煤礦通風(fēng)機(jī)的變頻節(jié)能改造

1引言

　　變頻調(diào)速在風(fēng)機(jī)和泵類負(fù)載上的應(yīng)用具有顯著的節(jié)能效果，并且具有軟啟動和軟停機(jī)的優(yōu)良控制特性，因此變頻器首先在冶金、電力、石化、供熱和民用風(fēng)機(jī)水泵的控制領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。由于煤礦生產(chǎn)的特殊環(huán)境和安全上的特殊要求，變頻器在煤礦的應(yīng)用起步比較晚。隨著我國市場經(jīng)濟(jì)的深入發(fā)展，煤礦的增產(chǎn)、降耗、提效被提到了重要地位，設(shè)備節(jié)能改造勢在必行。

　　煤礦通風(fēng)機(jī)按結(jié)構(gòu)分為軸流式和離心式；通風(fēng)機(jī)是保障煤礦安全的主要通風(fēng)機(jī)械，365天晝夜運轉(zhuǎn)。礦井通風(fēng)機(jī)一般配備兩套，一臺工作一臺備用。礦井通風(fēng)機(jī)的額定通風(fēng)能力(風(fēng)量、風(fēng)壓)是根據(jù)設(shè)計計算的礦井末期的通風(fēng)阻力和達(dá)產(chǎn)時的風(fēng)量確定。在礦井投產(chǎn)初期，風(fēng)機(jī)的富裕能力是比較大的。

　　在煤礦生產(chǎn)中，所需風(fēng)量風(fēng)壓在不同階段有不同的要求，為滿足生產(chǎn)要求，煤礦通常采用以下幾種方法調(diào)節(jié)：

　　(1)閘門調(diào)節(jié)；

　　(2)改變通風(fēng)機(jī)速度；

　　(3)改變前導(dǎo)器葉片角度；

　　(4)軸流式通風(fēng)機(jī)改變動葉安裝角；

　　(5)離心式通風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)尾翼擺角；

　　(6)軸流式通風(fēng)機(jī)改變動葉數(shù)目；

　　(7)軸流式通風(fēng)機(jī)改變靜葉角度。

　　其中以閘門調(diào)節(jié)效率最差，它是人為地改變阻力曲線，增加風(fēng)阻，越調(diào)節(jié)性能就越惡化；前導(dǎo)器調(diào)節(jié)和尾翼擺角調(diào)節(jié)效率比閘門要高；改變動葉安裝角和動葉數(shù)目，可改變風(fēng)機(jī)的特性曲線，使風(fēng)機(jī)在較大范圍內(nèi)以較高的效率運行，以達(dá)到節(jié)能降耗的目的。改變通風(fēng)機(jī)速度，使其在最佳工況點運行，使風(fēng)機(jī)在最大的范圍內(nèi)以最高的效率運行，節(jié)能效果好。

　　2礦用通風(fēng)機(jī)采用變頻調(diào)速改造的優(yōu)點

　　隨著電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)、信息技術(shù)和現(xiàn)代控制理論在調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用，并且由于近年電力緊張，變頻調(diào)速技術(shù)已經(jīng)成為現(xiàn)代電力傳動的一個發(fā)展方向，卓越的調(diào)速性能，使得變頻器在煤礦生產(chǎn)中的節(jié)能效果越發(fā)顯著。因此，將礦用通風(fēng)機(jī)改為變頻器控制，將傳統(tǒng)的電機(jī)調(diào)速技術(shù)、現(xiàn)代電力電子技術(shù)以及計算機(jī)控制技術(shù)結(jié)合在一起，當(dāng)煤礦通風(fēng)量發(fā)生變化時，自動調(diào)速，使通風(fēng)機(jī)在經(jīng)濟(jì)的轉(zhuǎn)速下高效運行，從而達(dá)到節(jié)電的效果。變頻調(diào)速節(jié)能控制裝置的特點：（1）調(diào)速效率高；（2）調(diào)速范圍大；（3）調(diào)速精度高；（4）啟動電流小，而且容易實現(xiàn)閉環(huán)控制。由于可以利用原普通交流異步電動機(jī)，所以特別適合對原有舊設(shè)備的技術(shù)改造，它既保持了原風(fēng)機(jī)、電動機(jī)不用更換的優(yōu)點，又能達(dá)到節(jié)電的顯著效果，是礦用通風(fēng)機(jī)調(diào)速節(jié)能的理想方法。

