礦井壓風(fēng)機(jī)節(jié)能運(yùn)行研究

高希睿

（山西汾西宜興煤業(yè)有限責(zé)任公司， 山西 孝義 032300）

引言

在礦井生產(chǎn)作業(yè)中，壓風(fēng)機(jī)與通風(fēng)機(jī)的能耗占據(jù)礦井能耗總量的三成以上，其中壓風(fēng)機(jī)能耗大的原因在于恒轉(zhuǎn)速運(yùn)行。雖然借助電機(jī)節(jié)電裝置和變頻技術(shù)能夠一定程度上實(shí)現(xiàn)節(jié)能，但由于壓風(fēng)機(jī)所使用交流異步電機(jī)存在啟動(dòng)性不佳、調(diào)速效率低、能耗大等缺點(diǎn)，節(jié)能效果相對(duì)有限。因此，有必要進(jìn)一步針對(duì)壓風(fēng)機(jī)的節(jié)能控制開展分析探究，使其能耗得到降低。

1 傳統(tǒng)控制方法節(jié)能分析

常規(guī)壓風(fēng)機(jī)采用交流異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，其調(diào)控方式主要有間歇啟停、閥門調(diào)節(jié)及溢流調(diào)節(jié)等形式。假設(shè)礦井活塞式空壓機(jī)選用132 kW異步電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng),則電機(jī)啟動(dòng)的控制方式為先關(guān)閉進(jìn)氣閥門，然后開啟放氣閥門，借助星三角降壓?jiǎn)?dòng)的方式啟動(dòng)電機(jī)，待電機(jī)達(dá)到額定轉(zhuǎn)速后，閉合放氣閥門并開啟進(jìn)氣閥門，隨后壓縮機(jī)啟動(dòng)工作。將溢流閥上限設(shè)定為0.5 MPa，則即使生產(chǎn)用氣量和空氣壓力持續(xù)變化，但只要超過設(shè)定的上限值，則溢流閥可始終保持溢流，電動(dòng)機(jī)維持額定壓力與轉(zhuǎn)速運(yùn)行[1]。

運(yùn)行時(shí)按照預(yù)定程序依次對(duì)各個(gè)儀表進(jìn)行檢測(cè)，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)壓力值，對(duì)各閥門和電機(jī)運(yùn)行進(jìn)行手動(dòng)調(diào)節(jié)。通過手動(dòng)調(diào)節(jié)的方式，壓風(fēng)機(jī)進(jìn)行卸荷運(yùn)行時(shí)不會(huì)生成壓縮氣體，電機(jī)保持空載運(yùn)行。圖1所示即為卸荷空載運(yùn)行時(shí)的監(jiān)測(cè)示意圖，三相電流峰值為82 A，有功功率最大值為25 kW，單位時(shí)間（1 min）耗電量為 0.34 kW·h。

圖1 卸荷空載運(yùn)行時(shí)能耗監(jiān)測(cè)示意圖

采用手動(dòng)方式對(duì)電機(jī)啟動(dòng)進(jìn)行控制，則壓風(fēng)機(jī)供氣量無法實(shí)現(xiàn)持續(xù)的動(dòng)態(tài)調(diào)控。當(dāng)井下用氣量出現(xiàn)頻繁變化時(shí)，高頻操作可能造成失誤的發(fā)生，從而使設(shè)備受損。此外，依靠手動(dòng)調(diào)控的方式啟停壓風(fēng)機(jī)，容易對(duì)電網(wǎng)和空壓機(jī)造成較大的沖擊。圖2所示即為星三角降壓?jiǎn)?dòng)監(jiān)測(cè)示意圖，降壓?jiǎn)?dòng)的三相電流最大值為400 A，是設(shè)備運(yùn)行額定電流的2倍。

圖2 星三角降壓?jiǎn)?dòng)時(shí)能耗監(jiān)測(cè)示意圖

采用交流異步電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的壓風(fēng)機(jī)，進(jìn)氣閥門開啟程度一般控制在1/3～2/3范圍內(nèi)。下頁圖3所示進(jìn)氣閥門開啟1/3時(shí)的能耗監(jiān)測(cè)示意圖，有圖片可知，三相電流最大值可達(dá)170 A，有功功率最大值為98 kW，單位時(shí)間（1 min）耗電量為0.16 kW·h。

2 開關(guān)磁阻電機(jī)節(jié)能運(yùn)行分析

基于壓縮機(jī)與開關(guān)磁阻電機(jī)運(yùn)行原理，可獲得下述關(guān)系式：

圖3 進(jìn)氣閥門開啟1/3時(shí)能耗監(jiān)測(cè)示意圖

式中：V 為排量，m3；qt為單位時(shí)間風(fēng)流流量，m3/min；pt為 t時(shí)瞬時(shí)壓力，Pa；nt為 t時(shí)瞬時(shí)轉(zhuǎn)速，r/min；Mt為 t時(shí)瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩，N·m；it為 t時(shí)瞬時(shí)電流，A；Kt為 t時(shí)瞬時(shí)力矩系數(shù)；Pt為t時(shí)瞬時(shí)輸入功率，kW；η為系統(tǒng)運(yùn)行效率[2]。

