煤礦主扇風(fēng)機(jī)應(yīng)用高壓變頻器的節(jié)能技術(shù)改造

趙 俊

(潞安集團(tuán) 潞陽(yáng)麥捷煤業(yè)有限公司，山西 晉中 045400)

潞安集團(tuán)潞陽(yáng)麥捷煤業(yè)位于山西省壽陽(yáng)縣城北解愁鄉(xiāng)榮家溝村東，行政區(qū)劃隸屬于山西省晉中市壽陽(yáng)縣解愁鄉(xiāng)管轄。礦井設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為150萬(wàn)t/a，屬高瓦斯礦井；主扇通風(fēng)機(jī)房裝設(shè)2臺(tái)同等能力的對(duì)旋軸流通風(fēng)機(jī)，1臺(tái)工作，1臺(tái)備用，每臺(tái)風(fēng)機(jī)配套兩臺(tái)10 kV異步電動(dòng)機(jī)，電機(jī)功率為2×500 kW。礦井通風(fēng)方式采用機(jī)械抽出式，通過(guò)控制蝶閥的開(kāi)閉狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)正常供風(fēng)。

1 原系統(tǒng)存在的問(wèn)題

1) 原主扇為礦建初期安裝，已經(jīng)服役25 a，工作年限已基本達(dá)到設(shè)計(jì)服役年限，另外該設(shè)備廠家已經(jīng)停產(chǎn)，相關(guān)配件無(wú)法替換，設(shè)備維護(hù)保養(yǎng)存在嚴(yán)重問(wèn)題。

2) 原主扇采用高壓直接啟動(dòng)的控制方式拖動(dòng)設(shè)備，啟動(dòng)電流大，對(duì)上一級(jí)變壓器沖擊大，存在安全隱患。每次倒換風(fēng)機(jī)過(guò)程中必須將一些井下用電量大的負(fù)荷停止，風(fēng)機(jī)切換完成后等到風(fēng)機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)才能再啟動(dòng)井下其他大型設(shè)備，給正常生產(chǎn)造成極大不便。

3) 設(shè)備運(yùn)行效率低，風(fēng)量不能靈活調(diào)節(jié)。風(fēng)量調(diào)節(jié)需要機(jī)械調(diào)節(jié)風(fēng)葉角度來(lái)實(shí)現(xiàn)，葉片角度調(diào)節(jié)不方便、不準(zhǔn)確。

4) 故障情況下，倒機(jī)困難，容易出現(xiàn)倒機(jī)失敗，造成重大安全事故。原有主扇風(fēng)機(jī)遇到緊急掉電、電網(wǎng)波動(dòng)時(shí)，風(fēng)機(jī)容易停機(jī)，而且停機(jī)后緊急啟動(dòng)存在啟動(dòng)困難問(wèn)題；伴隨礦井生產(chǎn)建設(shè)延伸，負(fù)荷加大，設(shè)備的能耗也逐步增加。

2 技術(shù)改造方案

根據(jù)原有主扇風(fēng)機(jī)存在的問(wèn)題，對(duì)各種方案進(jìn)行對(duì)比分析，最終確定采用變頻器拖動(dòng)控制主扇風(fēng)機(jī)，具體方案如下：

1) 主扇風(fēng)機(jī)設(shè)備選型。根據(jù)麥捷煤礦年產(chǎn)量，目前井下所需風(fēng)量約為9 000 m3/min,按照井下通風(fēng)需求曲線計(jì)算及礦井發(fā)展需求，選擇供風(fēng)量在7 200～15 300 m3/min的對(duì)旋式軸流通風(fēng)機(jī)，設(shè)計(jì)服役年限為30 a。電機(jī)部分：供電電壓為10 kV，額定功率為500 kW，采用變頻器專用電機(jī)，支持從0～50 Hz連續(xù)調(diào)節(jié)運(yùn)行；電氣部分：配電系統(tǒng)采用雙回路10 kV高壓供電外加一臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)備電，三保險(xiǎn)的供電模式確保供電系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，采用KVN20-12型高壓柜體，選用ABB智能斷路器；電機(jī)拖動(dòng)部分采用西門(mén)子高壓變頻器作為啟動(dòng)裝置(型號(hào)為6SR4502-5MB38-0BF1)；電氣傳動(dòng)系統(tǒng)采用1臺(tái)變頻器驅(qū)動(dòng)1臺(tái)電機(jī)的方案，共配置四臺(tái)變頻裝置，電壓為10 kV輸入/0～10 kV輸出；兩套變頻器配套切換柜，當(dāng)在用風(fēng)機(jī)變頻器出現(xiàn)故障時(shí)，備用風(fēng)機(jī)的變頻器能立即投入運(yùn)行。

2) 控制工藝設(shè)計(jì)。根據(jù)對(duì)旋風(fēng)機(jī)設(shè)備工藝特性，認(rèn)真分析設(shè)備的各個(gè)環(huán)節(jié)，結(jié)合2016新發(fā)布的《煤礦安全規(guī)程》要求，在新風(fēng)機(jī)系統(tǒng)中采用一鍵切換控制工藝及故障自動(dòng)切換控制模式，實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)切換過(guò)程不停風(fēng)，采用計(jì)算機(jī)結(jié)合PLC的模式，通過(guò)上位機(jī)下發(fā)命令，由PLC執(zhí)行與數(shù)據(jù)采集來(lái)實(shí)現(xiàn)設(shè)備控制。在切換過(guò)程中，通過(guò)對(duì)兩臺(tái)蝶閥精準(zhǔn)開(kāi)關(guān)控制與變頻器配合的邏輯，先低頻運(yùn)行備用風(fēng)機(jī)，正常后系統(tǒng)完成自檢，下達(dá)切換蝶閥命令，關(guān)閉在用蝶閥，同時(shí)打開(kāi)備用蝶閥，降低在用風(fēng)機(jī)運(yùn)行速度，在蝶閥開(kāi)關(guān)到位后，在用風(fēng)機(jī)停運(yùn)，備用風(fēng)機(jī)按照預(yù)設(shè)頻率運(yùn)行。

