矿山提升机改造方案.docx
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矿山提升机改造方案
兰花集团莒山煤业有限公司
主井提升机系统改造
整
改
方
案
郑州广众科技发展有限公司
二零一二年四月九日
一、引言
山西兰花集团莒山煤业有限公司主井主提升系统现安装有2JK-2.5（双筒2.5米）型提升机一部，主电机6000V、200KW、额定转速730r/min,（以后要更换到JK-3/30E型提升机，主电机450KW,电压6000V）。
液压系统为双油泵电液调压阀式液压站，节流阀式二级制动，油泵电机额定电压三相AC380V。
润滑站为双齿轮泵整体式润滑泵站,油泵电机额定电压三相AC380V。
该电控系统调速方式是采用交流绕线式电机转子串电阻八段调速，电控系统控制方式是建立在继电器逻辑式控制架构上的TKD系列提升机电控系统。
2008年，国家安全监管总局、国家煤矿安全监察局发布的《禁止井工煤矿使用的设备及工艺目录（第二批）》（安监总煤装〔2008〕49号）将TKD型绞车电控列为禁止井工煤矿使用的产品。
2009年6月18~19日，安标国家中心在重庆组织召开了煤矿提升设备及电控装置专项研讨会，相关产品制造企业、设计研究院、国家安全生产检测检验机构、国家安全生产专家组成员及国家安全监管总局、国家煤矿安全监察局等多家单位的代表参加了会议。
会议一致认为，采用电磁继电式逻辑电路构成的提升绞车电控，存在性能可靠性差、接触器触头易烧毁、故障率高、维护量大且困难、系统功能不完备、参数标定困难、能耗高、效率低、噪声大等较大缺陷，应采用更为安全、可靠的技术予以替代。
二、改造综述
为响应国家安全监管总局、国家煤矿安全监察局的要求和保障矿井提升的安全性、可靠性，根据国家煤矿安全监察局、煤矿安全规程及兰花集团莒山煤业有限公司主井提升系统现状，郑州广众科技发展有限公司通过对生产工艺流程、现场使用条件和现有设备的充分调研和反复研讨、论证，在保障提升系统安全可靠的原则下，参照矿方建议制定了兰花集团莒山煤业有限公司主井提升系统改造计划如下：
1.保留提升机主机（包括滚筒、减速机、主电机、传动连接部件）。
2.保留润滑系统（润滑站及润滑管路）。
3.改造制动系统（保留制动器，保留原液压站，新增液压站，改造液压管道）。
3.保留原电控的基础上，新增一套高压变频电控系统（包括操作台、四象限变频器、高压开关柜，低压开关柜，由于矿方计划增容提升能力，为免除后续重复投资和资源浪费，变频电控设计最大输出功率为500KW）。
4.为了进一步提高系统的安全性、可靠性和响应矿方要求及建议，新增原电控系统与新装电控系统的切换装置一套（可实现主电机电源切换，液压站油路切换，润滑站电源切换），两套电控系统独立过卷、松绳、闸保、到位、满仓、减速点、深度指示器失效等安全传感信号。
共享信号通讯系统。
5.新增提升机综合后备保护装置（KTH12型）一套。
3、高压变频电控系统技术方案
1.概述
兰花集团莒山煤业有公司主井原电控系统系统属于有级调速，具有低速转矩小，转差功率大，启动电流和换档电流冲击大，中高速运行振动大，制动不安全不可靠，对再生能量处理不力，低速运行到终点时易出现“过卷”现象，故障率高，运行效率低等缺点，因此拟对原有提升机控制系统进行变频改造。
根据矿方要求，我方做KTJ-P系列变频提升机电控技术方案以满足莒山煤矿主井提升机提升运输的工艺要求。
此方案具有以下特点：
（1）、所提供的电控装置能够完全满足提升系统运行的要求，并留有一定的过载能力和安全富裕系数。
其中静态、动态性能指标完全满足主电机四象限运行的要求。
（2）、电控装置以全数字控制为核心。
其中电动机驱动控制系统采用汇川技术股份有限公司生产的HD92-F060/630型高压变频器产品；操作及监控系统采用三菱FX2N系列可编程序控制器（PLC）。
