煤礦通風機的變頻節能改造

　　變頻調速在風機和泵類負載上的應用具有顯著的節能效果，并且具有軟啟動和軟停機的優良控制特性，因此變頻器首先在冶金、電力、石化、供熱和民用風機水泵的控制領域得到廣泛的應用。由于煤礦生產的特殊環境和安全上的特殊要求，變頻器在煤礦的應用起步比較晚。隨著我國市場經濟的深入發展，煤礦的增產、降耗、提效被提到了重要地位，設備節能改造勢在必行。

　　煤礦通風機按結構分為軸流式和離心式;通風機是保障煤礦安全的主要通風機械，365天晝夜運轉。礦井通風機一般配備兩套，一臺工作一臺備用。礦井通風機的額定通風能力(風量、風壓)是根據設計計算的礦井末期的通風阻力和達產時的風量確定。在礦井投產初期，風機的富裕能力是比較大的。

　　在煤礦生產中，所需風量風壓在不同階段有不同的要求，為滿足生產要求，煤礦通常采用以下幾種方法調節：

　　(1) 閘門調節;

　　(2) 改變通風機速度;

　　(3 )改變前導器葉片角度;

　　(4) 軸流式通風機改變動葉安裝角;

　　(5) 離心式通風機調節尾翼擺角;

　　(6 )軸流式通風機改變動葉數目;

　　(7 )軸流式通風機改變靜葉角度。

　　其中以閘門調節效率最差，它是人為地改變阻力曲線，增加風阻，越調節性能就越惡化;前導器調節和尾翼擺角調節效率比閘門要高;改變動葉安裝角和動葉數目，可改變風機的特性曲線，使風機在較大范圍內以較高的效率運行，以達到節能降耗的目的。改變通風機速度，使其在最佳工況點運行，使風機在最大的范圍內以最高的效率運行，節能效果好。

　　2 礦用通風機采用變頻調速改造的優點

　　隨著電力電子技術、微電子技術、信息技術和現代控制理論在調速系統中的應用，并且由于近年電力緊張，變頻調速技術已經成為現代電力傳動的一個發展方向，卓越的調速性能，使得變頻器在煤礦生產中的節能效果越發顯著。因此，將礦用通風機改為變頻器控制，將傳統的電機調速技術、現代電力電子技術以及計算機控制技術結合在一起，當煤礦通風量發生變化時，自動調速，使通風機在經濟的轉速下高效運行，從而達到節電的效果。變頻調速節能控制裝置的特點：(1)調速效率高;(2)調速范圍大;(3)調速精度高;(4)啟動電流小，而且容易實現閉環控制。由于可以利用原普通交流異步電動機，所以特別適合對原有舊設備的技術改造，它既保持了原風機、電動機不用更換的優點，又能達到節電的顯著效果，是礦用通風機調速節能的理想方法。

　　3 用戶現場設備介紹

　　肥城礦業集團公司陶陽煤礦中三井2003年前使用的通風設備，為渦輪式通風機(70B2)。此類設備效率低(最高只能達到60%)、能耗大。效率低的主要原因是無法進行調速運行，只能通過調整葉片角度來控制風量和風壓，而礦井最初通風設備選型時，留有較大余量，長時間內達不到滿負荷運轉。

　　2K56系列風機是沈陽鼓風機(集團)有限公司與東北大學合作，共同開發的新型礦井節能風機。該機為雙級葉輪軸流通風機，葉片采用鑄造鋁合金，型線為機翼型扭曲式，安裝角度可在20°～50°之間調整。當需要返風時，可使通風機直接反轉，不需要調整風機的任何裝置。裝置最高靜壓效率達85.3%。產品高效區域寬廣，該系列風機的裝置靜壓效率比老式風機70B2提高近14%。

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

　　陶陽煤礦中三井領導經過慎重考察，認真比較，選用山東新風光電子科技發展有限公司生產的風光牌JD-BP37-500F型(500kW/6kV、2套)高壓變頻系統，對中三井1#、2#通風機進行變頻改造。高壓變頻器于2008年4月投運，設備至今運行良好。經過肥礦集團檢測中心的檢測，各項性能指標達到設計要求，通風機實現了高效運行，改造達到了預期目的。

　　陶陽煤礦中三井通風機為兩臺，一用一備，現場1#、2#通風機設備參數相同，下面表1給出1#通風機基本參數。

　　表1為現場電機參數，表2為風機參數。

　　4 山東新風光電子JD-BP37-500F高壓變頻器

　　4.1JD-BP37-500F高壓變頻器的主要性能指標

　　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： 可按工藝要求設定

　　減速時間： 可按工藝要求設定

　　故障診斷及檢測：自動檢測，自動定位

　　網側功率因數：0.95(高速時)