3) 方案實(shí)施。經(jīng)過(guò)前期的項(xiàng)目考察與技術(shù)論證，最終確定設(shè)備廠家，在2018年11月至12月連續(xù)安裝，于12月24日設(shè)備具備試運(yùn)行條件，經(jīng)過(guò)單機(jī)72 h穩(wěn)定運(yùn)行后滿足投運(yùn)條件，各方組織驗(yàn)收合格后進(jìn)行了風(fēng)機(jī)投運(yùn)前的性能測(cè)試工作，隨后在1月3日正式運(yùn)行。

改造后風(fēng)機(jī)電控系統(tǒng)滿足智慧礦井建設(shè)無(wú)人值守的技術(shù)要求，運(yùn)行過(guò)程中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的全部參數(shù)，包括運(yùn)行電流、電壓、頻率、功率、軸承溫度、設(shè)備振動(dòng)、系統(tǒng)負(fù)壓、全壓、風(fēng)量等。風(fēng)機(jī)在各種工況下，均能有效控制風(fēng)機(jī)的啟停，調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)的速度，降低快速啟動(dòng)/快速停車(chē)過(guò)程對(duì)機(jī)械和電氣系統(tǒng)的沖擊，抑制對(duì)機(jī)械設(shè)備造成的危害，延長(zhǎng)風(fēng)機(jī)的使用壽命。

3 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行分析

3.1 改造前后功率分析

為了驗(yàn)證技改后的實(shí)際效果，將改造后的風(fēng)機(jī)的運(yùn)行數(shù)據(jù)與同期原有風(fēng)機(jī)記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 風(fēng)機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)對(duì)照

由表1可以看出，在同等通風(fēng)風(fēng)量的條件下，原有高壓工頻運(yùn)行下風(fēng)機(jī)運(yùn)行電流比較大，隨著風(fēng)葉角度的增大，電機(jī)負(fù)載也在逐步加大，在最大角度下運(yùn)行的輸出功率幾乎接近電機(jī)額定功率；相反，改造后的風(fēng)機(jī)輸出功率明顯下降，運(yùn)行頻率在30 Hz和35 Hz下效果最為顯著，為原有負(fù)載的35%左右。

3.2 改造前后節(jié)能分析

在相同的風(fēng)量不同頻率條件下，對(duì)比分析實(shí)際工頻運(yùn)行與變頻運(yùn)行的能耗，以+3°條件為例：

1) 工頻消耗功率比值P1= (工頻運(yùn)行電流 / 額定運(yùn)行電流)×(額定功率 / 負(fù)載功率)×100% = (49.49/76.6)×(1 000/698.6)×100% = 92.48%；

2) 變頻消耗功率比值P2= (變頻運(yùn)行電流 / 額定運(yùn)行電流)×(額定功率 / 負(fù)載功率)×100% = (36.4/76.6)×(1 000/380)×100% = 125.1%；

3) 節(jié)電率為：(變頻消耗功率比值P2- 共頻消耗功率比值P1)/工頻消耗功率比值P1= (125.1%-92.48%)/92.48%=35.3%。

由以上計(jì)算數(shù)據(jù)可知，在技術(shù)改造后節(jié)電率明顯上升，變頻器驅(qū)動(dòng)對(duì)于電能利用效率明顯提高，節(jié)能效果明顯。

3.3 改造前后優(yōu)勢(shì)分析

1) 在主通風(fēng)機(jī)拖動(dòng)使用變頻調(diào)速后，減少了以往因?yàn)榫滤栾L(fēng)量變化而需要人為去現(xiàn)場(chǎng)調(diào)整風(fēng)機(jī)扇葉角度的工作量，現(xiàn)在只需要通過(guò)修改變頻器頻率就可以實(shí)現(xiàn)風(fēng)量調(diào)節(jié)，而且變頻驅(qū)動(dòng)，設(shè)備運(yùn)行平穩(wěn)。

2) 變頻啟動(dòng)操作簡(jiǎn)單方便，“一鍵啟動(dòng)”準(zhǔn)確快捷，減少了煤礦通風(fēng)機(jī)每月主備風(fēng)機(jī)切換的時(shí)間，消除了人為操作不當(dāng)造成的停機(jī)事故。

3) 改善了煤礦主通風(fēng)機(jī)設(shè)備運(yùn)行工況。采用變頻控制后，減小了電機(jī)啟動(dòng)時(shí)電流沖擊，避免了全磁通突加，使啟動(dòng)電流不會(huì)超過(guò)額定電流。因此，風(fēng)機(jī)變頻運(yùn)行解決了以前電機(jī)高壓直接啟動(dòng)時(shí)的大電流沖擊問(wèn)題，消除了啟動(dòng)電流對(duì)電機(jī)和傳動(dòng)系統(tǒng)的沖擊，確保了風(fēng)機(jī)的平穩(wěn)運(yùn)行，延長(zhǎng)了風(fēng)機(jī)使用壽命。

4 結(jié) 語(yǔ)

麥捷煤業(yè)主扇風(fēng)機(jī)通過(guò)高壓變頻器節(jié)能技術(shù)的成功改造，解決了以往高壓直接啟動(dòng)的諸多弊端，而且節(jié)能效果顯著，值得類似礦井借鑒。