劉改葉

千萬噸級礦井提升系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)集成與應(yīng)用研究

劉改葉

針對國內(nèi)外在礦井提升一體化技術(shù)及系統(tǒng)配套等方面，特別是對于特大型現(xiàn)代化礦井提升系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)集成與應(yīng)用方面的理論、技術(shù)研究基礎(chǔ)薄弱的現(xiàn)狀，對礦井提升系統(tǒng)高端裝備及關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了綜合集成、應(yīng)用創(chuàng)新研究，形成了主井高效節(jié)能、副井精準(zhǔn)定位，年產(chǎn)1 200萬t特大型現(xiàn)代化礦井提升系統(tǒng)。

煤礦開采；礦井提升；千萬噸礦井；大功率提升機；提升系統(tǒng)一體化集成

0 引言

如何集成現(xiàn)代化裝備和先進(jìn)技術(shù)，實現(xiàn)整個提升系統(tǒng)的一體化集成及系統(tǒng)裝備配套及功能匹配，確保千萬噸級特大型現(xiàn)代化礦井提升的能力、效率、工作可靠性、智能化水平，是現(xiàn)代化礦井的一大技術(shù)難點。針對麻家梁礦井深近600 m、年生產(chǎn)能力超1 200萬t現(xiàn)代化立井提升系統(tǒng)，對主井大功率高效節(jié)能提升、副井運行可靠與精準(zhǔn)定位、主副井的智能控制等方面進(jìn)行了理論、技術(shù)與裝備集成難點攻關(guān)研究，取得了較大的技術(shù)突破。

1 大功率重載高速主井提升高效節(jié)能綠色控制系統(tǒng)研究

主井提升機單機功率7 000 kW，單次提升總重達(dá)120 t，提升速度13.73 m/s，屬于大功率重載高速提升系統(tǒng)。如何實現(xiàn)其高效綠色節(jié)能運行是主井提升的關(guān)鍵所在。

（1）采用ACS6000交直交直接轉(zhuǎn)矩控制變頻傳動系統(tǒng)，全數(shù)字計算機控制，實現(xiàn)了主井提升系統(tǒng)的綠色節(jié)能運行。

通過分析傳動系統(tǒng)的基本原理，三電平變流器的輸出特性，以及傳動系統(tǒng)的力矩響應(yīng)特性，使用半導(dǎo)體功率元件IGCT，采用電流遲滯環(huán)比較方式直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)，砰-砰控制技術(shù)，并且優(yōu)化觸發(fā)脈沖控制模式。利用這些硬件和軟件的完美結(jié)合，實現(xiàn)了電動機功率因數(shù)恒為1（見圖1），具有顯著的節(jié)能效果；傳動系統(tǒng)不僅不產(chǎn)生電網(wǎng)諧波，無需諧波治理，而且吸收過濾電網(wǎng)上的諧波；無功功率損耗，電壓降低（見圖2）（2臺電動機同時啟動，其電網(wǎng)壓降小于4.5%），對電網(wǎng)上其他設(shè)備沒有任何影響；采用直接轉(zhuǎn)矩控制，以25μs的間隔計算力矩控制，單步切換達(dá)到設(shè)定值，實現(xiàn)了力矩控制響應(yīng)時間為1 ms左右，且在各種工況下力矩總是平滑可控的，靜動態(tài)控制精度高（見第2頁圖3）；通過調(diào)整力矩汶波頻段和力矩前饋控制，傳動系統(tǒng)能消除力矩汶波，并能檢測到共振頻率，抑制機械共振。

圖1 實測的整流單元電流和電壓波形

圖2 電網(wǎng)壓降比較

（2）采用9 000 kW的雙變頻單元，在國內(nèi)首次設(shè)計實現(xiàn)了具有“全載半速”功能的大功率礦井提升變頻傳動系統(tǒng)，確保了主井提升系統(tǒng)的安全、連續(xù)、高效運行。

圖3 力矩響應(yīng)

主井電動機單機功率7 000 kW，電機定子采用A、B雙繞組結(jié)構(gòu)，變頻系統(tǒng)具有2個整流單元、2個逆變單元、2個整流變壓器、2個中壓開關(guān)。對于兩套子系統(tǒng)，正常情況下（見圖4）電機的兩繞組并列運行，提升機全載全速運行。當(dāng)其中一套子系統(tǒng)損壞時（普通提升系統(tǒng)需停機維修），通過切換開關(guān)將電機兩個定子繞組串聯(lián)起來（見圖5），此時電機的轉(zhuǎn)矩不變，功率減半，所以電機輸出的最大速度減半，提升機全載半速運行。

