變頻節(jié)能技術(shù)在煤礦通風工作中的應(yīng)用

韓煥勝

（大同煤礦集團大同地方煤炭集團有限責任公司，山西 大同 037000）

1 前言

我國是一個人均能源相對貧乏的國家，人均能源占有量不足世界水平的1/5，隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，已成為世界第二能源消耗大國，但能源使用率普遍偏低，造成電能浪費現(xiàn)象十分嚴重。我國現(xiàn)有的各類電動機總裝機容量達35億kW/h，電耗占總用電量的50%左右。

煤礦巷道用的通風系統(tǒng)，在煤礦的安全生產(chǎn)中起著至關(guān)重要的作用。礦井中空氣的瓦斯?jié)舛攘?，與巷道的通風是否順暢，風量的是否充足都有著直接關(guān)系，一但通風不暢，瓦斯?jié)舛壬叩揭欢ǔ潭?，即會出現(xiàn)危險，造成重大事故，危及礦工的生命安全。而隨著開采及掘進的不斷延伸，巷道延長所需的風量也將不斷增加，風機所用功率也將加大。四季的交替、冷熱的變化、所需的風量也需不斷的調(diào)節(jié)，但煤礦原根據(jù)反風及開采后期運行情況所設(shè)計的通風機及拖動的電動機功率，通常遠大于煤礦正常生產(chǎn)所需的運行功率。傳統(tǒng)風機的流量設(shè)計均以最大風量來設(shè)計，其調(diào)整方式采用擋板、葉輪葉片角度、風門、啟停電機等方式來控制，無法形成閉環(huán)回路控制，也較不考慮省電觀念。電氣控制采用直接或Y-△起動，無法具有軟起動的功能，機械沖擊大，傳動系統(tǒng)壽命短，震動及噪聲較大，需要的電源容量大，功率因素較低等是其主要的問題點。

隨著變頻技術(shù)的日益成熟，為風機的節(jié)能提供了可靠的技術(shù)條件和保證。采用變頻調(diào)速，改變通風系統(tǒng)中電動機的輸入頻率從而改變電動機及風機的轉(zhuǎn)速，達到調(diào)節(jié)空氣流量的目的，即滿足生產(chǎn)工藝變化的需求，又節(jié)省電能，是一舉多得的最佳舉措。因此在煤礦大中型通風機設(shè)備上，推廣變頻節(jié)能技術(shù)，取代調(diào)整葉輪葉片調(diào)節(jié)方式，使通風機始終處于科學、經(jīng)濟運行狀態(tài)，提高企業(yè)綜合經(jīng)濟效益和社會效益具有十分重要的意義。

2 問題的提出

2.1 改造前系統(tǒng)簡介

原本單位通風系統(tǒng)的主要設(shè)備和控制方式為：礦井通風方式為抽出式，設(shè)有一個通風機房，裝備兩臺對旋軸流通風機，風機的電動起動方式為自藕降壓啟動，兩臺同型號通風機互為備用，通風機由1級風機和2級風機組成，兩級風機的電動機額定功率均為132 kW，6級電機，額定電流245 A，額定轉(zhuǎn)速980 rad/min，實際運行電流1級電動機為140 A，二級電動機位120 A，通風機效率為85%。

2.2 原系統(tǒng)的運行及存在的問題

通風機在實際的運行中，根據(jù)礦井實際的風量需求，采用調(diào)節(jié)前導器角度和調(diào)節(jié)垂直風門開啟度實現(xiàn)風量的調(diào)整。通風機房的兩臺通風機采用輪換工作制，與最佳工況運行相比，整個風機和電動機系統(tǒng)處于低效率運行狀態(tài)，存在“大馬拉小車”的問題，即使在礦井生產(chǎn)后期，隨著巷道的不斷延伸，風機的電動機仍能滿足后期通風需求。因此，企業(yè)每年多消耗電能數(shù)10萬度，電能浪費十分嚴重。在正常生產(chǎn)過程中以及采煤斷面的加深和延長，對風量和風壓有著不同的要求，而對風量的不同要求，一般是通過人工改變風門的開啟度或者改變分級的扇葉角度來實現(xiàn)的，其勞動強度大，風量調(diào)控不便，設(shè)備維修工作量大。