（3）、交流电动机高压变频装置由移相变压器、功率单元和控制器组成，每相有多个功率单元串联，高-高结构，6KV直接输出。
（4）在20-100％的调速范围内，变频系统不加任何功率因数补偿的情况下输入端功率因数达到0.95。
（5）变频装置输出符合IEEE5191992及中国供电部门对电压失真最严格的要求，高于国标GB14549-93对谐波失真的要求。
（6）变频器效率达到98％以上，变频装置整个系统的效率（包括隔离变压器等）在重载时达到96％以上。
（7）、安全回路等关键控制及监控回路采用PLC软件程序与硬件电路冗余结构设计。
（8）、设置电子监控器，实现全行程范围内的速度保护。
（9）、电控装置所用低压电器如断路器、继电器等均选用知名品牌产品。
（10）、电控装置设计以安全可靠、技术先进、维护方便为原则。
模块化组件、组合柜结构，尽量减少设备与设备之间的连接电缆，节省工程成本及维护费用。
（11）、电控系统中关键电路包括安全回路采用两线制或三线制冗余设计，确保可靠运行。
2.设计制造遵循的标准与依据
a.《煤矿安全规程》（2010版）。
b.进口电气设备遵守国际电工委员会IEC标准。
c.现行国家电工委员会及其它有关标准。
d.《矿山电力设计规范》GB50070-94
e.《JB4263-86交流传动矿井提升机电控设备技术条件》
f.《煤矿地面多绳摩擦式提升系统设计规范》MT5021-1997
g.《金属非金属地下矿山安全规程》GB16424-1996
h.《低压配电设计规范》GB50054-95
i.《工业过程测量和控制装置的电磁兼容性》GB/T13926-92
j.《直流传动矿井提升机电控设备第二部分晶闸管电控设备》（JB/T6754.2-93）
k.《快速瞬变干扰实验》IEC61000-4-4
l.《浪涌抗扰性实验》IEC61000-4-5
m.《干式变电机定额和性能》ZBC55－2000
n.（89）中煤总生机字第《电气128号文件规定的各项保护及后备保护功能。
o.《外壳防护等级的分类》（GB4208-84）
p.《矿井提升机电控、制动系统技术规范》
q.用户提供的现场数据及要求
3.产品性能简介
3.1变频调速系统
调速系统采用汇川技术股份有限公司生产的HD92-F060/630型高压变频器，该变频器由主控制柜、功率单元柜、变压器柜、工频旁路柜（选配）组成。
HD9X系列高压变频器是汇川技术研发和生产的通用型交流变频调速系统，系统是基于高速ARM、DSP、FPGA的智能控制器，并采用成熟的功率单元串联叠波技术、矢量控制技术、优化的叠波PWM控制技术，实现优质的可变频变压的正弦电压和正弦电流的输出。
其工作原理和主要特点如下
（1）主控制柜主要由核心控制板、接口板、光纤板、PLC等组成
核心控制板主要由ARM、DSP、FPGA组成
ARM子系统主要完成和触摸屏、PC端应用程序、参数设定、故障
和状态信息读取和保存
DSP子系统主要完成电机控制算法，配合A/D、D/A完成系统电压、电流的采集和输出
FPGA子系统通过光纤板主要完成功率单元的脉冲生成，以及单元状态的采集
（2）功率单元柜每相串联3～9个单元，形成3kV～10kV高压输出
单元输入为三相690V，输出为单相0～690V
单元为交-直-交不控三相整流/单相逆变输出结构。
整流侧为二极管不可控整流。
逆变侧为IGBT模块H桥单相逆变
通过对逆变桥进行正弦调制PWM控制，得到正弦的单相交流输出。
（3）变压器柜内装移相变压器二次侧给每个单元独立供电，构
（4）成多级移相叠加的整流方式，此结构大大改善了网侧电流波形，提高网侧功率因数，降低了设备对电网的谐波污染。