　　3用戶現(xiàn)場設(shè)備介紹

　　肥城礦業(yè)集團(tuán)公司陶陽煤礦中三井2003年前使用的通風(fēng)設(shè)備，為渦輪式通風(fēng)機(jī)（70B2）。此類設(shè)備效率低(最高只能達(dá)到60％)、能耗大。效率低的主要原因是無法進(jìn)行調(diào)速運行，只能通過調(diào)整葉片角度來控制風(fēng)量和風(fēng)壓，而礦井最初通風(fēng)設(shè)備選型時，留有較大余量，長時間內(nèi)達(dá)不到滿負(fù)荷運轉(zhuǎn)。

　　2K56系列風(fēng)機(jī)是沈陽鼓風(fēng)機(jī)（集團(tuán)）有限公司與東北大學(xué)合作，共同開發(fā)的新型礦井節(jié)能風(fēng)機(jī)。該機(jī)為雙級葉輪軸流通風(fēng)機(jī)，葉片采用鑄造鋁合金，型線為機(jī)翼型扭曲式，安裝角度可在20°～50°之間調(diào)整。當(dāng)需要返風(fēng)時，可使通風(fēng)機(jī)直接反轉(zhuǎn)，不需要調(diào)整風(fēng)機(jī)的任何裝置。裝置最高靜壓效率達(dá)85.3%。產(chǎn)品高效區(qū)域?qū)拸V，該系列風(fēng)機(jī)的裝置靜壓效率比老式風(fēng)機(jī)70B2提高近14%。

　　為改變原通風(fēng)機(jī)落后運行方式，陶陽煤礦中三井領(lǐng)導(dǎo)決定把兩臺老式渦輪通風(fēng)機(jī)70B2—21NO-24型風(fēng)機(jī)(500kW／6kV)更換為軸流式節(jié)能風(fēng)機(jī)2K56-2N0-24，采用變頻調(diào)速的方法來控制風(fēng)量的大小。

　　陶陽煤礦中三井領(lǐng)導(dǎo)經(jīng)過慎重考察，認(rèn)真比較，選用山東新風(fēng)光電子科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)的風(fēng)光牌JD-BP37-500F型(500kW/6kV、2套)高壓變頻系統(tǒng)，對中三井1#、2#通風(fēng)機(jī)進(jìn)行變頻改造。高壓變頻器于2008年4月投運，設(shè)備至今運行良好。經(jīng)過肥礦集團(tuán)檢測中心的檢測，各項性能指標(biāo)達(dá)到設(shè)計要求，通風(fēng)機(jī)實現(xiàn)了高效運行，改造達(dá)到了預(yù)期目的。

　　陶陽煤礦中三井通風(fēng)機(jī)為兩臺，一用一備，現(xiàn)場1#、2#通風(fēng)機(jī)設(shè)備參數(shù)相同，下面表1給出1#通風(fēng)機(jī)基本參數(shù)。

　　表1為現(xiàn)場電機(jī)參數(shù)，表2為風(fēng)機(jī)參數(shù)。

　　4山東新風(fēng)光電子JD-BP37-500F高壓變頻器

　　4.1JD-BP37-500F高壓變頻器的主要性能指標(biāo)

　　變頻器功率：500kW

　　輸入頻率：50Hz

　　輸入電壓：6.0kV±20%

　　輸出電壓：三相正弦波電壓0-6kV

　　額定電流：61A

　　輸出頻率：0-120Hz

　　頻率分辨率：0.01Hz

　　加速時間：可按工藝要求設(shè)定

　　減速時間：可按工藝要求設(shè)定

　　故障診斷及檢測：自動檢測,自動定位

　　網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)：0.95(高速時)

