高壓變頻器在煤礦地面瓦斯抽放泵上的應(yīng)用和分析

杜 欣

（山西省陽(yáng)泉煤業(yè)集團(tuán)有限公司，山西陽(yáng)泉 045000）

1 概述

伴隨筆者所在煤礦開采能力的提高，煤炭的產(chǎn)能加大，隨之而來(lái)的瓦斯也在增多，瓦斯泵的數(shù)量也有所增加。為了減少瓦斯抽放泵耗電量，決定對(duì)現(xiàn)有的瓦斯抽放泵進(jìn)行技術(shù)改造。經(jīng)過(guò)技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析，最終決定采用高壓變頻技術(shù)對(duì)瓦斯抽放泵的控制系統(tǒng)進(jìn)行改造[1]。

2 瓦斯泵變頻節(jié)能原理

泵類設(shè)備的轉(zhuǎn)速（n）和流量（Q）、泵的揚(yáng)程（H）和功率（P）兩者之間關(guān)系如下：

式（1）：Ql/Q2=nl/n2；

式（2）：Hl/H2=(nl/n2)2；

式（3）：Pl/P2=(nl/n2)3。

從上述的關(guān)系式可得出，通過(guò)降低電機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)減少流量輸出時(shí)，其節(jié)能效果和轉(zhuǎn)速成立方比關(guān)系。

當(dāng)瓦斯量較少時(shí)，可以降低電機(jī)的轉(zhuǎn)速。比如電機(jī)轉(zhuǎn)速降低為額定轉(zhuǎn)速的80%，由式（3）可得出，降低后電機(jī)實(shí)際功率為降低前功率的51.2%。由此可見，運(yùn)用變頻調(diào)速技術(shù)可以有效降低能耗。在瓦斯抽放泵滿足生產(chǎn)的前提下，降低轉(zhuǎn)速，泵的效率有所下降，但是可帶來(lái)能耗的減少，有利于節(jié)約電能。

目前，煤礦瓦斯抽放泵處于全速（電機(jī)額定轉(zhuǎn)速）運(yùn)行狀況，不能依據(jù)礦井的瓦斯量和民用瓦斯量的多少進(jìn)行瓦斯抽放量調(diào)整。也就是說(shuō)，瓦斯涌出量相當(dāng)多時(shí)，瓦斯抽放泵全速運(yùn)行，當(dāng)瓦斯涌出量較少時(shí)，泵全速運(yùn)行將會(huì)造成瓦斯抽放濃度降低，使得排放瓦斯混入過(guò)多的空氣，有可能引發(fā)爆炸事故，同時(shí)還造成了電能的過(guò)多損耗。

經(jīng)過(guò)對(duì)瓦斯抽放泵的控制系統(tǒng)進(jìn)行變頻改造，能夠依據(jù)瓦斯涌出量，實(shí)時(shí)閉環(huán)控制調(diào)節(jié)或手動(dòng)開環(huán)調(diào)節(jié)變頻器的瞬時(shí)頻率，實(shí)現(xiàn)電機(jī)速率改變，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)在經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)速范圍下運(yùn)行。這樣既能保證生產(chǎn)運(yùn)行正常，又能有效節(jié)約電能。

3 高壓變頻器改造方案確定

（1）各類調(diào)速方式分析比較

通過(guò)對(duì)瓦斯抽放泵的驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用變頻調(diào)速技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)瓦斯抽放泵的節(jié)能。當(dāng)前，三相異步電動(dòng)機(jī)成熟的調(diào)試技術(shù)主要有以下幾種：電磁調(diào)速、液力耦合器調(diào)速、液態(tài)電阻調(diào)速、變極調(diào)速、傳統(tǒng)串級(jí)調(diào)速、內(nèi)反饋串級(jí)調(diào)速、變頻調(diào)速等。

1）電磁調(diào)速，該調(diào)速裝置軸向尺寸較長(zhǎng)，所需安裝空間較大。當(dāng)電磁滑差離合器發(fā)生異常時(shí)，只能采取停機(jī)措施，方能檢修；同時(shí)，該裝置在調(diào)試過(guò)程中，對(duì)能量有一定的消耗，不利于節(jié)能。尤其是轉(zhuǎn)速為電機(jī)額定轉(zhuǎn)速2/3時(shí)，消耗能量最多，可達(dá)電機(jī)額定功率的14.8%，可見，該調(diào)速方式耗能較高，對(duì)能源耗費(fèi)較大。

2）液力耦合器。安裝方式：液力耦合器串在驅(qū)動(dòng)電機(jī)與負(fù)載端間，利用液位的高低調(diào)整耦合扭矩，從而完成負(fù)載端速度調(diào)整。其調(diào)速本質(zhì)是運(yùn)用轉(zhuǎn)差功率消耗實(shí)現(xiàn)的，當(dāng)轉(zhuǎn)速較低時(shí)，其效率隨之降低。液力耦合器日常維護(hù)量較大[2]。

3）液態(tài)電阻調(diào)速，通過(guò)電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)調(diào)速，一旦電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)生異常將會(huì)波及整個(gè)系統(tǒng)的安全性。

