高壓變頻器在煤礦行業的應用

摘 要：本文介紹了東方日立（成都）電控設備有限公司高壓大功率變頻器在煤礦行業要害設備上的成功應用，通過改造，達到節能的效果。
　　關鍵詞：高壓變頻器 煤礦 瓦斯泵
　　Abstract: This text introduced Dong Fang Hitachi (CD) Electric Control Equipments Co.,Ltd the high- voltage inverter in the success of the coal mine profession vital part equipments application, pass the reformation, attain the result of economy energy.
　　Key words: high-voltage inverter coal mine gas pump
　　一、 前 言
　　老虎臺礦座落在素有“煤都”之稱的撫順東部 ,是撫順礦業集團有限責任公司下屬的重點煤礦。井田面積10平方公里，開采于1901年，至今已有百年開采歷史。截止2004年末，可采儲量5562 .8 萬噸，礦井設計能力由建國初期的 30萬噸 建成年產 320萬噸的大型礦井，采煤機械化程度為100%。建國以來累計生產煤炭1.619億噸，上繳利潤29.154 億元，成為撫順礦業集團的支柱企業。老虎臺礦現有在籍員工7869 人，主導產品為二級精煤，副產品為八級精煤和五級中塊，其性能具有低硫、低灰的氣煤， 發熱量為 22.99 — 25千焦耳之間， 是優質的工業動力煤和生活用煤，煤炭主要銷往鞍鋼、本鋼等地，煤氣作為副產品 原只供于本地區和市內，現向沈陽部分地區供氣，年供氣量將達到 8000多萬m3 以上。
　　
　　圖1 老虎臺礦
　　二、 煤礦高壓變頻器改造的可行性分析
　　 主扇風機在煤礦生產中有著重要的地位，隨著開采和掘進的不斷延伸，巷道延長，盡管風量基本不變，但井下所需的風壓要求卻不斷增加，風機需用功率也隨之增加。根據反風及開采后期運行狀況來確定的主扇風機及拖動電動機的功率通常遠大于煤礦長期開采所需的正常運行功率。存在以下幾個問題:
　　2.1、電能的嚴重浪費
　　 大型煤礦的服務年限大多在幾十年以上，投產初期到井田穩定開采一般在十年以上，這就以為在主扇風機設計上余量特別大，說明在相當長的時間主扇風機一直處在較輕負載下運行。由于煤礦主扇風機一般采用檔板調節，因此造成能源浪費，增加了生產成本。
　　2.2、 啟動困難，機械損傷嚴重
　　 主扇風機采用直接啟動，啟動時間長，啟動電流大，對電動機的絕緣有著較大的威脅，嚴重時甚至燒毀電動機。而高壓電動機在啟動過程中所產生的單軸轉矩現象使風機產生較大的機械振動應力，嚴重影響到電動機、風機及其它機械的使用壽命。
　　2.3、自動化程度低
　　 主扇風機依靠人工調節檔板，更不具備風量的自動實時調節功能，自動化程度低。在故障狀態下，如風流短路，將對礦井正常生產造成嚴重影響。
　　 為了礦井的安全生產和降低生產成本，提升該煤礦的自動化水平，對主扇風機進行變頻調速改造具有非常重要的意義。
　　三、 設備選型及特點
　　交流電動機結構簡單、慣量小、維護方便，可在惡劣環境中運行，容易實現大容量化，高壓化、高速化、價格低廉。
　　3.1、調速方案比較
　　 從節能的角度，交流電動機的調速裝置可以分為高效調速裝置和低效調速裝置兩大類。高效調速裝置的特點是：調速時基本保持額定轉差，不增加轉差損耗，或可以將轉差動率回饋至電網。低效調速裝置的特點是：調速時改變轉差，增加轉差損耗，下面通過機械特性、調速范圍、節能效果、故障處理、投資成本、維護保養、可靠性、性能等方面做個詳細比較。
　　各種交流電機調速方式比較如下圖
　　
　　調速方案 轉子串電阻 定子調速 電磁調速 液力偶合器 變極調速 串級調速 變頻調速
　　調速方式
　　改變轉子
　　附加電阻
　　改變輸入
　　電壓
　　n∝f(ld)
　　改變勵磁電流
　　n∝f(0il)
　　改變供油量 n = 60fp (1—s)
　　變極對數P n =1-kconβ
　　（K=1—S）
　　改變逆變角 n = 60fp (1—s)
　　改變電網頻率
　　和電壓
　　
　　
　　機械特性 n
　　
　　
　　n0
　　M
　　 0 n
　　
　　
　　n0
　　M
　　 0 n
　　 Id
　　 增大
　　n0
　　 M
　　0 n
　　 0il
　　 增大
　　n0
　　M
　　0
　　
　　n1
　　n2
　　M
　　0 n
　　 β減小
　　
　　
　　 M
　　 0 n
　　 增大
　　
　　
　　 M
　　 0