　　過載保護(hù)：150%1分鐘

　　防護(hù)等級：IP20

　　環(huán)境濕度：90%,無凝結(jié)

　　4.2性能特點

　　(1)全中文WINDOWS操作界面，彩色液晶觸摸屏；

　　(2)輸入功率因數(shù)高，電流諧波少，無須功率因數(shù)補(bǔ)償/諧波抑制裝置；

　　(3)輸出階梯正弦PWM波形，無須輸出濾波裝置，對電纜、電機(jī)絕緣無損害，電機(jī)諧波少，減少軸承、葉片的機(jī)械振動，輸出線可以長達(dá)1000米；

　　(4)功率電路模塊化設(shè)計，維護(hù)簡單；

　　(5)高壓主回路與控制器之間為光纖連接，安全可靠；

　　(6)完整的故障監(jiān)測電路、精確的故障報警保護(hù)；

　　(7)內(nèi)置PLC，易于改變控制邏輯關(guān)系，適應(yīng)多變的現(xiàn)場需要；

　　(8)可靈活選擇現(xiàn)場控制/遠(yuǎn)程控制；

　　(9)可接受和輸出0～5V/4～20mA工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)信號；

　　(10)可根據(jù)用戶需要內(nèi)置PID調(diào)節(jié)器；

　　(11)完整的通用變頻器參數(shù)設(shè)定功能。

　　5改造主回路控制方案

　　風(fēng)光高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)由一次回路進(jìn)線柜（旁路柜）、變壓器柜、變頻單元柜和操作控制柜組成。旁路柜在變頻器維護(hù)過程中或變頻器出現(xiàn)故障時，將電機(jī)投入到工頻電網(wǎng)運行，保證生產(chǎn)不受影響。變頻運行時，變頻器為電機(jī)提供全面的保護(hù)。高壓變頻器旁路柜一次回路如圖1所示。

圖1 旁路柜一次回路圖

　　DL：用戶高壓真空斷路器

　　K1、K2、K3：高壓變頻器內(nèi)置高壓隔離開關(guān)

　　BPQ：JD-BP37-500F高壓變頻器

　　D：500kW/6kV異步電動機(jī)

　　圖1手動旁路柜中，共有3個高壓隔離開關(guān)，為了確保不向變頻器輸出端反送電，K2與K3采用電磁互鎖操動機(jī)構(gòu)，實現(xiàn)電磁互鎖。當(dāng)K1、K3閉合，K2斷開時，電機(jī)變頻運行；當(dāng)K1、K3斷開，K2閉合時，電機(jī)工頻運行，此時變頻器從高壓中隔離出來，便于檢修、維護(hù)和調(diào)試。

　　旁路柜必須與上級高壓斷路器DL連鎖，DL合閘時，絕對不允許操作旁路隔離開關(guān)與變頻輸出隔離開關(guān)，以防止出現(xiàn)拉弧現(xiàn)象，確保操作人員和設(shè)備的安全。現(xiàn)場高壓變頻器運行如圖2所示。

　　6節(jié)能計算

　　6.1風(fēng)機(jī)節(jié)能計算公式

　　風(fēng)機(jī)流量變化量，如前所述，采用變頻調(diào)速是有效的節(jié)電措施。根據(jù)GB12497-1995《三相異步電動機(jī)經(jīng)濟(jì)運行》對電機(jī)經(jīng)濟(jì)運行管理的規(guī)定有如下的計算公式。

　　采用擋板調(diào)節(jié)流量對應(yīng)電動機(jī)輸入功率P1V與流量Q的關(guān)系為

6.2節(jié)能計算

　　采取風(fēng)門調(diào)節(jié)風(fēng)量時風(fēng)機(jī)所需的軸功率為401kW，變頻器調(diào)風(fēng)量時相對調(diào)節(jié)風(fēng)門調(diào)風(fēng)量的節(jié)電率為0.364。