（5）旁路柜为选配部件，其作用是党功率单元部分出现故障时，通过旁路柜旁路故障单元，变频装置可以降容使用，从而提高保障了提升机运行的安全系数。
（6）变频装置整体拓扑结构
变频器拓扑结构图
3.2主控台
主控台由两台PLC、数模转换模块、模数转换模块、触摸屏、电流检测模块、电流转换模块、应急提升模块、语言报警功能模块、液压站控制模块、润滑站控制模块等组成。
主控台是该变频电控系统的控制核心。
除位置、速度、温度、压力、电流等必要的信号采集传感器和终端执行设备外，所有控制回路装到操作台中。
司机可操作主控台上的开关及按钮来控制提升机运行，并通过指示灯和触摸屏及时了解提升机的运行状态及运行参数。
可显示提升机的运行状态、运行参数及各种控制元器件的工作情况，具有监控功能。
该主控台采用技术先进、性能可靠的PLC（可编程序控制器），按安全回路双线制的设计原则，配以研制生产的多种检测控制组件完成了提升机运行过程中应有的逻辑控制、时间和速度控制，具有按行程的速度给定、位置、行程闭环控制以及上述各种情况下的安全保护。
具有逻辑编程简单、安全保护可靠、状态显示齐全、语言报警等功能，可扩展上位监控系统实现与调度室计算机的联网与远程诊断，提高了矿井现代化管理的水平。
3.3高压电源柜
高压电源柜采用双回路电源进线，真空断路器分合闸控制，具备完善的短路、过流保护功能，进线隔离开关机械连锁，有限防止误操作。
3.4低压电源柜
双回路进线，手动切换。
给出提升机电控设备所需低压电源，包括变频器控制电源；提升机辅助设备（液压站、润滑站）电源；UPS电源、交流稳压电源等；并且提供备用电源。
4,提升系统安全保护
安全回路由PLC1和PLC2同时实现，称为双线制安全回路，具有过卷保护功能、过速保护功能、限速保护功能、减速点报警及自动减速保护功能、闸间隙保护功能、深度指示器失效保护功能、紧急安全制动功能，其中过卷、过速、限速、自动减速功能保护装置设置为相互独立的双线形式，同时将硬件过卷、电源故障、紧急制动等重故障直接构成继电安全回路，从而构成多重安全保护。
根据故障的性质和危害安全及工作状态的程度，安全保护按故障的性质分成三类进行处理：
（1）一类故障发出声光报警，系统立即实施安全制动，抱闸停车。
一类故障主要包括：
—电源失压故障；
—变频器进线开关跳闸；
—变频调速回路故障；
—制动系统油压故障；
—提升容器过卷；
—松绳故障；
—深指故障；
—提升运行超过最大速度15%；
—提升运行减速段过速10%；
—提升容器到达终端时的速度超过2m/s；
—错向操作；
—信号系统故障；
—信号系统急停、按下紧急安全制动钮。
（2）二类故障发出声光警报，系统立即实施电气制动，按电气制动减速度减速，当速度降低到0.5m/s以下时，实施安全制动，抱闸停车。
二类故障主要包括：
—电源欠压；
—变频装置过压保护熔断器熔断；
—主电机过载；
—打点停车；
—按下电气制动钮。
（3）三类故障发出声光报警，允许一次提升循环结束后再停车，并进行闭锁部不允许下一次开车。
三类主要包括：
—主电机轻度过载；
—闸瓦磨损、弹簧疲劳；
—润滑油超欠压
—制动油超温
5.电控系统图
电控系统图
4、液压站及切换装置方案
1液压站
1.1随着科学技术发展，矿井提升机的安全、可靠运行，对液压站提出了新的要求，为此在兰花集团莒山煤业有限公司主机提升系统改造中，我们选用了TE160双电机、双油泵储能式二级制动液压站。
TE160液压站适用于XKT、XKT-B型、JK型双筒矿井提升机和带盘形制动系统的JKM型多绳摩擦式提升机。
1.2TE160液压站采用恒压变量油泵，系统以此作为工作油源，在提升机开闸工作时可有效的减小液压系统发热。
电液比例调压装置采用国外优质比例液压阀，其滞环、线性度和重复精度均优于旧型电液比例调压装置。
油箱上设有加热器，以保证工作油品在合适的粘度范围内。
