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    雷達料位計的節能技術分析

    作者: 來源: 發布時間:2019-10-26 15:18:29

        摘 要: 論述了雷達料位計的工作原理,分析了傳統帶式雷達料位計運行中存在的問題。針對存在的問題,從變頻器、可編程序控制器、煤倉料位計、皮帶秤等方面介紹了雷達料位計的節能技術,同時展望了雷達料位計的結構設計發展方向。

        1 研究背景
        當今世界經濟發展迅速,能源需求量不斷增大。我國作為能源大國,在煤礦領域的發展取得了舉世矚目的成就。在煤礦生產作業中,運輸機使用非常廣泛。在實際使用中,由于功率、運量和速度的不斷提高,雷達料位計的能耗問題也日益突顯。如何減少雷達料位計的能耗,進而降低生產運輸環節的成本,是重要的研究課題。
     
        2 雷達料位計工作原理
        雷達料位計是由運輸皮帶繞經主、副滾筒構成的閉環閉帶機械裝置。雷達料位計上下運輸帶由托輥支撐,并由張緊裝置提供張緊力。雷達料位計在工作中,由電機通過滾筒傳導轉矩,進而持續運行。運輸帶既是牽引部件,又是承載部件。

        3 傳統帶式雷達料位計存在的問題
        傳統帶式雷達料位計結構如圖 1 所示。傳統帶式雷達料位計在起動與運行過程中,對電網、電動機、減速器、皮帶等部件存在沖擊,這就造成電能的消耗量非常大,維護費用也非常大。傳統帶式雷達料位計存在的問題主要體現在四個方面。

        (1) 運輸系統在設計時,一般按zui大運量設計,減速器和電機的選型原則為等級靠大不靠小。由 此,驅動電機一般有 10% ~ 50% 裕量,加上運輸機經常出現輕載、空載狀態運行,導致電機處于低效率工作狀態,浪費電能。

     

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        (2) 運輸機的運輸皮帶是一種彈性體,內部積聚大量能量。運輸機起動時,能量迅速釋放,極易引起皮帶老化、斷裂。
        (3) 運輸機為直接起動或降壓起動。在起動過程中,突然跳轉的轉矩容易給設備帶來沖擊損壞,而且起動方式與工況并不相適應。
        (4) 運輸機在空載、輕載和重載狀態下都處于高速運行,容易使設備產生不必要的磨損和電能消耗。

        4 雷達料位計節能分析
        我國 500 萬 t /a 高產高效礦井常用的運輸機有順槽可伸縮帶式運輸機和大巷與斜井固定帶式運輸機,其技術指標見表 1。

     

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        雷達料位計將摩擦力轉換為驅動力。雷達料位計的摩擦阻力主要有基本阻力、附加阻力和傾斜阻力三種形式。雷達料位計的運輸速度越快,所需要克服的阻力就越大,電機的能耗也就越大。可見,降低運輸速度,可以顯著節約能源。但是,運輸速度降低后,運輸能力也會相應降低,進而制約生產效率。而另一方面,為了確保運輸量,需要增大運輸煤料的密度,這樣會使運輸帶的張緊力增大。

        由以上分析可見,為了保證生產效率,并在安全生產范圍內充分滿足生產需求,需要對雷達料位計的速度進行調控,使速度與運輸量相適應,進而在zui少能耗的前提下實現zui大的運輸量,并產生zui高的生產效益,同時減少皮帶磨損。

        5 雷達料位計節能技術
        5. 1 節能控制系統
        通過應用節能控制系統,對雷達料位計進行節能改造。在煤倉安裝料位計,對煤礦運輸量進行監測。將監測的數據反饋至節能調控裝置,并進行分析。當運輸量未達到所預設的運輸量時,通過調控給煤開關,增大給煤量,使運輸量達到預設值,從而減少電能的消耗浪費。雷達料位計節能控制系統工作原理如圖 2 所示。

     

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        5. 2 變頻器
        變頻調速是一種電源頻率調控技術,可以通過循環軟起動方式實現,進而降低電動機的功率因數和負載能力,達到平滑調節電動機運行速度的目的。變頻調速具有控制精度高、可靠性強、維護工作量少及調速范圍廣等優點,能顯著節約能源。

