节能减排示范项目多流程皮带输送系统逆向启动节能技术.docx
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节能减排示范项目多流程皮带输送系统逆向启动节能技术
节能减排示范项目——多流程皮带输送系统逆向启动节能技术
项目实施单位秦皇岛港股份有限公司
专家点评：
秦皇岛港是以能源运输为主的综合性国际贸易口岸，世界上最大的煤炭输出港，主要承担煤炭、石油、杂货、集装箱等物流输送业务。
秦皇岛港以为国分忧为己任，高度重视节能减排工作，依靠科技创新，实施了多项节能减排措施，取得了明显的效果，提前达到了河北省“双三十”重点企业2010年节能减排考核指标，并为建设环境友好型、资源节约型港口起到了良好的示范作用。
秦皇岛港设计年通过能力2.23亿吨，其中煤炭通过能力为1.93亿吨。
秦皇岛港股份有限公司第九港务分公司（九公司）是目前国内规模最大、设备最先进的煤炭码头，年设计通过能力5000万吨，带式输送机总长为30km，为全港带式输送机总长151km的五分之一，其能耗占九公司能源消耗的70%以上。
九公司抓住问题的关键，组成技术攻关小组，通过创新思维对工艺流程中带式输送机启动空运转时间过长问题进行了研究，提出多流程皮带输送系统逆向启动节能技术。
通过精确的程序设计，在不增加硬件投资，确保系统安全可靠运行的情况下，采用逆向启动模式使带式输送机系统空载启动运行时间缩短了77%，带式输送机系统能耗降低4%。
该技术彻底改变了散货输送系统的传统流程启动模式，在散货输送行业中属首创。
经过一年多的运行，系统安全可靠，节能效果显著，取得了良好的经济和社会效益。
该技术原理清晰，实施简便，具有明显的示范作用和广阔的推广应用价值。
“多流程皮带输送系统逆向启动节能技术”推广材料
——交通运输部节能减排专家工作组
一、概况
秦皇岛港作为以能源运输为主的综合性国际贸易口岸，是世界上最大的煤炭输出港和散货港，主要承载煤炭、石油、杂货、集装箱等运输业务。
港口地处渤海北岸，河北省东北部，自然条件优良，港阔水深，不冻不淤，共有12.2公里码头岸线，陆域面积11.3平方公里，水域面积226.9平方公里。
港口现有生产泊位45个，其中万吨级以上泊位42个，最大可接卸15万吨级船舶，设计年通过能力2.23亿吨，其中煤炭通过能力为1.93亿吨。
秦皇岛港作为河北省节能减排“双三十”重点企业，在“十一五”期间单位生产综合能耗要降低16%以上，由2005年的7.5吨标煤/万吨吞吐量，下降到2010年的6.3吨标煤/万吨吞吐量。
2008年完成货物吞吐量2.49亿吨，实际完成散货吞吐量2.22亿吨，能源消耗总量达到20.02万吨标准煤，按能源品种分，电力、煤炭、燃油，分别占68%、19%、13%；按能源用途分，生产用能占87%，其它用能占13%。
秦皇岛港股份有限公司第九港务分公司（九公司）是目前国内规模最大、设备最先进的煤炭码头，年设计通过能力5000万吨，拥有6个万吨级以上泊位，最大可停靠15万吨散货船，堆场设计堆存能力400万吨。
总装机功率为76660kW，其中带式输送机系统装机功率51660kW。
2007年九公司完成吞吐量5853万吨，电能消耗总量9751万kWh，2008年九公司完成吞吐量6100万吨，电能消耗总量9504万kWh。
九公司带式输送机总长为30km，为全港带式输送机总厂151km的五分之一，占九公司能源消耗的70%以上。
因此，降低带式输送机系统的能耗是九公司节能减排工作的关键。
在散物料输送系统中，传统的流程工艺启动时设备待料运转时间较长，空载能耗量较大，九公司通过优化软件，在保障系统安全性的前提下采用逆流程启动工艺，有效地缩短了带式输送机启动时设备待料运转时间，带式输送机系统能耗降低4%。
