基于皮带机运行系统节能问题的思考与分析
基于皮带机运行系统节能问题的思考与分析
摘要：随着港口设备自动化水平的提高,港口对能源的需求量也将越来越大,能源费用在港口装卸生产中所占成本费用的比例也会有所提高。本文主要就港口皮带机系统整体运行效率低下,能源浪费较严重的问题,分析了港口皮带机构成以及当前国内外电动机能耗现状,找出了皮带机效率低下的原因,并探讨了港口皮带机系统节能增效技术, 皮带机系统是港口散货码头的重要组成部分，,以期为港口节能降耗提供一些参考。
关键词：港口； 皮带机； 传输系统； 节能
Abstract: with the port equipment automation level enhancement, port of the energy demand will also is more and more big, the energy costs in the port of loading and unloading production accounts for the share of the cost will be improved. This article mainly port conveyor system overall efficiency is low, the energy waste more serious problems, this paper analyzes the belt institutions and the port into domestic and foreign motor energy consumption status, and finds out the reasons of the low efficiency of the belt conveyor, and discusses the port conveyor system energy saving and efficiency improvement technology, conveyor system is port bulk cargo wharf is the important component of, so as to provide some references for saving energy and reducing consumption port.
Keywords: port; Belt conveyor; Transmission system; Energy saving
前言
经济的高速发展的现状下，全球都意识到“节能降耗”的重要性。如何实现能源的高效利用，降低消耗，是全球面临的问题。尤其电工行业的电机节能技术更是节能减排的战略组成部分，是国家的要求，也是企业提高经济的必然选择。电动机是我国主要的用电设备，其消耗了大部分工业用电，因此，提高电机系统的能源利用效率水平对于我国的能源节约和环境保护有相当的意义。文章通过自动控制皮带机传输流量、改变电动机连接方式、增减电机运行技术三种节能方式，对港口皮带机节能增效技术进行一些探讨。以确保皮带机运行稳定的基础上，有效的降低皮带机能耗，在一定程度上起到节能降耗的效果。
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一、港口皮带机系统效率低的因素分析研究
1、港口皮带机系统的构成。一般来说，典型的港口皮带机系统由四个上、下级构成——管理级、监控级、控制级和现场级，因此，皮带机系统看似简单，却综合了制造技术、计算机技术、控制技术和通信技术等多种技术类型，其中，
皮带机控制系统大都采用分散控制，集中操作的方式，保证了对整个系统的管理有序，分而自治。从能耗角度看，皮带机系统的管理级、监控级和控制级涉及的都是一些低压控制设备或者是信号传输系统，他们对能源的消耗不大，而现场级的驱动单元一般选用高压异步电动机，其对电能的利用率直接反应在所控制的电动机上。因此，决定皮带机能耗大小的关键因素就是其所使用电动机的效率。
2、电动机能耗现状。全美用电量的四分之一和工业用电量的百分之六十都是电动机消耗，如果积极推进电动机节能技术，将使整个工业界节能 15% 左右，达到 1000 亿 kWh 的惊人数量。因此，电动机节能技术一直是美国电机乃至整个工业界的重点，而在 1997 年就已通过的 Energy Policy Actof 1992（EPACT 法案）更是已法律的形式确立了高效电机的运行。而在我国国内，与国外相比差距更大，我国电机效率仅仅约为 75%，比国外低 10%，系统运行效率仅仅不到 40%，比国际先进水平低 20%~30%。国家发改委颁布的《节能中长期规划》（2006 至 2020）更是将电机节能列为十大重点工程。而其中对于皮带机的节能改造更是重中之重。
