高壓變頻器在煤礦主通風(fēng)機(jī)上的應(yīng)用

　　1 概述

　　被譽(yù)為“中國荷都、北方水鄉(xiāng)和鐵道游擊隊故鄉(xiāng)”的微山縣位于山東省南部，因地處微山湖故名。抗日戰(zhàn)爭時期，以微山湖為根據(jù)地的 “微湖大隊”、“運(yùn)河支隊”、“鐵道游擊隊”等革命武裝，創(chuàng)造了許多可歌可泣的英雄業(yè)績，一曲《彈起我心愛的土琵琶》唱響大江南北。

　　微山崔莊煤礦有限責(zé)任公司是一家縣屬地方國有企業(yè)。該公司井田面積為12.6平方公里，地質(zhì)儲量1.36億噸。資產(chǎn)總額16億多元，員工3500多人，2010年銷售收入11.5億元，實現(xiàn)利稅5億元，利潤3.5億元，經(jīng)濟(jì)效益、全員工效、安全生產(chǎn)等經(jīng)濟(jì)指標(biāo)均名列山東省地方煤礦前列。

　　2 現(xiàn)場簡介

　　崔莊煤礦位于山東省濟(jì)寧市微山縣，崔莊礦通風(fēng)系統(tǒng)配置兩臺軸流式通風(fēng)機(jī)，一用一備，每臺風(fēng)機(jī)配置355kW/6kV高壓異步電機(jī)。礦井主通風(fēng)機(jī)用于向井下提供新鮮風(fēng)流、排除污濁空氣和有害氣體，對煤礦的安全生產(chǎn)影響重大。礦井主通風(fēng)機(jī)全年不停地運(yùn)行，其電耗量較大。礦井所需的風(fēng)量通過調(diào)節(jié)風(fēng)門擋板或葉片角度來實現(xiàn)，根據(jù)反風(fēng)及開采后期運(yùn)行工況要求，所設(shè)計的通風(fēng)機(jī)及拖動的電動機(jī)的功率，遠(yuǎn)大于煤礦正常生產(chǎn)所需的運(yùn)行功率。風(fēng)機(jī)設(shè)計上余量特別大，在相當(dāng)長的時間風(fēng)機(jī)一直處在較輕負(fù)載下運(yùn)行，煤礦通風(fēng)系統(tǒng)中存在著較為嚴(yán)重的大馬拉小車現(xiàn)象，能源浪費(fèi)非常突出。現(xiàn)場設(shè)備如圖1所示：

　　圖1 現(xiàn)場設(shè)備圖

　　3礦用通風(fēng)機(jī)采用變頻調(diào)速改造的必要性

　　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(yùn)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(yùn)行，使風(fēng)機(jī)在最大的范圍內(nèi)以最高的效率運(yùn)行，節(jié)能效果好。

　　如果采用高壓交流變頻調(diào)速技術(shù)，通過改變頻率，調(diào)整風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，直至滿足礦井通風(fēng)需要。一旦高壓變頻器出現(xiàn)故障，短時間內(nèi)可切換到工頻運(yùn)行，不影響礦井通風(fēng)。通過高壓變頻器，風(fēng)機(jī)可以根據(jù)礦井通風(fēng)需要實時調(diào)速運(yùn)行，使風(fēng)機(jī)始終運(yùn)行在高效區(qū)。高壓變頻調(diào)速技術(shù)在礦井大功率通風(fēng)機(jī)上的應(yīng)用，具有其應(yīng)用的特殊性，通風(fēng)機(jī)停機(jī)10分鐘即為重大事故，因此對變頻器的可靠性及系統(tǒng)的安全性設(shè)計要求很高。

　　為了降低通風(fēng)機(jī)消耗，提高風(fēng)機(jī)運(yùn)行效率，礦領(lǐng)導(dǎo)經(jīng)過論證，最后決定選用山東新風(fēng)光電子科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)的JD-BP37-400F高壓變頻器對礦主通風(fēng)機(jī)進(jìn)行改造。2010年4月，高壓變頻器在礦通風(fēng)井投入運(yùn)行，改造達(dá)到了預(yù)期目的。

　　4風(fēng)光牌JD-BP37-400F 高壓變頻器技術(shù)參數(shù)

