變頻調(diào)速在礦山節(jié)能中的應(yīng)用

　　1 引言

　　通風(fēng)、排水、壓氣、提升是地下礦山著名的4大件，也是礦山設(shè)備中的耗能大戶。目前，礦山企業(yè)所使用的水泵及風(fēng)機(jī)均為交流拖動(dòng)，且大多都采用通過改變出口閥門的開啟度來調(diào)節(jié)流量和風(fēng)量，能量損失很大。為了節(jié)約電能，可采用變頻調(diào)速裝置，通過調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速來控制流量和風(fēng)量。

　　2 水泵、風(fēng)機(jī)變速運(yùn)行與節(jié)能的關(guān)系

　　現(xiàn)以離心水泵為例，說明變速運(yùn)行與節(jié)能的關(guān)系。

　　離心水泵在礦山應(yīng)用較為廣泛，其輸出特性既決定于水泵的種類，也隨供水管網(wǎng)的阻力特性曲線不同而異。一般說來，當(dāng)一臺(tái)水泵在一定轉(zhuǎn)速下輸送一定流量時(shí)，必然會(huì)有同此流量相對(duì)應(yīng)的揚(yáng)程、功率和效率。當(dāng)調(diào)節(jié)水泵出口處調(diào)節(jié)閥的開啟度時(shí)，這些數(shù)值亦相應(yīng)地改變，離心水泵的性能曲線就是表示在一定的轉(zhuǎn)速下，不同的流量與其相對(duì)應(yīng)的揚(yáng)程、功率、效率之間的相互關(guān)系，如圖 1所示。圖1中，曲線①為流量-揚(yáng)程曲線;曲線②為流量-功率曲線;曲線③為流量效率曲線。

　　離心泵的特性曲線公式如下：

　　(1)

　　式中： P—泵的軸功率(kw)

　　H—揚(yáng)程高度(m)

　　Q—泵的流量(m3)

　　γ—液體的比重(kg/m3)

　　η—泵的效率

　　圖1 離心泵的特性曲線

　　由圖1可見，對(duì)水泵而言，只有在原設(shè)計(jì)的工況點(diǎn)A處工作時(shí)，效率才為最高點(diǎn)。偏離這個(gè)工況點(diǎn)，效率有所下降。因此，水泵只有在高效區(qū)域(B-C之間)運(yùn)行時(shí)，耗能才會(huì)降低。

　　根據(jù)以上分析，按照排水系統(tǒng)的實(shí)際流量Q2和揚(yáng)程H2及與之相適應(yīng)的使用效率η0，可計(jì)算出泵所需要的比較合理的軸功率P0：

　　(2)

　　這樣，整個(gè)排水系統(tǒng)節(jié)能潛力為：

　　W=(P-P0)t (3)

　　式中： P—整個(gè)系統(tǒng)泵消耗的總軸功率(kw)

　　t—水泵年運(yùn)行時(shí)間(小時(shí)/年)

　　由流體力學(xué)及閘閥不同開啟度所測(cè)得的數(shù)據(jù)，可求得管網(wǎng)裝置特性為：

　　H2=KQ+Hj (4)

　　式中： Hj—水泵進(jìn)、出口水位的高差(m)

　　H2—水泵揚(yáng)程高度(m)

　　Q—流過管網(wǎng)的流量(m3/s)

　　K—管路阻力系數(shù)

　　管網(wǎng)的特性曲線如圖2所示。其中曲線①為泵在全速(100%ηe)運(yùn)行時(shí)的Q-H曲線;曲線②為管網(wǎng)系統(tǒng)閥門全開啟時(shí)的阻力特性曲線;曲線③為靜壓高度;曲線④為關(guān)小閥門后的阻力特性曲線;曲線⑤為降低速度后(80%ηe)泵的Q-H曲線。

　　圖2 管網(wǎng)性曲線

　　由圖2可見，觀望特性曲線與泵的特性曲線的交點(diǎn)即為泵的正常使用工況點(diǎn)。二者怎樣匹配才能有效地節(jié)約電能呢?下面以圖3為例說明這個(gè)問題。

　　圖3中，水泵運(yùn)行工況點(diǎn)D是泵的特性曲線ηe與管路阻力曲線R1的焦點(diǎn)。用閥門控制時(shí)，減少流量需要關(guān)小閥門，使閥門的摩擦阻力變大，阻力曲線從R1移到R1‘，揚(yáng)程則從H0升到H1，流量從QN減少到Q1，運(yùn)行工況點(diǎn)從D點(diǎn)移到A點(diǎn)。

　　圖3 水泵調(diào)速時(shí)的特性

　　用調(diào)速控制時(shí)，阻力曲線R1不變，泵的特性取決于轉(zhuǎn)速。如果把轉(zhuǎn)速?gòu)膎e降到n1，特性曲線也從ne移至n1，這時(shí)，運(yùn)行工況點(diǎn)從D點(diǎn)移到C點(diǎn)，揚(yáng)程從H0下降到 H3，流量從QN減少到Q1。

　　根據(jù)公式(1)以求得：

　　A點(diǎn)泵的軸功率

　　C點(diǎn)泵的軸功率

　　兩者之差為：

　　(5)

　　由此可見，用閥門控制流量時(shí)，比用速度控制多浪費(fèi)的功率為ΔP，并且隨著閥門不斷地關(guān)小，ΔP也不斷地增加。

　　用轉(zhuǎn)速控制時(shí)，由流體力學(xué)原理知道，流量Q同轉(zhuǎn)速的一次方成正比，而軸功率P同轉(zhuǎn)速的三次方成正比。因此，采用調(diào)速控制方式控制流量，在節(jié)能方面的效果是十分明顯的。

　　以上的分析過程和結(jié)論，對(duì)風(fēng)機(jī)也是適用的。

　　3 風(fēng)機(jī)、水泵變頻調(diào)速系統(tǒng)

　　對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行技術(shù)改造時(shí)，為避免工程質(zhì)量和一次性投資過大，可采用如圖4所示的方案。

　　其特點(diǎn)如下：

　　(1) 采用速度開關(guān)控制方式，能夠滿足礦山對(duì)風(fēng)機(jī)、水泵轉(zhuǎn)速精度的要求。

　　(2)保留原供電線路，旁路并入變頻器。正常情況下投入變頻器運(yùn)行，人工控制其輸出頻率，達(dá)到變頻調(diào)速的目的。若變頻器發(fā)生故障，可通過原供電線路(ZK3、C2、ZK4)繼續(xù)給設(shè)備供電，使設(shè)備不間斷運(yùn)行。

　　由于變頻器的工作原理已被大家熟悉，在此不在獒述。實(shí)際應(yīng)用中，可選用日本SANKEN公司生產(chǎn)的MF系列變頻裝置，該產(chǎn)品為16位微機(jī)控制的SPWM調(diào)制型GTR變頻調(diào)速系統(tǒng)，采用先進(jìn)的電壓矢量控制方式，可實(shí)現(xiàn)超精細(xì)、高精度的全數(shù)字式變頻控制。同時(shí)，由于該裝置保護(hù)功能齊全，保證了系統(tǒng)可靠運(yùn)行。

　　圖4　系統(tǒng)主電路圖

　　4 結(jié)束語

　　變頻調(diào)速系統(tǒng)在礦山節(jié)能中具有廣闊的發(fā)展前景，盡管技術(shù)改造時(shí)一次性投資可能偏高，但從長(zhǎng)遠(yuǎn)觀點(diǎn)看，它所產(chǎn)生的效益和創(chuàng)造的價(jià)值是巨大的，值得大力推廣應(yīng)用。