薛永杰

1山東港口集團(tuán) 山東青島 266500

2青島港灣職業(yè)技術(shù)學(xué)院 山東青島 266404

散 貨碼頭、礦山以及火力發(fā)電等采用帶式輸送機(jī)作業(yè)的場所，作業(yè)設(shè)備是企業(yè)產(chǎn)生能耗的主因。以青島港董家口礦石碼頭有限公司為例，作業(yè)設(shè)備年電能消耗金額高達(dá) 1.2 億元，2022 年電費單價提高，導(dǎo)致能耗成本進(jìn)一步增加。2000 年 12 月 29 日，國家經(jīng)貿(mào)委、國家計委發(fā)布 《節(jié)約用電管理辦法》(國經(jīng)貿(mào)資源 [2000]1256 號)，號召所有用能單位加強(qiáng)節(jié)能管理，提高能效，合理利用電能，并鼓勵、支持先進(jìn)節(jié)約用電技術(shù)創(chuàng)新。因此，依靠技術(shù)創(chuàng)新推動節(jié)能模式創(chuàng)新是實現(xiàn)節(jié)能的重要途徑。

由帶式輸送機(jī)組成的裝、卸貨流程，傳統(tǒng)的啟動方式是按照貨物運輸?shù)姆捶较?，即從下游的末端輸送機(jī)開始，逆向依次啟動。該啟動方式存在始端輸送機(jī)未投料前，下游輸送機(jī)空轉(zhuǎn)耗能現(xiàn)象。停機(jī)時，首先排空物料，然后從始端輸送機(jī)依次停機(jī)，這種模式簡稱逆啟順停模式。為減少啟動過程中空載電能消耗，2007 年青島港前港分公司將煤炭裝卸流程改為順序啟動模式。該模式按照貨物運輸?shù)姆较?，由上游始端輸送機(jī)至下游末端輸送機(jī)依次啟動。上游始端輸送機(jī)啟動后即投放物料，可以有效減少輸送機(jī)空轉(zhuǎn)時間，停機(jī)模式不變，簡稱順啟順停模式。從青島港前港分公司煤碼頭的改造以及其他港口[1-3]的改造結(jié)果來看，鮮有單位對流程啟停的能耗模型進(jìn)行研究，對順停方式的研究明顯不足。青島港董家口礦石碼頭有限公司在全面分析對比不同啟停方式節(jié)能效果的基礎(chǔ)上，對輸送機(jī)流程啟停方式進(jìn)行改造，結(jié)合啟動物料檢測、停機(jī)物料檢測以及各條輸送機(jī)首尾運轉(zhuǎn)時間檢測等各種手段，配合 PLC 控制系統(tǒng)程序優(yōu)化，比較準(zhǔn)確地把握合適啟、停時間，達(dá)到更好的節(jié)能效果。為研究方便，筆者對由 BC1 到 BC5 這 5 條輸送帶組成的輸送機(jī)進(jìn)行 2 種啟、停模式空載能耗分析。

1 逆啟順停模式空載能耗分析

在實際工作中，散貨作業(yè)的帶式輸送機(jī)根據(jù)作業(yè)需求，例如港口企業(yè)，從取料機(jī)到裝船機(jī)或者從卸船機(jī)到貨物堆場，由于選用的堆場、碼頭作業(yè)設(shè)備不同，通過帶式輸送機(jī)組合，可形成不同作業(yè)流程。為了方便分析，筆者將 BC1、BC2、BC3、BC4、BC5 5條輸送機(jī)組成一個流程，如圖1 所示。T為輸送機(jī)啟動間隔，TKC1～TKC5為各輸送機(jī)尾部轉(zhuǎn)到頭部的空程時間。流程方向是指物料從 BC1 到 BC5 方向輸送。傳統(tǒng)的逆序啟動模式是首先啟動 BC5，然后進(jìn)行安全廣播以及延時Ts 后，再啟動 BC4，以此類推，最后啟動 BC1，所有輸送機(jī)啟動后，物料由 BC1 向 BC5方向輸送。