　　山東新風(fēng)光電子公司是國家高新技術(shù)企業(yè)，生產(chǎn)的風(fēng)光牌JD-BP37系列高壓變頻器榮獲“中國名牌”稱號，高壓變頻器以高速DSP為控制核心，采用無速度矢量控制技術(shù)、功率單元串聯(lián)多電平技術(shù)，屬高-高電壓源型變頻器，其諧波指標(biāo)遠(yuǎn)小于IEE519-1992的諧波國家標(biāo)準(zhǔn)，輸入功率因數(shù)高，輸出波形質(zhì)量好，不必采用輸入諧波濾波器、功率因數(shù)補(bǔ)償裝置和輸出濾波器;不存在諧波引起的電機(jī)附加發(fā)熱和轉(zhuǎn)矩脈動、噪音、輸出dv/dt、共模電壓等問題，可以使用普通的異步電機(jī)。

　　JD-BP37-400F 高壓變頻器技術(shù)參數(shù)如表1所示。

　　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(yùn)行，保證生產(chǎn)不受影響。變頻運(yùn)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2所示。

　　DL：用戶高壓斷路器

　　K1、K2、K3：高壓變頻器內(nèi)置高壓隔離開關(guān)

　　BPQ：JD-BP37-400F高壓變頻器

　　D：355kW/6kV異步電動機(jī)

　　圖2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(yùn)行;當(dāng)K1、K3斷開，K2閉合時，電機(jī)工頻運(yùn)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(yùn)行如圖3所示。

　　6 通風(fēng)機(jī)系統(tǒng)變頻改造效果

　　通風(fēng)機(jī)屬于煤礦輔機(jī)設(shè)備中的高能耗設(shè)備，其輸出功率不能隨負(fù)荷變化而變化，只有通過改變風(fēng)葉的角度和風(fēng)門來調(diào)整風(fēng)壓和風(fēng)量，造成很大部分能量消耗在節(jié)流損失中。針對以上能源浪費(fèi)的現(xiàn)象，采用高壓變頻技術(shù)對煤礦通風(fēng)機(jī)進(jìn)行技術(shù)改造，是煤礦節(jié)能降耗提高通風(fēng)機(jī)運(yùn)行效率的有效途徑。

　　6.1通風(fēng)機(jī)變頻改造情況介紹

　　崔莊礦是一個新建礦井，生產(chǎn)后期風(fēng)阻較大，所以根據(jù)礦通風(fēng)部門提供的數(shù)據(jù)，風(fēng)機(jī)按照容易期風(fēng)量82.5m3/s、風(fēng)壓1764Pa，困難期83 m3/s、風(fēng)壓2646Pa設(shè)計。風(fēng)機(jī)采用兩臺軸流式通風(fēng)機(jī)，互為備用。通風(fēng)機(jī)為2K58-NO.24軸流式通風(fēng)機(jī)，轉(zhuǎn)速為743r/min。配備電動機(jī)型號為Y450-8，額定功率355kW，額定電壓為6000V，額定電流為45.7A，額定轉(zhuǎn)速743 r/min。通風(fēng)機(jī)特性曲線如圖4所示。

　　由于建礦時間短，實際需要風(fēng)量較小，投入運(yùn)行后通過調(diào)整風(fēng)葉角度在32.50運(yùn)行，經(jīng)礦測試中心測量，風(fēng)門開度2m, 風(fēng)機(jī)葉角度32.50，風(fēng)機(jī)風(fēng)量85 m3/s，風(fēng)機(jī)負(fù)壓1750Pa，電機(jī)電流43A，電動機(jī)工況功率344kW。風(fēng)機(jī)在全速運(yùn)行時工作在低效區(qū)內(nèi)。針對礦井實際的通風(fēng)需求，采用調(diào)節(jié)風(fēng)葉角度和風(fēng)門實現(xiàn)風(fēng)量、風(fēng)壓的調(diào)整，存在電能嚴(yán)重浪費(fèi)。

　　根據(jù)上述情況，根據(jù)風(fēng)機(jī)廠家提供的技術(shù)參數(shù)和圖紙，獲得風(fēng)機(jī)的運(yùn)行特性。根據(jù)廠家提供的風(fēng)機(jī)特性曲線圖，制定風(fēng)機(jī)預(yù)計工礦點。當(dāng)改變風(fēng)機(jī)葉角度到400，同時降低風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速到654r/min，通風(fēng)機(jī)此時工作在特性曲線高效區(qū)。測量變頻運(yùn)行后數(shù)據(jù)：變頻器輸入電流24A，運(yùn)行頻率44Hz，功率因數(shù)0.975，負(fù)壓1700Pa，風(fēng)量約82.5m3/s，實際測量風(fēng)機(jī)效率達(dá)到81%。完全符合現(xiàn)在生產(chǎn)需要。

　　同時為防止變頻器發(fā)生重大故障，設(shè)計了工頻旁路電路，在重大故障時系統(tǒng)可將風(fēng)機(jī)投入工頻運(yùn)行，以確保生產(chǎn)的連續(xù)性，避免了因通風(fēng)影響煤礦生產(chǎn)。

