華陽一礦主扇風機高效運行的應用研究

李鑫

（華陽一礦 機電工區(qū)，山西 陽泉 045000）

1 概況

煤礦井下開采作業(yè)中，礦井通風是保障安全生產(chǎn)的重要方面。巷道的風量和通風網(wǎng)絡阻力時常發(fā)生變化，須根據(jù)實際工況進行通風機轉(zhuǎn)速調(diào)整以滿足生產(chǎn)需要。因此為確保安全生產(chǎn)，大多礦井在實際選配風機時，會提高風機的富余量，然后再依靠不同的調(diào)節(jié)措施進行風量調(diào)節(jié)，例如軸流風機改變?nèi)~片安裝角度、離心式風機改變前導器葉片轉(zhuǎn)角、調(diào)節(jié)風門閘板等。但這一做法不僅風機成本較高，配套的調(diào)節(jié)措施也較為機械化，存在調(diào)節(jié)范圍窄、能耗高等問題，運行效率不高。

目前大部分煤礦采用的軸流式風機在啟動時，風門處于全開狀態(tài)，啟動負荷較大，啟動過程中飛輪慣性大、啟動轉(zhuǎn)矩大、啟動電流高、啟動困難，不利于通風機的安全運行。

對上述礦井風機普遍存在的運行效率不高和啟動不穩(wěn)定的問題進行分析研究。依照風機特性，優(yōu)化通風機的效率可采取2 種途徑實現(xiàn)：合理布局巷道通風網(wǎng)絡，最大限度降低風阻（此非本文研究內(nèi)容，不做贅述）；選用適當?shù)娘L量調(diào)節(jié)模式，讓通風機和通風網(wǎng)絡匹配合理，確保通風機在高效區(qū)間內(nèi)運轉(zhuǎn)。諸多實踐表明，轉(zhuǎn)速調(diào)整是通風機高效運行的最佳模式，而變頻技術的快速發(fā)展，是電動機轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的一大助力，其調(diào)速性能優(yōu)越，兼具軟啟性能，在通風機應用具有較大前景。

2 風機調(diào)速節(jié)能原理及啟動特性分析

2.1 風機調(diào)速節(jié)能原理

風機運行工況點曲線如圖1所示。

圖1 風機運行工況點比較Fig.1 Comparison of fan operating point

由圖1可知，曲線1 為通風機在全速運行情況下的風壓—風量特性，曲線2 為風門全開情況下的管網(wǎng)特性。曲線1、2 的交點A 表示自然運行工況點，此時風壓為H1、風量為Q1。若井巷所需通風量為Q2，采用風門控制管道風阻達到所需風量，得到特性曲線3，曲線3 和曲線1 相交于B點，此時風量為Q2，該狀態(tài)下風壓增加到H2。通過對電動機轉(zhuǎn)速的控制進行風量調(diào)整，得出特性曲線4，曲線4、2 相交于C 點，也可獲得所需風量Q2，此時風壓下降至H3。假設通風機在A、B、C 各工況點工作時，機械和電氣方面的效率相等，3 個工況點消耗電量和對應工況點的風量及風壓的呈正比例關系，即和矩形AH10Q1、BH20Q2、CH30Q2的面積呈正比關系。由此可見，通過對電動機轉(zhuǎn)速調(diào)整的方式調(diào)節(jié)風量，其節(jié)能效果優(yōu)于風門控制風量的方式。

2.2 風機啟動特性分析

太宰治：我的不幸，恰恰在于我缺乏拒絕的能力。我害怕一旦拒絕別人，便會在彼此心里留下永遠無法愈合的裂痕。

車間中3種待加工工件的加工批量、到達時間、交貨期、在搬運設備上的額定容量如表2所示，所有工序完工后需搬運至車間質(zhì)檢中心進行人工質(zhì)檢，質(zhì)檢完成后搬運至下一工序所選機床處。車間機床的型號、功率以及與質(zhì)檢中心的距離如表3所示，搬運設備額定功率及運輸速度如表4所示，輔助物料能耗相關系數(shù)如表5所示，工序加工所用刀具的質(zhì)量信息如表6所示，工件所有工藝路線下每個工序的可選機床、刀具集、夾具集以及工序加工能耗、工序加工時間等信息如表7所示。

圖2 風機半S 形啟動速度Fig.2 Semi-S-shaped starting speed of fan

3 常用調(diào)速方式比較

雪落得最密的那年冬天，我生了一場大病。父親卻跟一幫人去了南方做生意。我躺在床上，人燒得迷糊，一個勁兒地叫：“爸爸，爸爸……”母親求人捎了口信去，說我病得很重，讓父親快回家，但父親沒有回。

通過對上述3 種調(diào)速方式進行比較，可以看出變頻調(diào)速技術綜合效果最佳，具有良好的調(diào)速性能、兼容性好，并且可以進行軟啟動，一套裝置可同時解決設備調(diào)速及設備軟啟，應用于主扇風機是一種可行性較好的調(diào)速方案。本文據(jù)此對華陽一礦MAF-3000/1700-1G 型風機進行變頻優(yōu)化改進。

焦坤向記者解釋說，倍豐農(nóng)資集團在當前階段進駐農(nóng)業(yè)肥領域，就行業(yè)整體發(fā)展趨勢而言稍顯晚了一些，但又不太晚。首先，兩大集團公司強強聯(lián)手，雙品牌站臺撐腰，其信譽保證與綜合實力的優(yōu)勢自不必多說。