圖1 逆序啟動流程示意

在依次啟動 BC5 至 BC1 的過程當(dāng)中，各輸送機(jī)由于啟動延時而造成的空載運行時間如下：

(1)BC5 輸送機(jī)，4T；

(2)BC4 輸送機(jī)，3T；

(3)BC3 輸送機(jī)，2T；

(4)BC2 輸送機(jī)，1T；

(5)BC1 輸送機(jī)，0T。

假如各輸送機(jī)空載功率用PKi表示，則空載啟動一次，由于延時啟動所造成的最低總延時能耗為

物料從 BC1 向 BC5 方向運送。自 BC1 開始投料，在整個運料過程中，輸送機(jī)存在更大的空載能耗。用TKCi表示 1 條輸送機(jī)從尾部運行到頭部空程所耗的時間。物料自 BC1 輸送機(jī)尾部漏斗開始供料，BC1 的物料前方是空程，因此需要消耗一個TKC1的時間。由于 BC1 投入物料后，BC2 也在運行，因此 BC2除了要運轉(zhuǎn) BC1 的空程時間TKC1以外，BC2 接受物料后從尾部運行到頭部也有一個空程時間TKC2。以此類推，BC5 消耗的空程時間最長為 BC1 到 BC5 空程消耗的時間之和。因此，各輸送機(jī)空程耗時如下：

(1)BC1 輸送機(jī)，TKC1；

(2)BC2 輸送機(jī)，TKC1+TKC2；

(3)BC3 輸送機(jī)，TKC1+TKC2+TKC3；

(4)BC4 輸送機(jī)，TKC1+TKC2+TKC3+TKC4；

(5)BC5 輸送機(jī)，TKC1+TKC2+TKC3+TKC4+TKC5。

設(shè)WNK為逆序流程作業(yè)時的空載能耗，由此可知，自 BC1 開始投放物料開始，理想的逆序流程作業(yè)時的總空載能耗為

流程停機(jī)程序：常規(guī)作業(yè)程序是待整個作業(yè)流程的物料排空完畢以后，依次對 BC1 至 BC5 實施停機(jī)。由于物料必須從輸送機(jī)的尾部運移到頭部，最后一級的 BC5 輸送機(jī)必然會有空程耗時TKC5。BC4 輸送機(jī)的空程耗時為從輸送機(jī)的尾部將末端物料運移到頭部的空程時間TKC4加上TKC5。以此類推，BC1 輸送機(jī)的空程耗時最長，為 5 條輸送機(jī)的空程時間之和。因此，在理想狀態(tài)下，BC5 輸送機(jī)排完料立即停機(jī)，這時各輸送機(jī)排料空程耗時如下：

(1)BC1 輸送機(jī)，TKC1+TKC2+TKC3+TKC4+TKC5；

(2)BC2 輸送機(jī)，TKC2+TKC3+TKC4+TKC5；

(3)BC3 輸送機(jī)，TKC3+TKC4+TKC5；

(4)BC4 輸送機(jī)，TKC4+TKC5；

(5)BC5 輸送機(jī)，TKC5。

設(shè)WNp為逆序流程排料停機(jī)空載能耗，在排料過程中，理想的排料停機(jī)總空載能耗為

設(shè)WNZ為逆啟順停總空載能耗，則

化簡得到

假如某個流程有n條輸送機(jī)，可以推導(dǎo)出傳統(tǒng)啟停動方式總的空載能耗一般模型

式中：W′NQ、W′NK、W′NP分別為逆啟順停過程中設(shè)備總啟動延時空載能耗、運料空載能耗、排料停機(jī)空載能耗。

該模型為逆啟順停單流程啟、停一次的最少總空載能耗，不包括其他人為因素造成的能耗。從一般模型可以看出，總的空載能耗與啟動間隔時間直接相關(guān)，尤其是對排空作業(yè)過程中輸送機(jī)的空程影響更大。