　　（1）每年節(jié)電量計算（每年按工作300天計算）

　　每年工作天數(shù)小時數(shù)功率節(jié)電率=（2）每年節(jié)電費計算（電價按0.5元/計算）

　　電費單價用電量=元

　　6.3實際節(jié)能情況

　　風(fēng)機(jī)采用變頻器改造投入運行后，電流從55A下降到26A左右，運行頻率35Hz，輸入電流26A，輸入電壓6.3kV，輸出電流49A，輸出電壓4kV，風(fēng)機(jī)電機(jī)功率從411.52kW下降到260.68kW，一年節(jié)電量，實際年節(jié)電費用543024元，與理論計算值基本吻合。

　　7變頻改造的其他優(yōu)點

　　(1)采用變頻器后啟動風(fēng)機(jī)時可以實現(xiàn)變頻軟啟動，避免了啟動電流對電網(wǎng)及控制設(shè)備的沖擊，可以有效地延長電氣設(shè)備的使用周期。

　　(2)按需調(diào)節(jié)風(fēng)量，調(diào)速范圍寬且調(diào)速精度高，避免浪費。進(jìn)行變頻改造后，風(fēng)機(jī)的風(fēng)量不再需要通過改變?nèi)~片角度來調(diào)節(jié)，而是由變頻器通過調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)，調(diào)節(jié)線性度好，因而可以根據(jù)井下生產(chǎn)需要隨時調(diào)節(jié)風(fēng)量，避免了浪費。

　　(3)降低了風(fēng)機(jī)的工作強(qiáng)度，延長了使用壽命。進(jìn)行變頻改造后，風(fēng)機(jī)的大部分時間工作在低速狀態(tài)下，因而大大降低了風(fēng)機(jī)的機(jī)械強(qiáng)度和電氣沖擊，大大延長了風(fēng)機(jī)壽命，提高了風(fēng)機(jī)的安全運行系數(shù)和運行周期。

　　(4)變頻器具有短路、過載、過壓、欠壓、缺相等各種保護(hù)，有效地保護(hù)了電機(jī)。

　　(5)改善了現(xiàn)場工作環(huán)境，由于降低了風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，風(fēng)機(jī)噪聲大大降低，深受現(xiàn)場工作人員的歡迎。

　　(6)減少了反風(fēng)中的操作環(huán)節(jié)，以前反風(fēng)需要操作系統(tǒng)的立式風(fēng)門、水平風(fēng)門以及反風(fēng)風(fēng)門，工序繁多而且經(jīng)常出現(xiàn)倒錯風(fēng)門的事故。現(xiàn)在使用軸流式風(fēng)機(jī)和變頻器控制后，反風(fēng)時極其簡單，只要在人機(jī)界面上將運行頻率調(diào)整為負(fù)的頻率，電機(jī)就會先減速至零點然后再反轉(zhuǎn)到所調(diào)頻率，這期間不用再調(diào)整整個風(fēng)門系統(tǒng)，減少了工作量，降低了操作過程中的故障率。

　　8結(jié)束語

　　肥城礦業(yè)集團(tuán)公司陶陽煤礦中三井通風(fēng)機(jī)經(jīng)過變頻改造之后，不僅達(dá)到了良好的節(jié)能效果,并且使整套通風(fēng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性提高了一個大臺階。我國是世界上的產(chǎn)煤大國，也是噸煤電耗比較高的國家。如果煤礦需要調(diào)速的設(shè)備，多數(shù)能使用變頻調(diào)速裝置改造，節(jié)約的能源將是非常可觀的。

　　作者簡介

　　胡令芝，男，技術(shù)支持工程師，供職于山東新風(fēng)光電子科技發(fā)展有限公司。

　　地址：山東省汶上經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)272500

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