3、皮带机效率低的原因。港口皮带机系统效率低下的原因主要是由于使用低效电动机造成的，具体而言，就是负荷特性与电动机输出的转矩特性不匹配所致，也就是说，当负荷较小时，电动机带着低负荷运行，效率低下。只有当负荷与电机额定输出功率基本匹配时，电机才能高效率运转。皮带机在设计时，一般都按照所能承载的最大运输量来考虑，而选择与之匹配的减速机和电动机的原则是等级靠大不靠小。而且由于皮带机系统是惯性力矩较大的机械设备，其托辊多且皮带长，启动时需要较大的输入功率。在电动机选型时需要选择额定功率较大的电动机，一般来说，至少需要考虑 20% 的功率富余量。而当启动完成后，正常运行时负荷功率一般都小于启动功率，使电动机大部分时间处于轻载状态，输出效率较低；此外，皮带机运输环境“恶劣”，既有堆料也有沙料，当堆料机、取料机处于不同位置时，皮带机上有料段长度和宽度均不相同，物料分布极不均匀，导致皮带机运行负载变化很大。以上这些因素，都使皮带机存在着较为严重的“大马拉小车”现象。“大马拉小车”使电动机输出的功率因数低，据测试，有些港口皮带系统中电动机的输出功率仅为 0.2~0.3，不仅自身效率低下，也使供电电路消耗大量的无功功率，让供电线路增加了不必要的损耗。
二、港口皮带机节能增效技术分析研究
1、自动控制皮带机传输流量。皮带机上有料段长度和宽度均不相同，物料分布极不均匀，致使皮带机运行负载变化很大。换句话说，如果能够采用先进的自动控制技术使皮带机上传输的物料连续性更强、分别更均匀，系统单顿耗电量必将下降。基于这个原理，人们提出了皮带机流量自动控制技术，其控制的基本方式就是通过检测装置实时测量皮带机物料瞬时传送量，通过其反馈实现对上料设备及其作业速率的控制和调整。这种自动控制装置不仅能准确的调整物料给予量，更能提高系统运行的稳定性，降低系统能耗。目前，基于这一原理发明的皮带机系统已经应用于实践，如天津港散货物流中心的焦炭长廊皮带机就是这一系统。
2、改变电动机连接方式。实际运行中的电动机绕组连接方式有有角形（△）和星型（Y）两种。由电工理论知识可知，励磁所需的无功功率正比于定子绕组相电压的平方，因此，电动机采用 Y 连接所需的无功功率仅为三角形连接的三分之一，如下式
并且，如果电动机所带负荷越小，这种差异就更加明显。但是，这一措施节能能力有限，并且电机频繁变换连接方式对电机本身也可能会带来不利的影响。
3、增减电机运行技术。增减电机运行技术是最近几年逐渐推行试用的一种新型节能技术，即根据皮带机所承载负荷量自动改变驱动的电动机数量，从而实现节能。这种技术对于额定功率较大的港口输煤系统特别适用，因为输煤皮带机一般采用两台或两台以上的电动机驱动。皮带机传输系统在作业时，会经常出现轻载甚至空载的情况，轻载和空载现象的出现使多台电机运行效率低下。为了节约能源，可以采用“增减电机技术”改变运行电机的数量，使负载与电动机输出功率尽量匹配。目前，减电机技术已经逐步应用于港口节能中来，显然，“增减电机技术”的关键就是判断何时投入或切除电机，目前，检测的方法主要有两种：电机电流检测和位置检测。电机电流检测原理是基于鼠笼异步电机工作电流与负载转矩成线性关系，因此，可以通过检测电机电流来判断皮带机实际的负荷量，一旦电流低于一台电机的额定值就采用单电机运行，一旦电流高于一台电机的额定值就投入另一台电机。而位置检测法是基于取料机需要沿皮带机来回往复运动。假设堆场皮带机由南向北贯穿整个堆场，如果取料机流量固定不变的情况下，取料机越往北，皮带所承载的量就越大，移到最北段，皮带机将满负荷运行。因此，可以采用行程开关或编码器计算出某些合适的位置，在这些位置，可以增减电机数，这就是位置检测法。可以看出，位置检测法比电流检测法简单，改造的费用也比较低廉，但是由于移舱、流程故障等原因可能导致皮带较长时间空载而电机仍然全部投入运行，会造成一定浪费，因此，应根据各自港口的实际情况，选用合适的检测方法。
三、结语
随着我国经济和外贸的快速发展，港口运输量不断攀升，港口皮带传送系统是一种将电能转换为机械能的重要物资传送设备，担负着输送物资的重要任务，对提升港口工作效率影响极大。然而在节能减排和建设节约型社会的今天，皮带机系统运行效率低下、能源浪费严重等问题并未得到根本性转变，为了建设环境友好型港口，在大幅提升港口能源输出的情况下探讨港口设备节能具有十分重要的现实意义。
参考文献：
[1] 阎治安等：《电机学》，西安交通大学出版社，2006年。
[2] 王玉彬：《电机调速及节能技术》，中国电力出版社，2008 年。
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