變頻調(diào)速技術(shù)在對(duì)旋式軸流通風(fēng)機(jī)節(jié)能中的應(yīng)用

李逍遙

（華陽(yáng)集團(tuán)泊里公司安監(jiān)通風(fēng)部，山西 晉中 032700）

1 概 況

主扇風(fēng)機(jī)是煤礦企業(yè)為井下送風(fēng)的主要設(shè)備，設(shè)備性能的優(yōu)劣與安全生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)效益緊密相關(guān)。對(duì)旋式軸流通風(fēng)機(jī)具有高效、高壓、低噪音、安裝簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，在煤礦井下開(kāi)采中廣泛應(yīng)用。受傳統(tǒng)研發(fā)局限性和設(shè)計(jì)、選型等因素影響，泊里煤礦對(duì)旋式軸流通風(fēng)機(jī)設(shè)備效率不高、能耗較大，存在“大馬拉小車(chē)”的現(xiàn)象。為解決這一問(wèn)題，擬該礦對(duì)旋式軸流通風(fēng)機(jī)進(jìn)行變頻改造，以降低能耗。

2 對(duì)旋式軸流通風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)

泊里煤礦對(duì)旋式軸流通風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。可以看出，對(duì)旋式軸流通風(fēng)機(jī)有2 個(gè)直徑、輪轂比、轉(zhuǎn)速形同，但旋向相反的葉輪，由2 個(gè)電機(jī)分別進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，可根據(jù)需求的風(fēng)壓、風(fēng)量的不同，進(jìn)行前置葉輪、后置葉輪同時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)；前置葉輪運(yùn)轉(zhuǎn)、后置葉輪停止；后置葉輪運(yùn)轉(zhuǎn)、前置葉輪停止。通常后兩種運(yùn)行方式效率低、噪音大，一般不選用。

圖1 礦用對(duì)旋式軸流局部通風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagram of mine counter-rotating axial flowlocal fan

傳統(tǒng)軸流風(fēng)機(jī)的核心部件是葉輪，近些年對(duì)軸流風(fēng)機(jī)的改造基本都在葉輪上，如增加葉輪、改變?nèi)~片形狀、增設(shè)導(dǎo)葉片等，均未能大幅度提高風(fēng)機(jī)效率，其根本原因在于無(wú)法降低風(fēng)流在風(fēng)機(jī)中的流動(dòng)阻力，而對(duì)旋式軸流風(fēng)機(jī)可以解決這一問(wèn)題。對(duì)旋式軸流風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)中無(wú)導(dǎo)葉片，風(fēng)流運(yùn)動(dòng)阻力大幅下降，風(fēng)機(jī)效率提升，而且在相同的通風(fēng)要求條件下，風(fēng)機(jī)尺寸可以做的更小，同時(shí)，雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)可以降低電控系統(tǒng)的單機(jī)最大負(fù)荷，對(duì)電控系統(tǒng)的技術(shù)等級(jí)要求也隨之下降，減少風(fēng)機(jī)供電和電控設(shè)備的成本投入。

3 變頻調(diào)速節(jié)能原理

隨著電子技術(shù)、信息技術(shù)、現(xiàn)代控制理論的發(fā)展，變頻調(diào)速系統(tǒng)得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，是節(jié)能降耗的重要舉措。對(duì)泊里煤礦對(duì)旋式軸流風(fēng)機(jī)進(jìn)行變頻改造，將電機(jī)調(diào)速、計(jì)算機(jī)控制等技術(shù)進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，當(dāng)工作面用風(fēng)需求變化時(shí)，可以自動(dòng)調(diào)速，將電機(jī)轉(zhuǎn)速控制在合理范圍內(nèi)，減少耗電量。變頻調(diào)速技術(shù)具有調(diào)速效率高、可調(diào)范圍廣、調(diào)節(jié)精度高、啟動(dòng)電流小、易于進(jìn)行閉環(huán)控制等特點(diǎn)。變頻改造過(guò)程中，不需要更換原有電機(jī)，既減少的改造費(fèi)用投入，同時(shí)又減少了改造工作量，是一種理想的調(diào)速改造技術(shù)。

交流異步電機(jī)轉(zhuǎn)速公式：

式中：n 為電機(jī)轉(zhuǎn)速；s 為轉(zhuǎn)差率；p 為定子磁極對(duì)數(shù)；f 為電源頻率。

p、s 是電機(jī)的固有參數(shù)，由式（1）可知，n和f 呈正比例關(guān)系，電源頻率改變，則電機(jī)轉(zhuǎn)速隨之發(fā)生變化。

當(dāng)工作面用風(fēng)量減少時(shí)，降低電源頻率，可以將低耗電量。根據(jù)泊里煤礦對(duì)旋式軸流風(fēng)機(jī)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，風(fēng)量和轉(zhuǎn)速均為90%時(shí)，實(shí)際功率為額定功率的73%；風(fēng)量和轉(zhuǎn)速均為80%時(shí)，實(shí)際功率為額定功率的51%；風(fēng)量和轉(zhuǎn)速均為70%時(shí)，實(shí)際功率為額定功率的34%；風(fēng)量和轉(zhuǎn)速均為60%時(shí)，實(shí)際功率為額定功率的21%。由此可知，電機(jī)轉(zhuǎn)速降低，其耗電量明顯下降。對(duì)旋式軸流通風(fēng)機(jī)節(jié)能調(diào)節(jié)原理，如圖2 所示。

圖2 對(duì)旋式軸流通風(fēng)機(jī)節(jié)能調(diào)節(jié)原理Fig.2 Energy saving regulation principle of counter-rotating axial flowfan