本项目改变了传统工艺流程带式输送机的启动次序，大大减少了带式输送机的启动空运转时间，不仅达到了节能降耗的目的，同时也减少了机械损耗，延长了设备的使用寿命，降低了生产运营成本。
二、基本原理
九公司翻堆线工艺设备布置示意图如图1。
以九公司翻堆线距离最短的一条流程为例，其名称、皮带长度、装机功率、传统工艺的启动次序及带式输送机由启动至上料的空载运行时间见表1。
从表1可以看出，传统启动工艺中，ST为下游受料设备，最先启动，空载运行时间也最长，为17.5分钟（1052秒），其他转接皮带的空载时间由下游向上游依次减少。
整个流程中各条皮带的空载时间相加为44.6分钟（2678秒）。
流程从启动到受料设备上料用时1062秒即17.7分钟，粗略估算空载损耗在200kWh左右，这个流程是所有流程中最短的一个。
而其他流程，随着带式输送机的数量增多，距离加长，带式输送机空载时间和空载损耗也相应增加。
图1翻堆线工艺设备布置示意图
注：
图中的符号及意义
CD6、7、8
翻车机代号，皮带上的料流来自翻车机底层给料器；
S8～S13
堆料机代号，将来自带式输送机的料流卸到堆场；
BF*
翻车机给料器下方带式输送机代号，是带式输送机系统的最上游带式输送机；
BD*
与堆料机相连的带式输送机代号，是带式输送机系统的最下游带式输送机；
BH*-*
接力转接带式输送机代号，用于将BF皮带上的料流输送至堆场；
T5-*
上下游带式输送机的转接塔，上游带式输送机将料流经转接塔的下料斗注入下游带式输送机。
表1 传统工艺的启动次序及带式输送机由启动至上料的空载运行时间表
带式输送机
名称
最短长度（m）
装机功率（kW）
启动次序
启动完毕时刻（第～秒）
上料时刻（第～秒）
空载运行时间（秒）
ST
50
315
1
下游设备最先启动
10
1062
1052
BD
1150
1200
2
↓
60
832
772
BH*-4
1250
1200
3
↓
110
582
472
BH*-5
920
1250
4
↓
160
398
238
BH*-6
270
630
5
↓
210
344
134
BF
370
1500
6
上游设备最后启动
260
270
10
带式输送机总长度
4010
总功率5465kW
合计空载时间
2678
注：
启动完毕时刻及上料时刻以发出流程启动指令为第0秒开始计算。
为减少顺向启动工艺造成的带式输送机空载损耗，考虑实行逆向启动工艺，即：
先启动上游给料设备BF，启动后即上料，根据BF的长度及皮带运行速度，可知料流到达下一条转接带式输送机BH*-6的具体时刻，在该时刻前提前启动BH*-6。
提前量T=BH*-6的启动时间+BF的安全制动时间+安全余量。
以此类推，依次启动全部带式输送机，其启动顺序见表2。
表2 逆向启动顺序
带式输送机名称
启动次序
ST
6
下游设备最后启动
BD
5
↑
BH*-4
4
↑
BH*-5
3
↑
BH*-6
2
↑
BF
1
上游设备最先启动
从表2可以看出，在逆向启动工艺中，ST做为下游受料设备，最后启动，BF作为上游给料设备，首先启动，其启动顺序与传统工艺正好相反。
逆向启动的核心问题是确定各下游皮带启动的准确时间。
因此，必须进行准确的计算。
三、实施方案
（一）明确逆向启动条件
1、流程中上游带式输送机长度要求
足够长的上游带式输送机可以保证启动上料后，料流不会立即到达与之相近下游带式输送机的转接点，并且有足够的自由制动距离。
带式输送机的长度>下游带式输送机启动时间×带速+上游带式输送机的制动距离。
按带式输送机现有状况，平均启动时间为40秒，带速5米/秒，安全制动距离为50米，则皮带长度应大于250米，流程中的每条带式输送机长度均满足要求。
2、带式输送机的驱动能力
带式输送机应能满足重载启动的要求，一旦下游设备在启动中出现问题，所有其上游带式输送机均可以在重载的状态下重新启动。
逆向启动一般仅在空载状态下使用。