3 節(jié)能改造的可行性分析

3.1 方案選擇

改造方案主要有：方案一是通過改變?nèi)~輪葉片角度控制風量，可滿足生產(chǎn)的需求，但達不到節(jié)能效果。方案二是在原系統(tǒng)上加裝變頻器、智能控制調(diào)節(jié)器等，形成風機自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)，根據(jù)負載的輕重自動調(diào)整風機的運行頻率，排除了人為操作錯誤的因素。雖然一次投入成本較高，但這種方法在其他領(lǐng)域已經(jīng)被廣泛應(yīng)用，是切實可行的高效節(jié)能方法，因此該礦采用方案二對礦井通風進行節(jié)能改造。

在礦井通風系統(tǒng)設(shè)計中，風機的裝機容量是取系統(tǒng)最大負荷在增加10%～20%余量時作為設(shè)計安全系數(shù)。據(jù)統(tǒng)計，在傳統(tǒng)煤礦，風機用電約占系統(tǒng)用電的30%。因此，實施對礦井通風系統(tǒng)電動機控制是煤礦節(jié)能改造及自動控制的重要組成部分。

3.2 風機的特性分析與節(jié)能原理

通風機的運行工況由負荷情況決定，根據(jù)流體力學理論，電動機功率P、風量Q和壓力H之間的關(guān)系為：P=K×H×Q/η；其中K為常數(shù)，η為效率。他們與轉(zhuǎn)速N之間的關(guān)系為：

圖1中曲線1為風機在恒速下壓力H和流量Q的特性曲線，曲線2是管網(wǎng)風阻特性（閥門開度為100%）。假設(shè)風機在設(shè)計時工作在A點的效率最高，輸出風量Q1為100%，此時的軸功率P1=Q1×H1與面積AH10Q1成正比。根據(jù)工藝要求，當風量需從Q1減少到Q2（例如70%）時，如采用調(diào)節(jié)前導器角度和調(diào)節(jié)垂直風門開啟度的方法相當于增加了管網(wǎng)阻力，使管網(wǎng)阻力特性變到了2，曲線3，系統(tǒng)由原來的工況A點變到新的工況B點運行，由圖中可以看出，風壓反而增加了，軸功率P2與面積BH20Q2成正比，減少不多。

圖1

如果采用變頻調(diào)控制方式，將風機轉(zhuǎn)速由N1降到N2，根據(jù)風機的比例規(guī)定，可以畫出在轉(zhuǎn)速N2下壓力H和流量Q特性如曲線4所示，可見在滿足同樣風量Q2的情況下，風壓H3將大幅度的降低，功率P3（相等于面積CH30Q2）也隨著顯著減少，節(jié)能的功率△P=△HQ2與面積BH2H3C成正比，節(jié)能的效果是十分明顯的。

由流體力學可知，風量Q與轉(zhuǎn)速的一次方成正比，風壓H與轉(zhuǎn)速的平方成正比，軸功率P與轉(zhuǎn)速的立方成正比，當風量減少，風機轉(zhuǎn)速下降時，起動功率下降很多。

例如風量下降到80%，轉(zhuǎn)速也下降到80%時，則軸功率下降到額定功率的51%；如風量下降到50%，功率P可下降到額定功率的13%，當然由于實際工況的影響，節(jié)能的實際值不會有這么明顯，即使這樣，節(jié)能的效果也是十分明顯的。

因此對于風機類的機械設(shè)備中，采用變頻調(diào)速的方式來調(diào)節(jié)風量和流量是節(jié)能降耗最有效的方法。

根據(jù)異步電動機原理：n=60 f/p（1-s）

式中：n：轉(zhuǎn)速；

f：頻率；

p：電機磁極對數(shù)；

s：轉(zhuǎn)差率。

由上式可知，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速有3種方法：改變頻率、改變電機磁極對數(shù)和改變轉(zhuǎn)差率。在以上調(diào)速方法中，變頻調(diào)速性能最好，調(diào)節(jié)范圍大，靜態(tài)穩(wěn)定性好，運行效率高。因此，改變頻率而改變轉(zhuǎn)速的方法最方便有效。

根據(jù)以上分析，結(jié)合煤礦通風機的運行特征，利用變頻器的調(diào)速特性，對煤礦通風系統(tǒng)中的風機進行節(jié)能改造切實可行的較完善且高效率的節(jié)能方案。

以本單位通風機的運行分析為例：

通風機系統(tǒng)設(shè)計首先是根據(jù)原始生產(chǎn)參數(shù)計算出可能的最大的負荷，再乘以1.1～1.3的安全系數(shù)。通風機系統(tǒng)絕大部分時間沒有在滿負荷的情況下運行，這就造成了系統(tǒng)能效比的大大降低。