系统的主回路已经过优化处理并采用了插装阀组，响应速度和抗污染性均比传统元件有非常大的提升，使液压系统的工作更加可靠。
液压站还装有温度传感器和压力传感器，用于连续监控油温和压力的变化。
1.3TE160液压站的主要技术参数：
最大工作油压6.3MPa
最大供油量14L/min
工作油温15--65℃
油箱储油容积700.0L
二级制动延时时间0—10s
电液调压装置输入电流≤10V
液压油牌号N32液压油
电加热器功率2X1KW
外型尺寸1400×1200×1450（mm）
重量（不带油液）800kg
2.电控切换方案
2.1矿山工作的连续性决定了主提升设备工作于24小时全天候的工作状态，即使短时间的停车也会对矿山的生产造成影响，在兰花集团莒山煤业有限公司主井提升系统改造中，鉴于上述因素及矿方要求和建议，在安装新提升机电控及液压站的同时，原设备（原电控及原液压站）保留，作为新电控系统检修时的应急使用。
2.2由提升机的工作性质决定，电控切换需要切换主电机驱动系统、液压制动及调绳系统、润滑系统、及外围传感器件，在力求切换的安全、快捷、方便的主导思想下，设计了兰花集团莒山煤业有限公司主井主提升机电控切换方案，具体实施方法如下：
（1）主电机切换包括主电机电源和转子绕组切换两部分，在主电机电源切换方式中，选用具有机械连锁的高压开关柜作为主电机电源切换的执行装置，这样可有效防止误操作造成的人员及设备危害；在转子绕组切换中，由于变频驱动要求短接转子绕组，在施工时，预保留主电机电刷架及电刷，用短路环短接转子绕组，在切换过程时，只需安装或拆除短路环，即可完成转子绕组切换工作（主电机电源切换见下图）。
（2）液压制动及调绳系统的切换采用完全的油路切换方式，在原电控控制原液压站、新电控控制新液压站的结构下，两台液压站的各出油管路上加装闸阀，改造液压管路构成冗余油路系统（改造后油路系统见下图）。
在液压制动、调绳系统切换时，只需打开或关闭相应的闸阀即可完成液压制动、调绳系统的切换工作。
（3）在此次整改中，由于保留了润滑泵站和润滑管路。
润滑系统的切换实际上就是对润滑油泵电机控制的切换。
考虑到切换工作的安全、快捷、方便，在此整改方案中对润滑系统的切换采用全自动方式，在润滑泵站旁边适当位置安装润滑系统控制箱，控制箱能够识别并自动完成1#及2#润滑泵的切换（切换电路见下图）。
（4）外围传感器件（过卷、松绳、闸保、到位、满仓、减速点、深度指示器失效等安全传感信号）采用与原电控完全独立的信号采集系统，这样的拓扑结构在电控系统进行切换操作时，信号采集系统会完全自动切换。
制动调绳切换系统图
润滑系统切换控制图
主电机电源切换图
5、安装施工方案
1.电源、接接地及安装环境要求
1.1变频器安装环境要求
项目
规定内容
1
周围温度
最低气温和最高气温应为0℃～+40℃。
24小时的平均值应在5℃～35℃的范围内
2
相对湿度
在最高温度时（40℃）应低于50%。
低温不应超过85%。
（选配有空间加热）
不得因温度变化发生结露
3
高度
海拔1000m以下。
（超过1000m要事先通知）
4
气压
应在860～1060hPa的范围内
5
振动
安装场所的振动频率应小于10Hz，或大于20Hz
振动频率低于10Hz时，振动加速度应小于0.3G
振动频率大于20Hz小于50Hz时，振动加速度应小于0.3G
振动频率大于50Hz小于100Hz时，总振幅应小于0.1mm
6
空气质量
电气室内的粉尘应大致与大气粉尘相等，特别是不得含有铁粉、有机硅颗粒等
7
腐蚀因素
腐蚀性气体
浓度
硫化氢（H2S）
≤0.001PPM
二氧化硫（SO2）
≤0.05PPM
氯气（Cl2）
≤0.1PPM
氨气（NH3）
≤0.1PPM
氧化氮（NOx）
≤0.02PPM