　　過載保護： 150%1分鐘

　　防護等級： IP20

　　環境濕度： 90%,無凝結

　　4.2性能特點

　　(1) 全中文WINDOWS操作界面，彩色液晶觸摸屏;

　　(2)輸入功率因數高，電流諧波少，無須功率因數補償/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、電機絕緣無損害，電機諧波少，減少軸承、葉片的機械振動，輸出線可以長達1000米;

　　(4)功率電路模塊化設計，維護簡單;

　　(5)高壓主回路與控制器之間為光纖連接，安全可靠;

　　(6)完整的故障監測電路、精確的故障報警保護;

　　(7)內置PLC，易于改變控制邏輯關系，適應多變的現場需要;

　　(8)可靈活選擇現場控制/遠程控制;

　　(9)可接受和輸出0～5V/4～20mA工業標準信號;

　　(10)可根據用戶需要內置PID調節器;

　　(11)完整的通用變頻器參數設定功能。

　　5 改造主回路控制方案

　　風光高壓變頻調速系統由一次回路進線柜(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過程中或變頻器出現故障時，將電機投入到工頻電網運行，保證生產不受影響。變頻運行時，變頻器為電機提供全面的保護。高壓變頻器旁路柜一次回路如圖1所示。

　　DL：用戶高壓真空斷路器

　　K1、K2、K3：高壓變頻器內置高壓隔離開關

　　BPQ：JD-BP37-500F高壓變頻器

　　D：500kW/6kV異步電動機

　　圖1手動旁路柜中，共有3個高壓隔離開關，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構，實現電磁互鎖。當K1、K3閉合，K2斷開時，電機變頻運行;當K1、K3斷開，K2閉合時，電機工頻運行，此時變頻器從高壓中隔離出來，便于檢修、維護和調試。

　　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與變頻輸出隔離開關，以防止出現拉弧現象，確保操作人員和設備的安全。

　　6節能計算

　　6.1風機節能計算公式

風機流量變化量，如前所述，采用變頻調速是有效的節電措施。根據GB12497-1995《三相異步電動機經濟運行》對電機經濟運行管理的規定有如下的計算公式。

　　6.2節能計算

　　采取風門調節風量時風機所需的軸功率為401kW，變頻器調風量時相對調節風門調風量的節電率為0.364。

　　(1)每年節電量計算(每年按工作300天計算)

　　每年工作天數小時數功率節電率=300X24x401x0.364=1050940.8kW·h

　　(2)每年節電費計算(電價按0.5元/計算)

　　電費單價x用電量=0.5x1050940.8=525470.4元

　　6.3實際節能情況

　　風機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，風機電機功率從411.52kW下降到260.68kW，一年節電量(411.52-260.68)X300X24=1086048kW·h，實際年節電費用543024元，與理論計算值基本吻合。

　　7變頻改造的其他優點

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

　　(2)按需調節風量，調速范圍寬且調速精度高，避免浪費。進行變頻改造后，風機的風量不再需要通過改變葉片角度來調節，而是由變頻器通過調節電機的轉速來實現，調節線性度好，因而可以根據井下生產需要隨時調節風量，避免了浪費。

　　(3)降低了風機的工作強度，延長了使用壽命。進行變頻改造后，風機的大部分時間工作在低速狀態下，因而大大降低了風機的機械強度和電氣沖擊，大大延長了風機壽命，提高了風機的安全運行系數和運行周期。

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

　　(5)改善了現場工作環境，由于降低了風機的轉速，風機噪聲大大降低，深受現場工作人員的歡迎。

　　(6)減少了反風中的操作環節，以前反風需要操作系統的立式風門、水平風門以及反風風門，工序繁多而且經常出現倒錯風門的事故。現在使用軸流式風機和變頻器控制后，反風時極其簡單，只要在人機界面上將運行頻率調整為負的頻率，電機就會先減速至零點然后再反轉到所調頻率，這期間不用再調整整個風門系統，減少了工作量，降低了操作過程中的故障率。

　　8結束語

　　肥城礦業集團公司陶陽煤礦中三井通風機經過變頻改造之后，不僅達到了良好的節能效果，并且使整套通風系統的穩定性提高了一個大臺階。我國是世界上的產煤大國，也是噸煤電耗比較高的國家。如果煤礦需要調速的設備，多數能使用變頻調速裝置改造，節約的能源將是非常可觀的。