圖4 全載全速運行

圖5 全載半速運行

2 大功率重載副井提升高精準(zhǔn)定位控制系統(tǒng)研究

副井主提升系統(tǒng)電機功率達(dá)3 600 kW，配備一個雙層特大型罐籠，自重51 t，可運送整件最大件重量50 t（液壓支架不解體和支架搬運車的整體搬運），可載290人同時入井。該提升系統(tǒng)屬于大功率特大型重載副井提升，實現(xiàn)其高可靠性和精準(zhǔn)定位是當(dāng)前的一大技術(shù)難點。

（1）建立了提升鋼絲繩動力學(xué)模型，采用5段S形速度曲線，實現(xiàn)了速度的平滑變化，保證了礦井上下人員的舒適度；采用位置、速度、轉(zhuǎn)矩三閉環(huán)全數(shù)字控制（見圖6），保證提升機嚴(yán)格按照設(shè)計曲線運行；發(fā)揮了力矩預(yù)置功能、力矩保持功能；確保啟動平滑，避免了零速停車倒溜，減少了啟動和停車時的沖擊次數(shù)。

圖6 位置、速度、轉(zhuǎn)矩三閉環(huán)控制框圖

（2）副井提升傳動系統(tǒng)采用交直交變頻傳動系統(tǒng)，由全數(shù)字控制模塊構(gòu)成，配備一臺SINAMICS SM150中壓電壓源型交直交變頻器；電網(wǎng)端帶能量回饋控制，使功率因數(shù)優(yōu)于0.95。采用ROTOS技術(shù)，使輸出電流波形非常完美。采用高性能的速度位置控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了提升零速時電機保持絕對零速，由編碼器測量的位置也保持不變，以保證準(zhǔn)確停車精度；全自動液壓操車系統(tǒng)實現(xiàn)了罐籠定位精度高（±20 mm），對罐時間短，解決了罐籠左右搖晃以及上下跳動而不穩(wěn)的問題。罐籠采用柔性結(jié)構(gòu)，較好地平衡了張力，提高了安全性。采用ST3-D恒減速液壓盤式制動器，保證隨時提供1.5 m/s2的最小減速度，且具有緊急安全制動時的雙份冗余配備。

圖7 副井提升機的工藝控制、監(jiān)控系統(tǒng)

（3）采用雙PLC設(shè)計，一路主控，一路監(jiān)控，進(jìn)行雙路獨立信號采集、狀態(tài)判斷、實時運算、控制指令生成等，確?？刂频陌踩院涂煽啃裕徊捎肞LC+FM458構(gòu)架的控制系統(tǒng)（見圖7），PLC實現(xiàn)邏輯連鎖控制和保護(hù)功能，F(xiàn)M458實現(xiàn)工藝控制；遠(yuǎn)程站放置ET200裝置，采用Profibus通訊傳送方式，實現(xiàn)遠(yuǎn)程診斷、集中調(diào)度和信息集中顯示；采用安全回路、電氣停車回路和閉鎖回路三大控制回路；提升機控制專用功能塊實現(xiàn)了位置、速度、加速度、沖力、爬行等曲線的設(shè)定，只需要改變相關(guān)參數(shù)即可改變相應(yīng)的設(shè)置。

3 提升系統(tǒng)的機電耦合動力學(xué)建模與分析

在提升機加、減速或緊急制動時，鋼絲繩會儲存或釋放能量，產(chǎn)生很大的動應(yīng)力波動，造成提升容器劇烈震蕩，這會導(dǎo)致摩擦傳動失效，嚴(yán)重時會導(dǎo)致打滑和跑車事故，造成重大的經(jīng)濟(jì)損失。這就要求對提升機運行動態(tài)特性進(jìn)行分析，進(jìn)而通過結(jié)構(gòu)及運行關(guān)鍵參數(shù)的優(yōu)化，提高其運行可靠性，防止由于重載提升系統(tǒng)動態(tài)特性的影響而造成設(shè)備故障及事故。多繩摩擦式提升系統(tǒng)的模型見圖8。