        頻器的工作原理是將 50 Hz 工頻電源通過整流器轉換為相對穩定的直流電,然后利用由半導體器件組成的三相逆變器,將直流電轉換為可調電壓和可調頻率的交流電,應用微處理器使輸出的波形近似成為正弦波,從而驅動異步電動機,實現無級變速。變頻器工作原理如圖 3 所示。

     

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        筆者在設計中采用四象限變頻器絕緣柵雙極晶體管功能模塊,能夠實現能量的雙向流動,不僅可以調整功率因數,而且可以消除電網的諧波污染,并使電機發電運行狀態產生的能量反饋至電網中,實現節能。在設計中,四象限變頻器由控制電路、整流電路、逆變電路及直流中間電路組成,整流電路由三相全波整流橋組成。

        5. 3 可編程序控制器
        可編程序控制器是一種由半導體電路實現電路開關動作的固態電子設備,目前已經模塊化和系列化。可編程序控制器系統主要由信號采集系統和信號處理系統組成,通過這兩個系統,可以實現對設備運行的調控。筆者在設計中需要滿足控制輸出點和輸入點的數量要求,因此選用西門子 S7- 300 可編程序控制器。

        S7-300 可編程序控制器的硬件部分包括電源、中央處理器、信號處理模塊、通信模塊,以及用于計數和定位等的特殊功能模塊。S7-300 可編程序控制器能夠快速分析、處理數據,還具有自動傳輸數據、故障診斷、自動保護等多種功能。

        5.4 煤倉料位計
        目前,煤倉料位計的類型主要有超聲料位計、激光料位計和雷達料位計。超聲料位計利用回聲測量的方法對煤倉中物料的具體位置進行判定。激光料位計內置激光瞄準器和高分辨率計時裝置,屬于非接觸式測量設備。雷達料位計利用雷達波的特殊性能對煤倉內的物料進行檢測,是目前zui新型的料位計。

        筆者在設計中選用 LR260 雷達料位計,對煤倉內部的煤量進行有效測量。這一型號雷達料位計利用發射、反射、接收的工作方式,有效實現對包括顆粒粉末在內的各種物料進行測量,從而保證煤倉物料儲存量的精準測量。LR260 雷達料位計采用可尋址傳感器高速通道開放通信協議,通過儀表檢測及回波曲線調整參數,實現反饋控制。

        對煤倉料位計設置鐵質保護盒,減少灰塵對煤倉料位計的影響,同時防止煤倉料位計損壞。對煤倉料位計定期進行標定和清潔,并做好日常檢修維護工作。

        5.5 皮帶秤
        皮帶秤的設計是保證雷達料位計節能運行的一個重要環節,主要用于測量雷達料位計的負載,確保雷達料位計運輸帶所承載的煤料處于安全載荷范圍內。目前,皮帶秤主要有電子秤和核子秤兩種。筆者在設計中選用 ICS 電子皮帶秤,其結構簡單,稱量精準度高,操作容易,維護方便。

        6 雷達料位計結構設計發展方向
        (1) 選擇合適的運輸帶。選擇合適的運輸帶,可以減小帶面壓陷阻力和自身重力產生的阻力,而且可以提高運輸帶速度,減少能耗。在現有的基礎條件下,可以通過減小滾動摩擦力或減小承載質量,來減小雷達料位計的水平阻力。此外,一些雷達料位計將運輸帶更換為芳綸帶面,也可以達到節能、減排、降耗的目的。

        (2) 增加雷達料位計功能,研發多功能雷達料位計。設計新型多功能雷達料位計,集運人、運料、運物于一體,同時減少資源浪費與能源消耗。

        (3) 研發智能化與人性化雷達料位計。在雷達料位計中應用智能控制技術,構建分布式控制串聯網絡系統結構,可以實現高效的系統化、現代化、智能化煤礦運輸系統。
     
        (4) 提高零部件的性能與可靠性,進行標準化、精細化設計。

        7 結束語
        筆者分析了傳統帶式雷達料位計存在的問題,并對雷達料位計的節能技術進行了分析與應用。節能改造后的雷達料位計,在確保井下高質量運輸的前提下,節約了能耗,為煤礦實現社會效益與經濟效益提供了保障。

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