2 順啟順停模式空載能耗分析

順啟順停就是依次從 BC1 向 BC5 方向啟動，如圖2 所示，TJC為下游輸送機(jī)啟動檢測時間，TZD為該輸送機(jī)制動滑行時間，TKC1～TKC5為各輸送機(jī)尾部轉(zhuǎn)到頭部的空程時間。對于這種啟動方式，BC1 輸送機(jī)啟動后，即可投料運行，可以大大減少空程時間。為了進(jìn)一步減少空載能耗，可根據(jù)輸送帶的長短，在各個輸送機(jī)的合適位置上設(shè)置一個物料監(jiān)測點，根據(jù)物料狀態(tài)控制下游輸送機(jī)的啟動?？紤]到下游輸送機(jī)可能出現(xiàn)未能啟動的異常狀況，設(shè)置下游輸送機(jī)運行狀態(tài)檢測時間TJC，當(dāng)檢測時間大于TJC時，下游輸送機(jī)仍未啟動，控制系統(tǒng)立即停止上游輸送機(jī)。TZD為上游輸送機(jī)緊急停機(jī)制動距離的折算時間，防止該輸送機(jī)的物料在緊急停機(jī)時落入下游而堵塞漏斗。因此，TJC+TZD是下游輸送機(jī)異常情況下的防止漏斗堵塞的安全時間，該時間乘以輸送機(jī)運行速度可以確定該輸送機(jī)頭部的下游輸送機(jī)啟動的檢測點位置。

圖2 順序啟動流程示意

對于 BC1 輸送機(jī)來說，啟動過程中的空程時間就是物料投入以后，從尾部運行到頭部的空程時間TKC1。對于 BC2 輸送機(jī)來說，由于物料運行至 BC1 輸送機(jī)物料檢測點即可發(fā)出 BC2 輸送機(jī)啟動信號，BC2輸送機(jī)的空程時間除了要運行 BC1 輸送機(jī)所設(shè)置的檢測時間TJC和緊急停機(jī)制動時間TZD之外，物料從尾部運行到頭部也有一段空程時間TKC2。其他輸送機(jī)同理運行，即除了TJC+TZD之外，要加上該輸送機(jī)的空程時間。

根據(jù)上述分析，可以列出各條輸送機(jī)在啟動過程中的空程耗時：

(1)BC1 輸送機(jī)，TKC1；

(2)BC2 輸送機(jī)，TKC2+TJC+TZD；

(3)BC3 輸送機(jī)，TKC3+TJC+TZD；

(4)BC4 輸送機(jī)，TKC4+TJC+TZD；

(5)BC5 輸送機(jī)，TKC5+TJC+TZD。

用WSQ表示順序啟動過程總空載能耗，則

順啟順停模式與逆啟順停模式有所不同，為了更加精準(zhǔn)地控制輸送機(jī)的空載能耗，在第 1 條輸送機(jī)的頭部增加了停機(jī)檢測傳感器，當(dāng)流程處于“停機(jī)”作業(yè)狀態(tài)，排空物料經(jīng)過停料檢測點時發(fā)出“停轉(zhuǎn)信號”，BC1 立即停止運行，后續(xù)輸送帶的停機(jī)根據(jù)PLC 控制系統(tǒng)中設(shè)置的單條輸送機(jī)空程運行時間順序停止運轉(zhuǎn)。對于 BC1 來講，其空程時間為物料末端由尾部運行到頭部輸送帶的空程時間TKC1，排空物料即刻停機(jī)；BC2 輸送機(jī)的空程時間為物料末端由尾部運行到頭部的空程時間TKC2，排空物料即刻停機(jī)；其他設(shè)備亦是如此。各輸送機(jī)停機(jī)時空載耗時為：