臭氧（O3）
≤0.002PPM
氯化氢（HCl）
≤0.1mg/m3
二氧化氮（NO2）
≤0.02PPM
1.2电源、接地、环境要求
（1）电源要求：
交流输入电源
a．双回路额定电压6KV持续波动不超过±10％;
b．频率波动不超过±5％，频率变化每秒不超过±1％；
c.三相电压不平衡程度：
负序分量不超过正序分量的5％；
d.电源谐波成份，电压相对谐波含量的均方根值不超过10％。
e.控制电源要求输入电源为交流三相四线制380V/220V电压
（2）接地要求：
a.要一直保证变频器柜体和厂房大地的可靠连接，保证人员安全。
b.设备进行电气安装时，应为控制系统埋设专用接地极，要求接地电阻不大于4Ω。
c.输入输出电缆的屏蔽层（或铠装层）接变频器的总接地点。
（3）环境要求：
a.电控系统应放置在少尘、无腐蚀性气体、无雨雪侵蚀的室内干净整洁环境。
b.海拔高度等于小于2000米。
c.环境最高温度不超过+40℃；24小时的平均值不超过+35℃；最低温度下限值不低于-5℃。
d.大气相对湿度+40℃时不超过50℅；最湿月的月平均最大相对湿度不大于80℅，同时该月的月平均最低温度为+25℃.并因考虑因温度变化在产品表面啥上的凝露。
e.安装设备的室内要通风良好，大气中无易燃、易爆气体，且无足以腐蚀电气原件及设备的腐蚀性气体。
f.安装场所无剧烈震动。
2.电气柜台的安装施工
2.1进场运输
（1）根据设备清单提供的单台质量，标记选用恰当吊车和平板车；
（2）起吊设备用吊点应根据包装标记；
（3）起吊与落物时应谨防发生滑落；
（4）设备拆前检验应作出下列项目的记录，并由双方签字，外观、拍摄照片记录、设备名称、型号和规格、设备技术文件、资料及专用工具；设备有无损件，表面有无损坏和锈蚀等；其它需要记录的情况。
（5）设备及其零部件和专用工具，均应妥善保管，不得使其变形、损坏、锈蚀或丢失。
（6）设备技术文件、资料应提供给安装方作为施工依据。
2.2基础验收
（1）依据设备生产方提供的基础施工图和设备技术文件，质量要求检查。
（2）会同使用设备购买方代表共同验收，并作验收记录，由双方签字认可。
2.3基础放线
（1）设备生产方代表应提供和有关建筑物的轴线或边缘线或标高线，作为安装基准线。
（2）设备购买方根据基准线用测量工具测出设备中心轴线或设备边缘线。
（3）互相有连接、接或并列关系的设备，一次性测出轴线或边缘线。
2.4设备就位、找正
（1）单台设备的平面位置与基础轴线或边缘线控制允许偏差为±3毫米。
（2）设备起吊用叉车或轮胎汽车起重机进行，用叉车时应有保护绳捆绑，用汽车吊使用设备吊点或吊索，吊索与设备接触处应有保护垫层，防止拉伤表面。
（3）设备找正时，设备生产方代表应指定设备安装检测面、线或点。
（4）设备找正偏差依下表进行：
盘、柜安装的允许偏差
项目
允许偏差（mm）
垂直度（每米）
<1.5
水平偏差
相邻两盘顶部
<2
成列盘顶部
<5
盘面偏差
相邻盘面
<1
成列盘面
<5
盘间接缝
<2
2.5电缆、电线线路的施工
（1）电缆线路的安装应按以批准的设计进行施工。
（2）电缆管的加工及敷设
（3）电缆、电线管不应有穿孔、裂缝和显著的凹凸不平，内壁应光滑；金属电缆管不应有严重锈蚀。
（4）电缆管的加工应符合下列要求：
a管口应无毛刺和棱角，管口宜做成喇叭形。
b电缆管在弯制后，不应有裂缝和显著的凹瘪现象，其弯扁程度不宜大于管子外径的10％；电缆管的弯曲半径不应小于所穿入电缆的最小允许弯曲半径。
（5）每根电缆管的弯头不应超过3个，直角弯不应超过2个。
（6）电缆支架的安装
（7）电缆支架应安装牢固，横平竖直；托架支吊架的固定方式应按设计要求进行。
（8）电缆桥架转弯处的转弯半径，不应小于该桥架上的电缆最小允许弯曲半径的最大者。