　　調速范圍% 100～50 100～80 97～20 97～30 100，50，0 100～40 100～0
　　節能效果 一般,η=1-S 一般,η=1-S 一般,η=1-S 一般,η=1-S 優,η優 一般 優,η優
　　功率因數 優 良好 良好 良好 良好 差 優
　　快速性 差 快 快 差 快 快 快
　　故障處理 停車處理 可投工頻 停車處理 停車處理 停車處理 停車處理 不停車，投工頻
　　使用范圍 新老企業 新老企業 新建企業 新建企業 新建企業 新企業 新老企業
　　外圍要求 繞線電阻 無 電磁離合器 水冷油系統 無 繞線型電機 無
　　初投資 較省 省 省 一般 最省 較貴 較貴
　　維護保養 易 易 較易 不易 最易 較難 易
　　可靠性 可靠 可靠 一般 一般 可靠 較差 最可靠
　　對電網干擾 無 大 無 無 無 較大 稍有或無
　　性能 好 不好 一般 有共振問題 好 較好 最好
　　
　　通過比較，高壓變頻調速以節能效果明顯，調速范圍寬，維護保養簡單，可靠性明顯高于其他調速裝置，是目前國際、國內高壓電機調速的發展趨勢，雖然前期投資比起其他的調速裝置昂貴，但是從長遠角度考慮，投資回報率非常高。撫順煤礦老虎臺礦通過充分的論證、分析，最終決定對該廠的抽出井下空氣的主扇風機調速和中央瓦斯泵調速均采用高壓變頻調速，通過國內外幾家高壓變頻器廠商的比較，最終選用的是東方日立（成都）電控設備有限生產的DHVECTOL-DI系列變頻器。
　　3.2、東、西主扇風機高壓變頻方案的選擇
　　 老虎臺礦東、西主扇風機分別配置三臺高壓電機，兩套風機。其中的1600kW電機和630kW電機帶一臺風機，中間通過連軸器連接，如果其中一臺電機故障，解開對輪，接上另外一臺電機，從而保證井下通風。
　　考慮到井下通風的連續性，在變頻改造之前一般的運行方式是其中一臺風機運行，另外一臺聯動，輪換的時候都是另外一臺運行起來，再停其中一臺。為了提高變頻器的利用率，所以在高壓變頻器設計方案里保證了1年365天都能運轉。
　　(1)、正常情況下變頻器帶動1050kW電機運行，變頻器運行中故障直接聯動變頻風機，如果聯動不成功，變頻器發出聯動失敗信號，在啟動630kW電機工頻運行。
　　(2)、KM1和KM2同工頻運行的小車開關互鎖；
　　3.3、中央瓦斯抽放泵高壓變頻方案的選擇
　　瓦斯抽放泵是用于煤礦在地面集中抽放井下瓦斯的一種專用安全裝備，其特點是能有效地抽出部分或大部分煤層解吸瓦斯，減輕礦井通風負擔，同時將抽出的瓦斯輸送到居民區，中央瓦斯泵站共配置4臺瓦斯泵，兩用兩備，定期切換。
　　 瓦斯泵的可靠性要求非常高，運行中一臺故障聯動另外一臺，在改造方案中充分的考慮到安全性，做出如圖5所示的方案
　　 （1）、正常情況下，變頻器帶一臺瓦斯泵運行，如果在運行中變頻器出現故障直接聯動變頻泵工頻運行，聯動失敗，發出聯動失敗信號直接啟動另外一臺工頻泵運行；
　　 （2）、QF2與QF3和QF4互鎖；
　　3.4、遠程通訊方案的選擇
　　 為了保證煤礦的安全生產，煤礦調度室需要時時監控井下人員安全情況以及煤礦所有設備的安全運行情況，同時按照各個專業的劃分，機電廠和保安區也分別要時時監控主扇風機和瓦斯泵的運行狀況，做出如圖6系統通訊方案。
　　注：東、西風扇變頻器的信號傳送到機電廠監視，瓦斯泵站變頻器的信號送到保安區監視。機電廠和保安區再將信號送到礦調度。保證了所監視的數據能在礦調度、機電廠、保安區同時顯示。
　　3.5、DHVECTOL-DI變頻器特點
　　 (1)、輸入諧波小，高功率因數；
　　 (2)、高效率，高可靠性；
　　 (3)、電機實現軟啟動，無沖擊電流，保護了電機，降低維護電機費用；
　　 (4)、單元旁路功能，保證了運行的可靠性；
　　 (5)、瞬時停電再啟動功能，不會因為電網的波動造成變頻器停機；
　　 (6)、通用的通訊借口；
　　 (7)、完善的運行記錄和系統自診斷能力。
　　四、 項目實施情況
　　該項目2005年9月29日采購，2005年11月27日設備運抵現場，2005年12月7日開始安裝東、西主扇風機變頻器，2005年12月21日開始調試變頻器主體部分，2005年12月29日開始調試遠程通信，2006年1月9日完成所有調試，投入生產運行，1月12日順利通過72小時生產考核運行，通過一個月的運行考核，初步估算節能達到40%以上。
　　五、 結束語
　　 我國是世界上的產煤大國，又是能源貧乏的國家之一，而且也是噸煤電耗比較高的國家。我們要創造出一條以低能耗實現現代化的新路,節能降耗是明智之舉。通過實際應用也表明，高壓變頻器的應用于煤礦系統改造能取得良好的運行效果和經濟效益。在國家倡導建設節約型社會的大好形勢下，煤礦行業高壓變頻改造也是刻不容緩的。