鋼絲繩動張力方程為：

上式中μ為等效黏性阻尼。提升鋼絲繩的最大動張力同時滿足下列要求：

圖8 多繩摩擦式提升系統(tǒng)模型

通過提升系統(tǒng)在非正常工況時的動力學(xué)特性研究，對卡罐工況進(jìn)行了分析，最后驗證了提升高度537.7 m，罐籠質(zhì)量51 000 kg，罐籠最大載荷50 000 kg，平衡錘質(zhì)量75 000 kg時，在提升高度一半出現(xiàn)卡罐現(xiàn)象時，提升側(cè)鋼絲繩的最大動張力為5 447.281 820 kN，小于鋼絲繩破斷拉力4×2 710= 10 840 kN，張力比為1.11，小于2.2，不會出現(xiàn)鋼絲繩滑動情況。

分析了罐籠停罐時承接裝置的動力學(xué)模型（見圖9）及響應(yīng)特性。

圖9 罐籠承接過程4階段

在x2(t)＜0，0≤x2（t）＜δ以及δ≤x2(t)區(qū)間段，系統(tǒng)動力學(xué)方程可分別表示為：

式中：x5(t)——鋼絲繩向下運行函數(shù)；

x2(t)——罐籠向下運行函數(shù)；

n——提升鋼絲繩根數(shù)；

p——提升鋼絲繩線密度，kg/m；

H——提升高度，m；

M——罐籠質(zhì)量(含尾繩)，kg；

m——載重質(zhì)量，kg；

c2——單位長度鋼絲繩阻尼系數(shù)；

CS——承接裝置阻尼系數(shù)，kg/s；

δ——承接裝置構(gòu)件變形量，m；

q0——承接裝置彈簧預(yù)壓縮量，m；

K2——鋼絲繩剛度，N/m。

實例證實了在減速過程中，減速至爬行階段，勻速爬行數(shù)秒，再分別以變減速、變加速運行時，進(jìn)行數(shù)值仿真，得速度、位移、承接力時變圖，見圖10～圖12所示，可以看出位移誤差很小，速度和穩(wěn)罐裝置承接力迅速衰減到0。

圖10 速度-時間

4 千萬噸級礦井提升系統(tǒng)高端裝備集成研究

圖11 位移-時間

圖12 承接力-時間

采用定性定量相結(jié)合綜合集成的集成方法，對千萬噸級的特大型現(xiàn)代化礦井提升系統(tǒng)通過分析、建模、仿真和試驗等方式，以及從系統(tǒng)環(huán)境、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)功能之間的輸入輸出關(guān)系進(jìn)行系統(tǒng)分析與綜合，完成這一過程。

4.1 注重綜合規(guī)劃和系統(tǒng)總體匹配

從一開始就本著現(xiàn)代化特大型礦井年產(chǎn)1 200萬t的高產(chǎn)高效智能化為總體目標(biāo)，從提升系統(tǒng)的各個單元模塊選擇上進(jìn)行功能參數(shù)匹配，合理進(jìn)行參數(shù)選擇和結(jié)構(gòu)參數(shù)匹配，做到機械參數(shù)、電氣參數(shù)和控制參數(shù)三者的有機協(xié)調(diào)和統(tǒng)一，實現(xiàn)了各功能模塊的一體化高端集成。

主井實現(xiàn)了“一井雙機、并行生產(chǎn)、1 200萬t”大功率高產(chǎn)高效千萬噸級提升系統(tǒng)集成與應(yīng)用。設(shè)計了井筒直徑為9 m、井架高度80 m的全亞洲最大的兩臺JKMD-5.7 m×4(Ⅰ)型落地式多繩摩擦雙箕斗提升系統(tǒng)：提升鋼絲繩直徑59 mm，提升速度13.73 m/s，提升周期106.2 s，單次提升載重45 t，年產(chǎn)能力1 200萬t、最大提升能力1 500萬t；提升電動機單機功率7 000 kW，采用ACS 6000直接轉(zhuǎn)矩控制傳動系統(tǒng)，功率因數(shù)恒為1，傳動效率為0.97。