（9）电缆桥架全长均应有良好的接地。
（10）电力电缆在终端头与接头附近宜留有备用长度。
（11）电缆敷设时，电缆应从盘的上端引出，不应使电缆在支架上及地面摩擦拖拉。
电缆上不得有铠装压扁、电缆绞拧、护层折裂等未消除的机械损伤。
（12）电缆敷设时应排列整齐，不宜交叉，加以固定，并及时装设标志牌。
（13）电缆进入电缆沟、隧道、竖井、建筑物、盘（柜）以及穿入管子时，出入口应封闭，管口应密封。
（14）直埋电缆埋置深度应符合设计要求，当设计无规定时，要符合施工规范要求。
（15）直埋电缆在直线段每隔50～100mm处、电缆接头处、转弯处、进入建筑物等处，应设置明显的方位标志或标桩。
（16）直埋电缆回填上前，应经隐蔽工程验收合格。
（17）电缆终端与接头的制作，应由经过培训的熟悉工艺的人员进行。
（18）电缆终端与电气装置的连接，应符合现行国家标准《电气装置安装工程母线装置及验收规范》的有关规定。
（19）塑料绝缘电缆在制作终端头和接头时，应彻底清除半导电屏蔽层。
（20）线缆两端要标记响应的线码号、电缆号及线管号。
2.6接地装置的施工
（1）接地装置的安装应按以批准的设计进行施工。
（2）接地装置的安装应配合建筑工程的施工，隐蔽部分必须在覆盖前会同有关单位做好中间检查及验收记录。
（3）接地体顶面埋设深度应符合设计规定。
角钢及钢管接地体应垂直配置。
除接地体外，接地体引出线的垂直部分和接地装置焊接部位应作防腐处理。
（4）每个电气装置的接地应一单独的接地线与接地干线连接，不得在一个接地线中串接几个需要接地的电气装置。
（5）明敷接地线的安装应符合下列要求：
a应便于检查。
敷设位置不应妨碍设备的拆卸与检修。
b支持件间的距离，再水平直线部分宜为0.5～1.5m；垂直部分宜为1.5～3m；转弯部分宜为0.3～0.5m。
c接地线沿建筑物墙壁水平敷设时，离地面距离宜为250～300mm；接地线与建筑物墙壁间的间隙为10～15mm。
（6）接地体（线）的连接应采用焊接，焊接必须牢固无虚焊。
接至电气设备上的接地线，应采用镀锌螺栓连接；有色金属接地线不能采用焊接时，可采用螺栓连接。
（7）接地体（线）的焊接应采用搭接焊，其搭接长度必须符合下列规定：
a扁钢为其宽度的2倍（且至少3个棱边焊接）。
b圆钢为其直径的6倍。
c圆钢与扁钢连接时，其长度为圆钢直径的6倍。
2.7盘、柜及二次回路结线的施工
（1）盘、柜及二次回路结线的安装工程应按已批准的设计进行施工。
（2）设备和器材到达现场后，应在规定期限内做验收检查，并应符合要求。
（3）成套柜、配电柜的安装应符合国家标准规范中的有关规定的要求。
（4）二次回路结线应符合下列要求：
a按图施工，接线正确。
b每个接线端子的每侧接线宜为1根，不得超过2根。
对于插接式端子，不同截面的两根导线不得接在同一端子上；对于螺栓连接端子，当接两跟导线时，中间应加平垫片。
c二次回路接地应设专用螺栓。
（5）引入盘、柜内的电缆及其芯线应符合下列要求：
a引入盘、柜内的电缆应排列整齐，编号清晰，避免交叉并应固定牢固，不得使所接的端子排受到机械应力。
b铠装电缆在进入盘、柜后，应将钢带切断，切断处的端部应扎紧，并应将钢带接地。
c强、弱电回路不应使用同一根电缆，并应分别成束分开排列。
2.8低压电器的安装
（1）低压电器的安装，应按已批准的设计进行施工。
（2）采用的设备和器材，均应符合国家现行技术标准的规定，并应有合格证件，设备应有铭牌。
（3）低压电器的固定，应符合下列要求：
（4）当采用膨胀螺栓固定时，应按产品技术要求选择螺栓规格；其钻孔直径和埋设深度应与螺栓规格相符。
（5）紧固件应采用镀锌制品
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