3、流程中带式输送机数量
带式输送机的数量越多，转接过程所需的空载时间越长，逆向启动节能的作用越明显。
（二）确定逆向启动的安全时间间隔
1、启动时间确定
首先启动BF皮带，BF启动完成后开始给料；BF启动完成A秒后，发出启动BH*-6启动命令。
A＝BF上料流到达转接点的时间－T
T为提前量，T=BF的安全制动时间+BH*-6启动时间+安全余量时间
以九公司翻堆线距离最短的一条流程为例，BF带式输送机长度为370米，带式输送机运行速度为5米/秒，则BF上料流到达转接点的时间为370/5=74秒。
BF的安全制动时间=10秒
BH*-6启动时间为35秒
安全余量时间取9秒（BF较短，所以留时间较长）
则提前量T=BF的安全制动时间+BH*-6启动时间+安全余量时间=10+35+9=54秒
A=BF上料流到达转接点的时间-T=74-54=20秒
即：
BF启动完成20秒后，发出启动BH*-6启动命令。
2、安全验证：
启动BH*-6命令发出后，安装在BF末端的料流开关如果接收到料流信号，表示料流已接近转接点，程序自动检测BH*-6运行信号，若未收到其运行信号则停止BF，已确保安全。
BH*-5、BH*-4的启动依次类推。
一旦在空载逆启过程中发现中间带式输送机未运行造成流程启动中断，PLC程序将依据带式输送机的运行累计时间判断料流头部位置，依据其位置，判断是否下游皮带仍具备逆启动条件（到达下一转接点的时间大于时间T），则逆向启动，上游皮带保持顺向启动。
以此保证料流不发生转接点堵塞。
（三）逆向启动过程中空载时间测算
逆向启动实施后的各带式输送机启动时刻及空载运行时间见表3。
从表3中可以看出，原空载运行时间最长的BD带式输送机现空载时间仅为5.6分钟（337秒）。
比传统启动方式减少12分钟。
整个流程中各条皮带的空载时间相加为10.4分钟（623秒），比传统方式缩短空载时间34分钟。
大大节约了能源消耗。
整个流程从启动到受料设备上料用时812秒，即13.5分钟，提高近5分钟效率。
表3逆向启动实施后的各带式输送机启动时刻及空载运行时间
带式输送机名称
启动次序
启动完毕时刻
（第~秒）
上料时刻（第~秒）
空载运行时间（秒）
ST
6
下游设备最后启动
475
812
337
BD
5
↑
475
582
107
BH*-4
4
↑
255
332
77
BH*-5
3
↑
95
148
53
BH*-6
2
↑
55
94
39
BF
1
上游设备最先启动
0
10
10
合计空载时间
623
四、主要措施
（一）在PLC程序中建立各条带式输送机的启动间隔时间计时器，将计算出的上下级带式输送机间逆向启动时间间隔T的数值存储到各相应的计时器的预设值中，各计时器只有在其上游带式输送机运行后才开始计时。
（二）对故障的判断方法
逆向启动工艺中重要的是，如何保证下游设备一旦发生故障，上游带式输送机不会将料流运至就近的转接点造成料流阻塞。
因此应做如下设计：
1、在PLC程序中建立上游带式输送机和其下游所有带式输送机故障状态中间寄存器。
当任一带式输送机或相应的下游带式输送机发生故障时，中间寄存器的状态发生改变，PLC程序不允许向故障带式输送机及其上游带式输送机发送启动指令。
2、利用各条带式输送机的启动间隔时间计时器与下游带式输送机的运行信号进行逻辑判断，当上游带式输送机启动间隔时间计时器到时后的规定的时间内下游带式输送机仍没有运行，则判断为启动故障，PLC程序取消流程的启动。
（三）流程中断后的处理
一旦在空载逆启过程中发现中间带式输送机未运行造成流程启动中断，PLC程序将依据带式输送机的运行累计时间判断料流头部位置，依据其位置，判断是否下游皮带仍具备逆启动条件（到达下一转接点的时间大于时间T），则逆向启动，上游皮带保持顺向启动，从而保证料流不发生转接点堵塞。
逆向启动控制程序的启动步骤如下：