分析式（1）（2）（3）（4）可知，壓風(fēng)機(jī)風(fēng)量 qt同轉(zhuǎn)速nt存在正比例關(guān)聯(lián)，通過調(diào)控轉(zhuǎn)速便能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)風(fēng)量的調(diào)控；壓風(fēng)機(jī)風(fēng)壓pt同轉(zhuǎn)矩Mt及電流it的平方之間存在正比例關(guān)聯(lián)，通過調(diào)控電流it的斬波值便能實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)壓pt的調(diào)控；電機(jī)輸入功率Pt同轉(zhuǎn)速nt和風(fēng)壓pt的乘積存在正比例關(guān)聯(lián)，若風(fēng)壓保持穩(wěn)定，則通過調(diào)節(jié)輸入功率便能實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。

對(duì)轉(zhuǎn)速nt和風(fēng)壓pt數(shù)值進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并依照上述公式對(duì)壓風(fēng)機(jī)電機(jī)轉(zhuǎn)速和作業(yè)電流進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)字化調(diào)控，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)壓風(fēng)機(jī)運(yùn)行風(fēng)壓與風(fēng)量的實(shí)時(shí)數(shù)字化調(diào)控，最大化規(guī)避多余能量的不必要損失，從而確保節(jié)能控制效果的最佳化[3]。

圖4所示即為可完成上述控制目標(biāo)的磁阻開關(guān)電機(jī)及配套控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。將壓力表同電動(dòng)機(jī)控制端的模擬量輸入模塊相連，通過光電隔離的方式實(shí)現(xiàn)角位移同可編程邏輯器的相連，同時(shí)借助軟件轉(zhuǎn)化相關(guān)數(shù)據(jù)，控制轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)壓風(fēng)機(jī)風(fēng)量和風(fēng)壓的全封閉反饋調(diào)控。其中轉(zhuǎn)速的調(diào)控是SRD控制裝置借由IGBT驅(qū)動(dòng)控制電路的導(dǎo)通，對(duì)電流斬波值的開閉進(jìn)行調(diào)控而實(shí)現(xiàn)。

3 壓風(fēng)機(jī)節(jié)能運(yùn)行監(jiān)測(cè)分析

壓風(fēng)機(jī)在開關(guān)磁阻電機(jī)的驅(qū)使下將進(jìn)氣閥門開至最大，使用數(shù)字壓力表對(duì)運(yùn)行壓力值進(jìn)行監(jiān)測(cè)并實(shí)時(shí)反饋至控制中心。調(diào)高溢流閥壓力，當(dāng)壓力值高于設(shè)定值時(shí)，電機(jī)電流數(shù)值降低，促使壓力保持穩(wěn)定，不發(fā)生溢流現(xiàn)象，從而避免閥門調(diào)節(jié)的情況下保證壓風(fēng)機(jī)持續(xù)保持節(jié)能作業(yè)。

圖4 磁阻開關(guān)電機(jī)及配套控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

壓風(fēng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)，開關(guān)磁阻電機(jī)帶載啟動(dòng)，開展調(diào)速運(yùn)行。選用數(shù)字功率計(jì)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，20 s實(shí)現(xiàn)帶載啟動(dòng)，轉(zhuǎn)速由0增加至1 000 r/min。其中轉(zhuǎn)速為350 r/min時(shí)，三相電流峰值為153 A，有功功率最大值為 90 kW，單位時(shí)間（1 min）耗電量為 0.54 kW·h，如圖5所示；當(dāng)轉(zhuǎn)速介于500～630 r/min加速運(yùn)行階段時(shí)，三相電流峰值自100 A迅速提升至116 A，有功功率最大值自45 kW迅速提升至58 kW，單位時(shí)間（1 min）耗電量為0.88 kW·h，如圖6所示；當(dāng)轉(zhuǎn)速介于820～930 r/min加速運(yùn)行階段時(shí)，三相電流峰值自146 A迅速提升至165 A，有功功率最大值自75 kW迅速提升至89 kW，單位時(shí)間（1min）耗電量為0.136 kW·h，如下頁圖7所示，功率消耗同公式（3）相符[4-5]。

通過圖5—圖7的電能波形分析可知，使用開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，低俗運(yùn)行階段，電機(jī)能耗出現(xiàn)顯著下降。對(duì)比分析開關(guān)磁阻電機(jī)使用前后，壓風(fēng)機(jī)能耗數(shù)據(jù)可知相較于異步交流電機(jī)，可節(jié)能50%以上[6]。

圖5 壓風(fēng)機(jī)350 r/min時(shí)能耗監(jiān)測(cè)示意圖

圖6 壓風(fēng)機(jī)500～630 r/min時(shí)能耗監(jiān)測(cè)示意圖

圖7 壓風(fēng)機(jī)820～930 r/min時(shí)能耗監(jiān)測(cè)示意圖

4 結(jié)語

常規(guī)壓風(fēng)機(jī)電機(jī)運(yùn)行時(shí)由于時(shí)刻保持恒速運(yùn)行會(huì)造成嚴(yán)重的能量浪費(fèi)現(xiàn)象。開關(guān)磁阻電機(jī)及配套控制系統(tǒng)能夠基于壓風(fēng)機(jī)風(fēng)量、風(fēng)壓同其轉(zhuǎn)速、電流間的關(guān)聯(lián)性，對(duì)壓風(fēng)機(jī)的運(yùn)行進(jìn)行數(shù)字化調(diào)控，從而最大化規(guī)避能量損失，充分節(jié)約能耗。