副立井主提升系統(tǒng)采用JKMD-5.7×4型落地式多繩摩擦提升機，電動機為3 600 kW的IDM6040-6× T10-Z型低速直聯(lián)交流同步電動機，配套恒減速制動系統(tǒng)及全自動液壓操車系統(tǒng)，實現(xiàn)了罐籠的精準(zhǔn)定位。罐籠鋼絲繩為直徑62 mm的德國達(dá)高鋼絲繩，采用TCK在線監(jiān)測。罐籠自重51 t，特大型罐籠（4 270 mm×7 700 mm×10 500 mm）采用雙層結(jié)構(gòu)，可載290人同時入井，最大載重50 t，實現(xiàn)了液壓支架不解體和支架搬運車的整體搬運；罐籠采用柔性結(jié)構(gòu)，更好地平衡了張力，提高了安全性。

4.2 實現(xiàn)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)和接口模式

為提高整個提升系統(tǒng)的互操作性,必須解決通用性問題,從技術(shù)上實現(xiàn)綜合集成。要做到這一點，首先要在控制系統(tǒng)、信號處理、數(shù)據(jù)通信、用戶界面等方面建立統(tǒng)一的接口標(biāo)準(zhǔn)，實現(xiàn)各控制信號之間的統(tǒng)一管理和控制。

主井提升機控制系統(tǒng)采用網(wǎng)絡(luò)化集成監(jiān)控管理系統(tǒng)組態(tài)軟件WINCC與AC800M PLC控制器系統(tǒng)、S800 I/O系統(tǒng)，實現(xiàn)了提升過程的自動化與實時監(jiān)控；提升過程實現(xiàn)了可視化智能監(jiān)控，操作顯示界面顯示提升箕斗所在的位置、裝卸載系統(tǒng)所處的工作狀態(tài)、提升速度、加速度以及故障等信息。

副井提升機的主控系統(tǒng)由西門子公司的SIMATIC S7-400 PLC+FM458模塊結(jié)合ET200組成，協(xié)調(diào)管理提升機的操作和報警任務(wù)。在檢測提升容器在井筒中的準(zhǔn)確位置以及速度的基礎(chǔ)上實現(xiàn)行程控制，全數(shù)字的閉環(huán)控制方式使停車位置準(zhǔn)確，不依賴停車開關(guān)停車，減少了故障點，自動化程度高，減少了系統(tǒng)運行過程中人工的參與。硬件結(jié)構(gòu)采用雙PLC控制的主控、監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)了提升過程的智能化監(jiān)控。

4.3 多層次、具備復(fù)合功能的裝備系統(tǒng)

多層次、具備復(fù)合功能的裝備系統(tǒng)有機結(jié)合整個礦井提升系統(tǒng)成為礦井生產(chǎn)的一個重要環(huán)節(jié)?？刂圃O(shè)備類型多樣，信號復(fù)雜，如何協(xié)調(diào)好多層次、具有復(fù)合功能的裝備系統(tǒng)的配套集成是一大技術(shù)難點。

5 應(yīng)用效果

集成了高可靠性、高配置、高起點的提升設(shè)備，形成了國際先進(jìn)的現(xiàn)代化大功率、高產(chǎn)、高效、高可靠性、低能耗、自動化及智能化的“一井雙機、并行生產(chǎn)、年產(chǎn)能力達(dá)1 200萬t”千萬噸級礦井提升系統(tǒng)，積極推進(jìn)了大型化、高效化、智能化高端裝備與先進(jìn)技術(shù)集成及應(yīng)用。

麻家梁礦主副井提升系統(tǒng)自投入運行以來，系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠，實現(xiàn)了單日最大提煤超58 000 t，年產(chǎn)1 200萬t的提升能力要求，為同煤集團(tuán)帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)效益，為當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)及社會發(fā)展做出了巨大的貢獻(xiàn)。

Research on the Key Technology Integration and Application of Hoisting System in More than Ten Million Tons of Coal Production of Mine

Liu Gaiye

For integration technology ofmine hoisting and supporting system at home and abroad,especially for the status quo of the theory of the key technology integration and application of hoisting system in oversizemodern mine and weak technology research foundation,the comprehensive integration and application innovation is studied for high-end equipment ofmine hoisting system and the key technology,high efficiency and energy saving ofmain shaft, precise positioning of vice shaft and annual production of 12 million t of hoisting system in oversizemodern mine are formed.

coalmining;mine hoisting;more than ten million tons of coal production ofmine;high power hoist; integration of hoisting system

TD534

B

1000-4866（2015）01-0001-05

2014－10－04

劉改葉，女，1969年出生，現(xiàn)在大同煤礦集團(tuán)機電裝備制造有限公司工作，工程師。