1、首先启动上游带式输送机运行
PLC程序判断上游带式输送机和其所有下游带式输送机均无故障后，PLC系统发送启动指令给上游带式输送机MCC柜，上游带式输送机开始运行。
上游带式输送机运行后，如果其运行反馈信号正确则PLC程序将该带式输送机的运行存储器置位，并发送启动信号给上游给料机。
2、上游给料机对上游带式输送机上料
上游给料机接收到启动信号后，给料机开始启动放料，同时PLC程序将给料机上料存储器置位。
3、PLC系统检测到给料机放料信号后，PLC程序中的上游带式输送机的启动间隔时间计时器开始计时，当计时器达到预设值时，PLC系统发出下游带式输送机运行指令，连接其下游的带式输送机开始运行。
4、该下游带式输送机运行后，PLC程序中相应该带式输送机的启动间隔时间计时器开始计时，计时器到达预设值后，PLC系统启动第二条下游带式输送机，以次类推启动各条带式输送机。
5、当最下游的带式输送机运行后，PLC程序中该带式输送机的运行时间计时器开始计时，计时结束后，PLC系统发出下游卸料机的运行指令，下游卸料机开始运行，流程中所有带式输送机全部启动。
图2是PLC控制程序流程框图，图3是PLC控制程序电脑演示图。
因此程序中加入了如下控制：
（1）采用保持型的计时器对运行电机计时，这样电机启动的时间就是累计量，并不会受断电及计时逻辑不满足的影响；当启动中带式输送机发生故障将通过计时器的值和带式输送机已经启动的次数判断最恶劣的情况下料流到达的位置，带式输送机的启动次数必须加以考虑，如果当前带式输送机在启动过程中失败（大多数为测速或运行反馈故障），由于PLC为收到带式输送机运行信号计时器不计时，但是由于带式输送机的启动惯性皮带可能会运转一定的长度，这样有可能造成对料流位置的估算误差。
一旦判断料流已到达当前启动皮带上的极限位置，即皮带启动完成后，等到下游带式输送机运行完毕，料流与就近的转接点之间没有足够的安全距离，逆启程序将自动选择下游就近的皮带为最先启动的皮带，这样逆启终端的带式输送机下游设备继续逆向启动，而其上游的带式输送机由于已上料的缘故将顺序启动。
图2PLC控制程序流程框图
（2）逆向启动工艺中至关重要的是，如何保证下游设备一旦发生故障，上游带式输送机不会将料流运至就近的转接点造成料流阻塞；解决此问题的方法是，运用电机运转的计时器（保持型）与下游带式输送机的运行信号组合进行逻辑判断，当上游带式输送机运转后规定的时间内下游带式输送机没有运行，流程的启动信号将撤销。
图3 PLC控制程序演示图
五、项目成效
（一）经济效益
流程逆向启动工艺实施后，秦皇岛市能源监测所对项目的节电效果进行了测试。
测试时间：
2008年11月20～21日
计量电表：
DSS864型三相有功电度表（上海金陵）
测试对象：
7086流程顺向启动及608流程逆向启动（7086流程与608流程带式输送机参数相近，可进行对比测试）
测试周期：
作业开始至作业结束
测试工况：
102节列车，6000t/h流量
计算公式：
耗电＝（结束电表值－启动电表值）×变比×驱动电机数量
表4 两种启动方式耗电量测试结果
7086流程顺向启动（2008年11月20日,S8，5-1#堆场6），流量6000t/h
带式输送机
名称
单电机功率（kW）
启动电表值
结束电表值
电表变比
列车耗电（kWh）
BF71#
500
2973.40
2973.90
900
1350
BH6-61#
315
899.578
899.735
900
282.6
BH6-51#
450
1914.00
1914.42
900
1134
BH6-41#
400
2064.60
2065.02
900
1134
BD81#
400
780.40
780.80
900
1093.5
合计
4994.1
608流程逆向启动，（2008年11月21日,S8，5-1#堆场6），流量6000t/h