(1)BC1 輸送機(jī)，TKC1；

(2)BC2 輸送機(jī)，TKC2；

(3)BC3 輸送機(jī)，TKC3；

(4)BC4 輸送機(jī)，TKC4；

(5)BC5 輸送機(jī)，TKC5。

順啟順停過程各條輸送機(jī)排料停機(jī)空載能耗之和用WSP表示，則

相較于逆啟順停模式，由于沒有啟動過程中的額外空載能耗，順啟順停模式總空載能耗WSZ只包括啟動總空載能耗WSQ和停機(jī)總空載能耗WSP，則

順啟順停總的空載能耗一般模型為

式中：W′SQ、W′SP分別為順啟順停過程中啟動過程總空載能耗、排料停機(jī)總空載能耗。

3 2 種啟停模式模型節(jié)能對比

對上述 2 種啟停模式空載能耗一般模型進(jìn)行對比，得到節(jié)能模型

在實際應(yīng)用中，順啟順停模式啟動過程中，檢測時間TJC和緊急停機(jī)制動時間TZD之和(TJC+TZD)與逆啟順停安全廣播以及延時T接近，但受逆啟順停模式的影響，T的系數(shù)(i-1)會受到流程中輸送機(jī)數(shù)量n的影響，數(shù)量越多，對T的影響越大。然而，順啟順停模式中，各輸送機(jī)僅受(TJC+TZD)影響，因此順啟順停優(yōu)勢明顯。

逆啟順停模式中，空載能耗為各輸送機(jī)空載功率PKi之和與各輸送機(jī)尾部轉(zhuǎn)到頭部的空程時間TKCi之和的乘積，這一數(shù)值遠(yuǎn)大于順啟順停中PKi與TKCi之和的乘積，因此，順啟順停的停機(jī)方式也能夠取得很好的節(jié)能效果。

綜上所述，順啟順停模式的空耗節(jié)能效果明顯，這一結(jié)論在后續(xù)的技術(shù)改造中也得到了印證。

4 順啟順停模式的改造應(yīng)用

青島港董家口礦石碼頭有限公司擁有現(xiàn)場 56 臺輸送機(jī)，卸船、裝船、火車、混礦、排料 5 種作業(yè)類型，675 種作業(yè)流程組合，輸送機(jī)流程長度達(dá) 36 km。為了節(jié)能降耗，自 2021 年開始，山東港口集團(tuán)青島港有限公司董礦分公司成立研究小組，分析認(rèn)為順啟順停方式具有明顯優(yōu)勢，青島港董家口礦石碼頭有限公司投入人力物力進(jìn)行流程順序啟動模式的技術(shù)研究與改造。在研究過程中，為達(dá)到更加理想的節(jié)能效果，創(chuàng)新性地加裝輸送帶物料“啟動監(jiān)測點”來控制下游輸送帶的啟動，同時在選擇“停機(jī)”模式后，采用“停料監(jiān)測點”輸出的信號，配合各臺輸送機(jī)單機(jī)運轉(zhuǎn)時間，自行停止流程上各臺輸送機(jī)的運行，最大限度地降低設(shè)備空載能耗。自 2022 年改造成功后，經(jīng)實際測量，平均每個流程采用順啟模式可節(jié)約電費550 元，較 2021 年全年節(jié)約能耗成本達(dá) 500 萬元。

5 結(jié)語

通過對輸送機(jī)流程啟動方式空程耗時的分析研究，將傳統(tǒng)的逆啟順停模式改造成順啟順停模式，通過設(shè)置啟動和停止“檢測點”傳感器的方法，控制輸送機(jī)的運轉(zhuǎn)，取得了良好的節(jié)能效果。在實施過程當(dāng)中，仍會有一些人為因素的影響。目前，青島港董家口礦石碼頭有限公司作業(yè)流程已實現(xiàn)無人化，但離完全智能化還有一定距離，人為因素不可避免。為此，還需要提升輸送機(jī)流程的智能化、自動化水平，避免由此導(dǎo)致能耗增加。伴隨技術(shù)的進(jìn)步，對節(jié)能的要求將精確到“秒”甚至“毫秒”，流程順啟順停模式也必將得到進(jìn)一步優(yōu)化。