風(fēng)機(jī)處在管道阻力最小工作狀態(tài)A 點(diǎn)時(shí)，對(duì)應(yīng)的流量、壓力、轉(zhuǎn)速分別為Q1、p1、n1。該狀態(tài)下風(fēng)機(jī)功率與Q1×p1的乘積呈正比例關(guān)系。當(dāng)生產(chǎn)所需風(fēng)量減少，由Q1減小到Q2時(shí)，進(jìn)行風(fēng)門(mén)開(kāi)度調(diào)整，提高管道風(fēng)阻，降低通風(fēng)量。此時(shí)風(fēng)機(jī)工作狀態(tài)由A 點(diǎn)轉(zhuǎn)至B 點(diǎn)，對(duì)應(yīng)的流量、壓力、轉(zhuǎn)速分別為Q2、p2、n1。此時(shí)風(fēng)量減少（Q2＜Q1），風(fēng)壓有所增加（p2＞p1）。該狀態(tài)下風(fēng)機(jī)功率與Q2×p2的乘積呈正比例關(guān)系。此時(shí)風(fēng)機(jī)消耗功率無(wú)明顯變化，調(diào)節(jié)風(fēng)門(mén)控制通風(fēng)量，顯然不利于節(jié)能。

采用變頻器進(jìn)行電機(jī)調(diào)速，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速由n1降低至n2，管道阻力未發(fā)生變化，此時(shí)風(fēng)機(jī)工作狀態(tài)由A 點(diǎn)轉(zhuǎn)至C 點(diǎn)，對(duì)應(yīng)的流量、壓力、轉(zhuǎn)速分別為Q2、p3、n2。風(fēng)量未發(fā)生改變（Q2），風(fēng)壓有所下降（p3＜p1）。該狀態(tài)下風(fēng)機(jī)功率與Q2×p3的乘積呈正比例關(guān)系，風(fēng)機(jī)所需功率明顯下降。

4 對(duì)旋式軸流通風(fēng)機(jī)節(jié)能的計(jì)算

查閱GB12497-2006《三相異步電動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行》，對(duì)電機(jī)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行管理的規(guī)定有如下的計(jì)算公式。

調(diào)節(jié)流量對(duì)應(yīng)電動(dòng)機(jī)輸入功率P1V與流量Q 的關(guān)系，見(jiàn)式（2）。

式中：P1e為額定流量時(shí)電機(jī)輸入功率，kW；QN為額定流量，m3/s。

節(jié)電率為：

泊里煤礦對(duì)旋式軸流通風(fēng)機(jī)型號(hào)為FBDCZ(A)No18，風(fēng)量為21.4～67.4 m3/s，配套電機(jī)Y315M2-6，功率185 kW×2。

取Q/QN=0.65，由式（3）計(jì)算可得：

由式（2）計(jì)算可得

采用風(fēng)門(mén)進(jìn)行風(fēng)量調(diào)節(jié)時(shí)的消耗功率為126.24 kW，變頻器調(diào)節(jié)風(fēng)量相對(duì)風(fēng)門(mén)調(diào)節(jié)的節(jié)電率為0.6。

年節(jié)約用電量（以300 d 工作日計(jì)算）=年工作日×小時(shí)數(shù)×功率×節(jié)電率=300×24×126.24×0.6=545 356.8 kW·h；年節(jié)約電費(fèi)（以0.5 元/度計(jì)算）=電費(fèi)單價(jià)×電量=0.5×545 356.8=272 678.4 元。

改造設(shè)備資金投入。變頻調(diào)速柜1 臺(tái)、內(nèi)置森蘭BT40S80kW 變頻器1 臺(tái)、電表、熔斷器、指示燈等，合計(jì)9.7 萬(wàn)元。投資回報(bào)期=改造資金投入/年節(jié)約電費(fèi)=97 000/194 558.76=0.36 a，即4個(gè)月。

上述計(jì)算可知，泊里煤礦對(duì)旋式軸流通風(fēng)機(jī)經(jīng)變頻改造后，每年可節(jié)約電費(fèi)27.27 萬(wàn)元，變頻改造投入資金9.7 萬(wàn)元，投資回報(bào)周期為4 個(gè)月，經(jīng)濟(jì)效益可觀。

5 實(shí)踐應(yīng)用

該通風(fēng)機(jī)變頻改造在泊里煤礦實(shí)際應(yīng)用后，消耗功率明顯下降，具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

由表1 可知，前置、后置葉輪同時(shí)進(jìn)行變頻調(diào)速耗電量得到大幅下降。頻率為50 Hz 時(shí)，功率為181.38 kW，頻率為40 Hz 時(shí)，功率為95.96 kW，年節(jié)約電量615 024 kW·h，節(jié)省電費(fèi)約30.85 萬(wàn)元，與理論計(jì)算27.26 萬(wàn)元基本吻合，投資回報(bào)期為4 個(gè)月。

6 結(jié) 語(yǔ)

對(duì)旋式軸流通風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速，是通過(guò)改變電機(jī)頻率實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的改變，從而控制通風(fēng)機(jī)風(fēng)量輸出，變頻調(diào)速效率高、無(wú)轉(zhuǎn)差損耗、調(diào)速范圍廣、精度高，能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)極調(diào)速，易于進(jìn)行閉環(huán)控制。實(shí)踐表明，泊里煤礦對(duì)旋式軸流通風(fēng)機(jī)經(jīng)過(guò)變頻改造后，節(jié)電效果顯著，能較好的適應(yīng)生產(chǎn)需求，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速下降，風(fēng)阻降低，減少了設(shè)備的磨損，延長(zhǎng)了設(shè)備使用壽命，減少了設(shè)備維護(hù)工作量，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。