带式输送机
名称
单电机功率（kW）
启动电表值
结束电表值
电表变比
单列车耗电（kWh）
BF61#
500
2713.92
2714.42
900
1350
BH6-61#
315
901.56
901.68
900
279
BH6-51#
450
1918.01
1918.40
900
1053
BH6-41#
400
2068.87
2069.26
900
1039.5
BD81#
400
781.31
781.679
900
996.3
合计
4717.8
注：
BF*、BH*-5、BH*-4及BD*由3台电机驱动，BH*-6由两台电机驱动。
测试结论：
逆向启动工艺与顺向启动工艺相比较，单流程逆向启动节约电能276.3kWh。
下游带式输送机每条均存在不同程度能耗降低，其中BD8降低能耗97.2kWh，BH6-4降低94.5kWh，BH6-5降低81kWh，BH6-6降低3.6kWh。
单流程节电率为5.5%。
从图4和图5可明显看出节能效果。
图42009年、2008年单耗对比
图52009年、2008年操作量对比
以九公司年吞吐能力6000万吨计算，流程启动次数约为8500次，则全年节约电能在200万度以上，年度新增利润近140万元，相应减少CO2排放量2105吨。
（二）社会效益
秦皇岛港上下高度重视节能减排工作，实施了多项节能减排有力措施，综合能源单耗以每年3%的速度连续递减，其中以多流程皮带输送系统逆向启动节能技术为代表创新性工艺变革，在其中发挥了重要的作用。
在本项目中，秦皇岛港股份有限公司对煤炭码头沿用多年的传统流程启动工艺提出了创新设想，不仅简单改变了传统顺序启动工艺的设备启动次序，而且充分考虑了煤炭码头作业的实际工况，在逆向启动工艺的框架下，融入了空载逆向启动、重载顺向启动的混合启动工艺，融入了逆向启动与顺序停止并存的流程控制模式，最大限度地降低了流程空载损耗，提高了装卸效率，降低了生产营运成本。
多流程皮带输送系统逆向启动节能技术已通过河北省科技成果转化服务中心组织的科技成果鉴定，对项目进行了安全性能及节电效果评估，认为该成果创新点突出，对散物料多条数、长距离带式输送机运输系统具有广泛的推广应用价值，达到了国际领先水平。
该项目获得2009年中国港口科技进步奖二等奖。
秦皇岛港股份有限公司充分认识到节能减排工作是一项全社会的长远工程，节能减排的各项科技成果应由全社会共享。
该项目在秦皇岛港范围内已经全面推行，目前具备条件的带式输送机系统均已采用了流程逆向启动工艺。
逆向启动已成为带式输送机输送系统工艺控制的新模式，势必带动整个交通产业乃至跨行业的工艺变革，为完成“十一五”节能减排任务做出重要贡献。
推广建议
“多流程皮带输送系统逆向启动节能技术”改变了港口专业散货码头传统装卸工艺系统的启动模式，在确保安全可靠、提高效率的前提下，以创新的思维的方式大胆提出了该项实施技术——根据物料输送方向顺次由上游向下游启动带式输送机。
该技术彻底改变了散货输送系统的传统流程启动模式，在散货输送行业中属首创。
经过一年多的运行，系统安全可靠，节能效果显著。
这一创新启动模式使带式输送机系统空载起动运行时间缩短了77%，带式输送机系统能耗降低4%。
以九公司年吞吐能力6000万吨计算，采用该技术全年节约电能在200万度以上。
“多流程皮带输送系统逆向启动节能技术”项目成果具有以下的推广价值：
1、该技术原理清晰、实施简便，具有明显的示范作用和广阔的推广应用价值，可在散货输送行业推广。
2、该技术充分体现了管理节能和技术节能的理念，其节能理念对其他企业也具有重要的借鉴意义。
拟采用该技术的单位应针对企业实际情况，进行消化吸收，以充分发挥该技术的节能潜力。
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