原通風系統(tǒng)通過采用調(diào)節(jié)葉片角度來調(diào)節(jié)風量的大小，而風機一直處在接近滿負荷運行。其中有一部分能量浪費在葉輪葉片上，安裝智能化節(jié)電設(shè)備后，通過對循環(huán)水壓和進出口溫差變化的跟蹤，由智能控制單元的模糊控制軟件根據(jù)當前的具體數(shù)據(jù)計算出系統(tǒng)所需的負荷，并檢測電機、風機、變頻器三者的運行曲線，自動調(diào)節(jié)節(jié)電設(shè)備輸出頻率的同時，對該設(shè)備進行矢量控制，將三者的運行曲線合理優(yōu)化控制運行，提高三者的工作效率。

當電機頻率下降時，電機的功率也相應(yīng)降低，從而達到節(jié)電的目的。

式中，N1：改變的轉(zhuǎn)速；

N0：電機原來的轉(zhuǎn)速；

P0：原電機轉(zhuǎn)速下的電機消耗功率；

Q0：原電機轉(zhuǎn)速下所產(chǎn)生的風量。

由上式可以看出，風量的減少與轉(zhuǎn)速降低的一次方成正比，功耗的減小與轉(zhuǎn)速降低的三次方成正比。

如：假設(shè)原風量為100個單位，耗能也為100個單位，如果轉(zhuǎn)速降低 10 個單位，由（2）式△Q=Q0[1-（N1/N0）]=100×[1-（90/100）]=10可得出風量改變了10個單位，但功耗由（1）式△P=P0[1-（N1/N0）3]=100×[1-（90/100）3]=27.1 可以得出，功率將減少 27.1個單位，即比原來降低27.1%，以此類推。

表1

通過對原通風系統(tǒng)風機的運行數(shù)據(jù)和以上幾點的分析，結(jié)合智能變頻解電設(shè)備的整體性能，預計通風機年平均節(jié)電率可達35%以上。

4 具體改造方式及效益分析

4.1 改造方案

首先恢復風機葉片數(shù)量，將葉片調(diào)整到最佳工作角度，使風機工作在最佳狀態(tài)；再在原系統(tǒng)中加裝智能變頻調(diào)節(jié)系統(tǒng)，利用變頻器變頻調(diào)速功能，根據(jù)生產(chǎn)對風量和風壓的要求，自動調(diào)節(jié)風機風量，使風機獲得最大的節(jié)能效果；同時變頻器具有軟起動功能，可根據(jù)實際情況，設(shè)定相應(yīng)的起動時間，以減少直接起動所產(chǎn)生的大的沖擊電流。

新加智能控制系統(tǒng)與原有系統(tǒng)互為備份，當本智能控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障會自動切換到原有系統(tǒng)上時，可確保系統(tǒng)運行無任何風險；另又加了檢測傳感器，確保所有操作準確可靠執(zhí)行；從安全角度上看，比以前更可靠。

4.2 設(shè)備選型

對1用1備的通風機安裝2臺智能變頻節(jié)電設(shè)備，每臺智能化節(jié)電設(shè)備功率為132 kW，分別對通風的1級和2級風機電動機進行節(jié)能調(diào)速控制，輪換工作通過轉(zhuǎn)換開關(guān)選擇，實現(xiàn)一拖二的控制。

5 智能變頻節(jié)電設(shè)備概述

隨著變頻技術(shù)的日益成熟，在生活和生產(chǎn)中的應(yīng)用也不斷深入，為實現(xiàn)對風機的自動調(diào)節(jié)和節(jié)能提供了可靠的技術(shù)條件和保證。

5.1 節(jié)電原理

節(jié)電設(shè)備在變頻器的基礎(chǔ)上，安裝具有獨立專利技術(shù)的優(yōu)化控制軟件，依據(jù)計算機模糊控制理論，結(jié)合PID控制原理，根據(jù)系統(tǒng)的實際運行狀況，自動檢測變頻器、電機、負載的運行曲線，并對其進行實時優(yōu)化控制，使三者運行曲線均達到最佳，確保在滿足系統(tǒng)需求的前提下大幅度提高系統(tǒng)效率，盡可能地降低消耗。