4）變極調(diào)速，該調(diào)速方式在20世紀(jì)70年代應(yīng)用較廣泛。該調(diào)速方式具有較硬的機(jī)械特性，優(yōu)越的穩(wěn)定性能，不存在轉(zhuǎn)差耗能，執(zhí)行效率高，接線難度小，易于控制，造價(jià)較低；缺點(diǎn)是不能實(shí)現(xiàn)無(wú)極調(diào)速，有較大的級(jí)差，無(wú)法實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速；對(duì)操作要求偏高，需要在定子邊使用高壓開關(guān)完成切換操作，一旦切換失誤，會(huì)引發(fā)事故。采用變極調(diào)速方式，對(duì)電機(jī)要求較高，電機(jī)定子接線復(fù)雜程度高，其相應(yīng)尺寸需要加大。

5）傳統(tǒng)串級(jí)調(diào)速，該調(diào)速方式通常適用于繞線式異步電機(jī)，把轉(zhuǎn)子的部分能力經(jīng)過(guò)整流逆變返到電網(wǎng)。該調(diào)速方式效率高，投資小，對(duì)裝置容量要求較低。缺點(diǎn)：該調(diào)速方式功率因數(shù)不高，產(chǎn)生的諧波對(duì)環(huán)境造成一定的污染。

6）高壓交流變頻調(diào)速，該調(diào)速方式充分運(yùn)用了先進(jìn)的電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)、通信技術(shù)和高壓電氣、電機(jī)拖動(dòng)等學(xué)科技術(shù)，其調(diào)速性能優(yōu)越，高精度、低耗能大區(qū)間、高可靠性、安裝簡(jiǎn)單、維護(hù)簡(jiǎn)便，便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)通訊，是節(jié)能調(diào)速的首選方式。

經(jīng)過(guò)分析比較，對(duì)陽(yáng)煤一礦陽(yáng)坡堰瓦斯泵選用高壓變頻技術(shù)是最佳方案。

（2）變頻調(diào)速控制方式

1）一對(duì)一、用一備一。采用兩套變頻系統(tǒng)，一套系統(tǒng)對(duì)應(yīng)一臺(tái)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)單臺(tái)瓦斯抽放泵成為一套獨(dú)立系統(tǒng)。

2）工頻手動(dòng)切換(自選)。為保障變頻系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行，系統(tǒng)設(shè)置手動(dòng)工頻旁路，用于變頻系統(tǒng)異常時(shí)手動(dòng)切換至工頻運(yùn)行。

3）自行設(shè)置啟動(dòng)曲線。變頻系統(tǒng)能夠多段速啟動(dòng)，系統(tǒng)具備軟啟動(dòng)能力，以減少對(duì)電網(wǎng)的沖擊。

（3）變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的配置

控制柜、功率柜各配置1臺(tái)，變壓器柜配置3臺(tái)，手動(dòng)旁路柜配置1臺(tái)。

4 高壓變頻器原理、功能與特點(diǎn)

高壓變頻器三相Y型輸出，每相串聯(lián)的5單元一端與電機(jī)相接，一端與變頻器相接。隔離移相變壓器一端引入KV電源，另一端設(shè)置15組繞組，各繞組采用單獨(dú)供電方式，以此實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的疊加正弦波，完成對(duì)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)。

高壓變頻器功能與特點(diǎn)：

（1）高功率因數(shù)，無(wú)需補(bǔ)償[3]；

（2）諧波畸變小，微干擾；

（3）電動(dòng)機(jī)噪聲變化輕微；

（4）無(wú)共振現(xiàn)象；

（5）應(yīng)用范圍廣；

（6）全面的自診斷及報(bào)警功能。

5 高壓變頻器的運(yùn)行效果分析

（1）優(yōu)勢(shì)

1）高可靠性、易操作

高壓變頻器柜觸摸屏，采用中文界面，便于掌控運(yùn)行狀態(tài)，同時(shí)，中文易識(shí)別，有利于故障排除快速排除。

2）系統(tǒng)采用軟啟動(dòng)

經(jīng)過(guò)高壓變頻改造后，軟啟動(dòng)不會(huì)對(duì)電網(wǎng)造成大的沖擊，有利于提高設(shè)備的使用壽命。

3）系統(tǒng)節(jié)電效果顯著

高功率因數(shù)對(duì)電能利用率高；依據(jù)實(shí)際工況實(shí)時(shí)調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速，有利于降低能耗。

（2）存在的問(wèn)題

1）前期設(shè)備采購(gòu)，投入資金較大。

2）崗位職工素質(zhì)普遍較低，需要進(jìn)行專業(yè)培訓(xùn)和認(rèn)知過(guò)程。

3）設(shè)備的后期維護(hù)、保養(yǎng)，缺少專業(yè)技術(shù)人員，需要與廠家建立維護(hù)合作關(guān)系。

6 分析結(jié)論

隨著高產(chǎn)高效綜采技術(shù)在煤礦的推廣，以及煤礦開采強(qiáng)度與深度的增加，瓦斯問(wèn)題日趨嚴(yán)重，提高瓦斯抽放技術(shù)勢(shì)在必行。對(duì)此，采用高壓變頻技術(shù)對(duì)瓦斯泵進(jìn)行技術(shù)改造，增強(qiáng)了系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性，節(jié)能環(huán)保。

［1］秦玉忠，盧芳，張錦平，等.變頻器在煤礦行業(yè)的應(yīng)用［J］.自動(dòng)化與儀器儀表，2012（05）：73-74.

［2］肖朋生.變頻器及其控制技術(shù)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

［3］仲明振，趙相賓.高壓變頻器應(yīng)用手冊(cè)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.