煤礦智能局部通風機控制系統(tǒng)探討

翟偉濤

（晉能控股裝備制造集團智能制造事業(yè)部， 山西 晉城 048000）

引言

山西煤礦煤層賦存條件復雜多變且瓦斯含量高，隨著開采深度的增大煤層瓦斯壓力增高，煤層透氣性降低，地質構造復雜，煤層瓦斯不易在開采前抽放，在采掘過程中瓦斯排放量大、速度快，瓦斯突然涌出和不均勻涌出事件頻率增加。因此，在我國煤礦生產條件下要防治瓦斯事故的發(fā)生，必須對瓦斯的不均勻涌出狀況進行及時監(jiān)測、正確分析并實施調控，提高通風系統(tǒng)可靠性和應變能力。

1 煤礦局部通風系統(tǒng)

在新建、擴建或者生產礦井中，都需要開掘大量的井巷工程，以便準備開拓系統(tǒng)、新的采區(qū)及新的工作面。在掘進巷道時，為了稀釋并排出掘進工作面涌出的有害氣體及綜掘時產生的礦塵，創(chuàng)造良好的條件，保證作業(yè)人員的健康與安全，就必須不斷地對掘進工作面進行通風，應用局部風機將新鮮空氣送入掘進工作面，同時將工作面中的污濁空氣排出，這種通風稱為局部通風。

以晉能控股煤業(yè)集團寺河礦煤業(yè)為例，因寺河礦是煤與瓦斯突出礦井，為了保證局部通風機的安全性，一般采用壓入式通風，利用局部通風機將新鮮風流吸入，經風筒送至掘進工作面，污風由巷道直接排出，不通過局部通風機，這樣由風筒吹出的射流清洗工作面的能力強，通風效果好，缺點是排放時間長，所需風量多[1-2]。壓入式通風如圖1 所示。

圖1 壓入式通風

2 煤礦局部通風機的節(jié)能現(xiàn)狀

據(jù)統(tǒng)計，我國煤炭工業(yè)綜合電力消耗56.18 kW·h/年，年耗電325 億kW·h/年。主要電力消耗為礦井提升機、各類風機、水泵系統(tǒng)，僅通風機和排水泵兩項耗電占生產耗電的44%，通風耗電占15%～25%，排水泵耗電占10%～30%.

目前，大多數(shù)的風機變速機構比較落后，多數(shù)采用調節(jié)門調節(jié)風量，隨著技術的進步，盡管有的風機內效率較高（達86%以上），但是其綜合效率卻不足30%，造成了大量的電力損耗，隨著變頻器在風機中的應用，大大提高了風機的運行效率，但是應用的數(shù)量極其有限。

利用變頻器可以根據(jù)電機負載的變化實現(xiàn)自動、平滑的增速和減速，與其他調速技術相比，主要有以下特點：節(jié)能效果顯著；控制精確，調速平滑性好，調速范圍寬，工作效率高；氣動電流小，對電網(wǎng)干擾較??；保護功能強，有欠壓、過壓、過流、過載、短路等多種保護。

隨著電力電子技術的不斷發(fā)展，變頻調節(jié)技術日益成熟，變頻器技術迅速發(fā)展，變頻器在自控領域都得到了廣泛的應用。但是由于煤礦生產的特殊環(huán)境和安全上的特殊要求，變頻器在煤礦的應用起步比較晚。目前晉能控股裝備制造集團旗下已有多個專業(yè)變頻器生產企業(yè)，但井下的變頻器應用案例多為井下中重型裝備，在風機、水泵及空壓系統(tǒng)上應用較少，煤礦的節(jié)能潛力仍然巨大。

3 煤礦智能局部通風機控制系統(tǒng)的實現(xiàn)

智能控制系統(tǒng)的基本工作流程為：安裝在掘進工作面附近的瓦斯傳感器根據(jù)工作面瓦斯?jié)舛龋瑢⑼咚節(jié)舛刃盘栟D變成電信號，經采集與放大電路模塊放大后輸入到PLC 的輸入口，經PLC 分析處理與相應的運算處理后，與設定的瓦斯?jié)舛冗M行比較，PLC 按照程序設置計算出所需供應風量，經通訊將控制命令發(fā)給變頻器控制單元，控制變頻器工作給局部通風機供電，從而實現(xiàn)智能通風?？刂葡到y(tǒng)結構如圖2 所示。

圖2 控制系統(tǒng)結構圖

4 變頻調速系統(tǒng)控制方式的選用

在實際的生產中，因變頻器的選型和電動機的種類，會出現(xiàn)多種的變頻器調速方案。綜合考慮設備的穩(wěn)定性與經濟性的情況，只論述使用交—直—交變頻器和三相異步電動機的情況。

1）開環(huán)控制的通用變頻器三相異步電動機變頻調速系統(tǒng)控制圖如圖3 所示。

圖3 開環(huán)異步機變頻調速

2）無轉速反饋機制的矢量控制變頻器三相異步電動機開環(huán)變頻調速系統(tǒng)控制圖如圖4 所示。

圖4 矢量變頻器變頻調速

3）帶轉速反饋機制的矢量控制變頻器三相異步電動機閉環(huán)變頻調速系統(tǒng)控制圖如圖5 所示。

圖5 異步電動機閉環(huán)控制變頻調速

在對比三種常用控制方案的基礎上可知，生產局部通風機、水泵這類一般要求不高的機械時，采用開環(huán)控制系統(tǒng)，具有控制電路結構簡單、方便井下現(xiàn)場處理等優(yōu)點，在綜合考慮調速精度和響應速度的方面，由于矢量控制技術日趨成熟，使用無轉速反饋機制的矢量控制變頻器可以分別對異步電動機的磁通和轉矩電流進行檢測、控制，自行改變電壓和頻率，具有控制結構簡單、可靠性高的突出優(yōu)勢[3-4]。

5 結語

井下局部通風機在煤礦普遍應用，并且耗能較高，每年需求量在數(shù)千臺以上，但在性能調節(jié)上，一直停滯不前。電機系統(tǒng)節(jié)能是國家發(fā)改委啟動的十大重點節(jié)能工程之一。在新能源改革的背景下，成本控制成為了大型煤礦集團間競爭的核心要素之一，必須要解決煤礦機電設備高耗能的現(xiàn)狀，煤礦智能局部通風機控制系統(tǒng)可大大降低能耗，同時提升局部通風機使用壽命，具有較好的發(fā)展前景。