5.2 智能變頻節(jié)電設(shè)備的特點

5.2.1 安全性高

（1）安裝時，采取與原有啟動柜“電器互鎖”的方案；原有啟動柜作為備用機，兩機之間可以相互轉(zhuǎn)換。

（2）該系統(tǒng)選用最先進的專用變頻驅(qū)動單元，法國斯耐德低壓電器；采用最先進的可編程技術(shù)和最簡捷的操作方法；通過計算機模糊控制軟件，適時調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速，并對電機具有過載、過壓、欠壓、缺相、短路等保護功能。這樣不但提高了節(jié)電率，而且減少了電機運行時產(chǎn)生的噪聲、減少了電機發(fā)熱、延長了電機的使用壽命。

（3）設(shè)備內(nèi)部除自動保舉等功能齊全外，特殊情況下節(jié)電設(shè)備需保養(yǎng)維修時，可以隨時啟動備用機。

（4）節(jié)電設(shè)備使用壽命可長達15年。

5.2.2 節(jié)能率高

目前，國內(nèi)外節(jié)點技術(shù)多為變頻調(diào)速、電抗穩(wěn)流、平衡電壓、諧波治理、降壓等節(jié)電技術(shù)，利用變頻調(diào)節(jié)及調(diào)制電壓進行節(jié)電，節(jié)電率一般在10%～20%左右；對于三相異步電動機而言，采用變頻調(diào)速技術(shù)是目前比較好的節(jié)能方式，但是由于節(jié)電率相對低。應(yīng)用計算機模糊控制軟件與專用變頻器相結(jié)合的智能變頻節(jié)電設(shè)備沖破了動力節(jié)電率較低的技術(shù)瓶頸，使變頻調(diào)速、諧波治理、動態(tài)跟蹤、網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控、智能化管理等多種模式有機地結(jié)合在一起，有效提高了系統(tǒng)的自動化性能及監(jiān)控、管理能力。通過計算機模糊運算，適時發(fā)出PID控制命令，改變變頻的運行曲線，提高變頻器的軟件性能，有效地提高了節(jié)電率，使節(jié)電率在原來的基礎(chǔ)上有很大的提高，節(jié)電率可達40%～60%。

5.2.3 軟啟動，減小啟動電流對電網(wǎng)的沖擊

一般電機啟動電流時是戈定電流的4～7倍，而智能變頻節(jié)電系統(tǒng)能使電機實現(xiàn)軟啟動，啟動電流小于正常電流，工作平穩(wěn)，同時保護設(shè)備，延長電機使用壽命，還可以替代降壓啟動電阻，自藕變壓器等耗電設(shè)備。

5.2.4 系統(tǒng)干擾小，運行安全可靠

一般節(jié)電產(chǎn)品運行電壓不穩(wěn)定，運行諧波干擾大，缺少安全保護功能。節(jié)電設(shè)備除保護功能齊全外，在特殊情況下出現(xiàn)故障還可自動轉(zhuǎn)換為公頻，確保不會影響設(shè)備的使用，而且能把電源電壓穩(wěn)定在380 V運行，諧波干擾率不高于7%，而國家對于諧波干擾率要求不高于15%，在運行時不會影響其他儀器、儀表的正常運行。

5.2.5 自動化功能強大，設(shè)備的運行噪聲，使用壽命長

節(jié)電設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)控、管理功能屬國內(nèi)外首創(chuàng)。其具有較強的組網(wǎng)能力，由RS485接口、PC連接，可實現(xiàn)遠程控制；利于集中控制管理，布線簡潔、運行可靠；用戶選擇范圍廣；組建系統(tǒng)靈活、簡便。

5.3 技術(shù)參數(shù)

（1）輸入電源電壓：三相AC380 V～480 V±10%。

（2）輸出電源頻率：0～650 Hz。

（3）環(huán)境安裝要求：室內(nèi)安裝，海拔1000m以下，溫度0～400℃，濕度≤90%，無塵埃，無強烈震動，無凝露，無腐蝕性氣體。

（4）功率范圍：7.5～630 kW。

（5）間歇過載能力：115%持續(xù)時間1 min。

（6）操作方式：手動、自動。

（7）冷卻方式：強制風冷。

（8）控制柜防護等級：IP21。

6 改造后的效益情況

本單位風機節(jié)能改造后，通過山西省節(jié)能監(jiān)測中心的測評，平均節(jié)電率達45.3%總功率由原先264 kW降到144 kW，日節(jié)電2870度，按每度電0.6元計算，每月可節(jié)約用電5.16萬元，每年可節(jié)省60多萬元。除上述直接的經(jīng)濟效益外，此次的節(jié)電能及時地應(yīng)用也給其他煤礦帶來了示范作用，推進了全社會節(jié)能降耗觀念的形成，其良好的社會效益也是不可低估的。