　　6.2 采用變頻后通風(fēng)機(jī)的節(jié)能效益

根據(jù)上述，改造后風(fēng)機(jī)效率為81% ，經(jīng)測量變頻后功率因數(shù)

　　變頻時，電動機(jī)消耗功率為：

　　P2=1.732×6×24×0.975=243.17kW 。

　　工頻時，電動機(jī)消耗功率為：P1=344kW。

　　一天按24小時運(yùn)行，一年按300天計算，采用變頻技術(shù)后通風(fēng)機(jī)節(jié)約電量計算如下：

　　年節(jié)電：(P1- P2)×24×300 =(344-243.17)×24×300=725976 (kW•h)。

　　每kW•h按0.6元計算，年節(jié)約電費(fèi)為：

　　(725976×0.6)/10000=43.56萬元。

　　估算采用變頻技術(shù)后供電線路節(jié)省消耗：

　　通過公式計算工頻時線路功率因數(shù)：

式中：——功率因數(shù)提高前、后的電流

——變頻改造前功率因數(shù)

——變頻改造后功率因數(shù)

——變頻改造前供電功率

——變頻改造后供電功率

　　變頻運(yùn)行比工頻運(yùn)行供電線路每小時減少的無功功率：

　　年節(jié)省線路無功功率傳輸為229.67×24×300=1653624kvar。

　　按線路損失5%，每度電費(fèi)按0.6元計算，年節(jié)約電費(fèi)為：

　　1653624×5%×0.6=4.96萬元。

　　總計節(jié)約電量：43.56+4.96=48.52萬元。

　　6.3其他效益

　　(1)變頻起動對電網(wǎng)沒有沖擊。由于變頻器改造后風(fēng)機(jī)實現(xiàn)軟起動，避免了起動電流的沖擊，而且還可以隨時起動或停止。

　　(2)按需調(diào)節(jié)風(fēng)量，避免浪費(fèi)。進(jìn)行變頻改造后，風(fēng)機(jī)的送風(fēng)量不再需要由風(fēng)葉角度和風(fēng)門來調(diào)節(jié)，而是通過變頻調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)，調(diào)節(jié)范圍可以從0%—100%;因而可以根據(jù)井下通風(fēng)需要實時調(diào)節(jié)風(fēng)量，減少了不必要的浪費(fèi)。

　　(3)降低風(fēng)機(jī)工作強(qiáng)度，延長設(shè)備使用壽命。變頻改造后，風(fēng)機(jī)的大部分工作時間都在較低的速度下運(yùn)行，因而大大降低了風(fēng)機(jī)工作的機(jī)械強(qiáng)度和電氣沖擊，大大延長風(fēng)機(jī)的使用壽命。

　　(4)風(fēng)機(jī)設(shè)備的噪聲降低，改善了工作環(huán)境。

　　(5)提高了通風(fēng)機(jī)的自動化控制水平。

　　過去通風(fēng)機(jī)依靠人工調(diào)節(jié)擋板，不具備風(fēng)量的自動實時調(diào)節(jié)功能，自動化程度低。變頻改造后，通風(fēng)機(jī)由變頻器進(jìn)行控制，嚴(yán)格按程序進(jìn)行控制，在礦監(jiān)控室顯示通風(fēng)系統(tǒng)各項電氣參數(shù)及設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)(工作、停止、故障)等，實現(xiàn)了生產(chǎn)過程對通風(fēng)機(jī)的自動控制。

　　(6)界面為純中文操作，操作簡單，使用方便。

　　(7)保護(hù)功能齊全，除了過壓、欠壓、過熱、過載、短路、缺相等自身保護(hù)功能外，還設(shè)有故障單元自動旁路功能、外圍聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng)及變頻故障轉(zhuǎn)工頻等功能，提高了系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性。

　　7結(jié)束語

　　總之，礦用通風(fēng)機(jī)采用變頻調(diào)速，不但實現(xiàn)了軟起、軟停，而且可根據(jù)巷道的通風(fēng)需求方便地進(jìn)行調(diào)速，改造效果是十分理想的。2006年風(fēng)光公司率先在寧夏煤業(yè)公司礦用通風(fēng)機(jī)上進(jìn)行變頻改造，開創(chuàng)了國產(chǎn)高壓變頻器在礦用通風(fēng)機(jī)應(yīng)用變頻改造的歷史，至此后，煤礦行業(yè)通風(fēng)機(jī)變頻應(yīng)用越來越多，風(fēng)光公司高壓變頻器在煤炭行業(yè)有著良好的業(yè)績，風(fēng)光產(chǎn)品為推動國家節(jié)能減排工作做出了貢獻(xiàn)。