變頻技術(shù)相對直流調速方案總體經(jīng)濟效益較好，這一點(diǎn)在電梯調速方面的`成功應用可以得到驗證。
國內除了少數幾個(gè)煤炭企業(yè)在礦用提升機電氣控制系統的改造方案采用了先進(jìn)的電力電子技術(shù)以外（主要是直流調速系統），大多數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，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速的方案目前還沒(méi)有一個(gè)成功應用的例子。隨著(zhù)變頻技術(shù)的進(jìn)步，具有內置式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(shù)的成熟，礦用提升機采用交流變頻調速在技術(shù)上應該是可行的，我們可以以某大型冶金企業(yè)將電動(dòng)機單機容量為950kW的直流調速方案和變頻調速方案的比較作為參考（見(jiàn)下表）。從表中可以看出，變頻調速方案比直流調速方案有優(yōu)勢。目前的礦用提升機交流電控系統除了調速性能不理想外，其轉子串接的加速電阻也消耗部分電能，而且維修量大。
交流轉子串電阻調速方案的全變頻調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(chē)電機為工作電壓380V，功率125kW，原設計調速采用的是轉子串電阻方式，該礦對其電控進(jìn)行全變頻改造，并且保留原系統，兩套系統互為備用。該礦技術(shù)人員專(zhuān)門(mén)對兩套系統的耗電情況進(jìn)行了檢測，全變頻調速比串電阻調速節能20%~25%，節能效果明顯，維修費用也大幅度降低。1983年以來(lái)，煤炭企業(yè)風(fēng)機、水泵的節能改造取得了一定成效。風(fēng)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，軸功率近似隨轉數的3次方降低，因此，可以選用風(fēng)機泵類(lèi)變頻器，節能效果較明顯。煤礦主通風(fēng)機的風(fēng)量需求是按照礦井終期來(lái)設計的，裕度較大。目前控制風(fēng)量的辦法是通過(guò)控制風(fēng)門(mén)和調整風(fēng)葉角度來(lái)控制，造成浪費，如果直接采用高壓變頻器，節能可達20%以上，而且也節省了調整風(fēng)門(mén)或風(fēng)葉的時(shí)間。另外，礦井的主壓縮機和主排水泵設計都有節約電能的潛能。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，由于這些設備的功率裕度大、負荷變化大，因此節能的潛力較大。特別是隨著(zhù)電力電子技術(shù)的迅速發(fā)展和成熟，采掘機械應用電力電子技術(shù)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(shù)應用最為廣泛。電牽引采煤機相對液壓牽引采煤機，節能達到20%以上，同時(shí)也改善了電機的啟動(dòng)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(dòng)頻繁，負荷變化大，目前使用的啟動(dòng)設備大多數采用普通磁力啟動(dòng)器配液壓聯(lián)軸器，啟動(dòng)效果不很理想，同時(shí)也無(wú)法達到節能效果。隨著(zhù)隔爆型變頻器技術(shù)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(shí)達到節能和軟啟動(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)現在國內有的企業(yè)通過(guò)和國外技術(shù)合作，引進(jìn)或自制隔爆型節能軟啟動(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)調整輸出電壓來(lái)達到節能的目的，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)的其它應用
煤炭企業(yè)一般距離市區較遠，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�，F在大多數礦山工人村采用的都是定時(shí)供水制，只在規定的時(shí)間內供水，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(cháng)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(dòng)無(wú)塔變頻供水裝置這項技術(shù)在全國推廣使用已經(jīng)好幾年了，這項技術(shù)投資少，自動(dòng)化程度高，同時(shí)還可以達到節水節能的目的，但是在煤炭企業(yè)應用還不是太廣泛，許多企業(yè)還沒(méi)有認識到其優(yōu)勢。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，節約水資源10%以上，節約電能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(huì )效果都很好。我國于1996年正式啟動(dòng)綠色照明計劃，綠色照明計劃的關(guān)鍵就是利用電力電子技術(shù)開(kāi)發(fā)節能光源和節能燈具。煤礦井下大量使用照明，因此大規模推廣使用節能燈具有著(zhù)重要意義。以百萬(wàn)噸礦井生產(chǎn)照明用電容量為50kW計算，推行節能技術(shù)可節約電量15%，全國年產(chǎn)原煤12億t，年節約電量近8 000萬(wàn)kW·h，細算起來(lái)是一個(gè)不小的數字。但是，我國在開(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，特別是能適應煤礦井下惡劣條件的先進(jìn)節能燈具技術(shù)還不是很成熟。電力電子技術(shù)的發(fā)展，為煤礦電力節能提供了很好的機遇，根據國外技術(shù)統計，電力電子技術(shù)的綜合節能效果為10%~15%。當然，電力電子技術(shù)作為一項新技術(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(cháng)遠一點(diǎn)，在有條件的基礎上推行電力電子技術(shù)，否則錯過(guò)了機會(huì )，煤炭企業(yè)再想發(fā)展壯大就很困難了。
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