（2） 串級調(diào)速。該調(diào)節(jié)方式的特點是調(diào)速平滑、調(diào)節(jié)效率高，并且資金投入較少。通常采取高壓調(diào)速、低壓控制的方式，一旦調(diào)速設備出現(xiàn)異常時，可及時調(diào)整為全速運行。不足之處在于可調(diào)節(jié)范圍區(qū)間小（70%～95%），諧波污染較為嚴重，功率因數(shù)不高，維護難度系數(shù)大，不能進行軟啟動。

軟啟動實質(zhì)是啟動過程中讓電動機緩慢加速，直至達到工作需求，實現(xiàn)啟動過程的平穩(wěn)過渡、平滑加速，減少對設備的沖擊；并且降低電機的起動電流，防止電機絕緣損壞、沖擊電網(wǎng)。

4 變頻調(diào)速在煤礦主扇風機中的應用

以華陽一礦陽坡堰MAF-3000/1700-1G 型風機為研究對象，該風機主要參數(shù)見表1。

表1 MAF-3000/1700-1G 通風機主要參數(shù)Table 1 MAF-3000/1700-1G fan main parameters

（3） 具有就地、遠程、上位機3 種控制模式，可任意切換，用戶根據(jù)需要自行選擇。在風機運行平穩(wěn)的狀態(tài)下，用戶優(yōu)先將變頻器控制模式切換到遠程或上位機狀態(tài)，在集控室進行操控；當現(xiàn)場需要進行手動控制變頻器或系統(tǒng)調(diào)試時，將變頻器切換至就地控制模式，然后進入人機界面進行相應操作。

4.1 變頻器主要技術特點

（1） HIVERT-YK06 130 型高壓變頻器為寬電壓設計，允許電壓存在一定的波動，一般在電網(wǎng)電壓額定值的80%～115%均可正常工作。該變頻器具備電網(wǎng)掉電狀態(tài)下的保護設置，斷電時間小于1 s 時，變頻器可持續(xù)運行；當斷電時間過長后恢復供電時，具有高壓失電自啟功能。

（1） 液力耦合器。液力耦合器又稱液力聯(lián)軸器，是一種以液體作為工作介質(zhì)的非剛性聯(lián)軸器，其特點是可實現(xiàn)無極調(diào)速、可調(diào)節(jié)范圍廣，適用于大容量風機的轉(zhuǎn)速調(diào)整。液力耦合器可以實現(xiàn)電機的空載啟動，為柔性啟動方式。在高速運轉(zhuǎn)的設備上應用液力耦合器較節(jié)流調(diào)節(jié)的節(jié)能效果更加顯著。液力耦合器不足之處在于設備體積相對較大，發(fā)熱量高；低速運行過程中轉(zhuǎn)差損耗偏大，傳動效率、調(diào)節(jié)精度不高。

此方法需要把各方面變動所形成的差距聯(lián)系到一起，然后再逐一進行分析，整個過程的關鍵點在于需要確定“虧損邊界點”，然后在對其展開工作，需要注意的是，動態(tài)上所出現(xiàn)的變動因素與單位的盈虧是存在一定關聯(lián)的，而這對單位從經(jīng)營決策中采取相應措施有很大的幫助。

（4） 具有電機過流、變頻器限流及過流、單元過壓、過熱保護等功能，為電氣設備的安全運行奠定基礎。

（5） 采用空間矢量控制正弦波PWM 技術，響應速度快、調(diào)節(jié)精度高，輸出的正弦波形完美，有效減少諧波輸出。

4.2 風機高效運行的調(diào)節(jié)

按照華陽一礦陽坡堰日常生產(chǎn)通風量、負壓和現(xiàn)階段風機工作狀態(tài)，結(jié)合設備不同葉片安裝角度下的性能曲線，讓各個工況點應位于高效區(qū)（系統(tǒng)效率≥80%）；若工況點位于低效區(qū)，則調(diào)整葉片安裝角度，使得工況點處于高效區(qū)。

通風機進行變頻改造后，先將通風機葉片角度微調(diào)，讓工況點處于高效區(qū)，然后在滿足安全生產(chǎn)風量要求的前提下，降低風機轉(zhuǎn)速。華陽一礦根據(jù)實際情況，不斷優(yōu)化調(diào)整風機葉片角度和轉(zhuǎn)速的組合，最終讓風機效率基本處于82%左右，實現(xiàn)了有效風量和高效率的雙重目標。針對高速低效風機運行狀態(tài)，可通過增大風葉安裝角度、降低轉(zhuǎn)速的方式達到使用需求。

變頻器設定為開環(huán)定速運行，依照現(xiàn)場通風需求隨時調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速。頻率調(diào)整范圍0～60 Hz，分辨率0.01 Hz，調(diào)速平穩(wěn)、易于操作、效率高。

4.3 穩(wěn)定的軟啟特性

HIVERT-YK06 130 型高壓變頻器帶有軟啟特性，具有多種啟動曲線，根據(jù)上文研究，通風機最適合半S 形加速曲線，加速時間在2～1 600 s 連續(xù)可調(diào)，最大啟動電流為額定電流的1.3 倍左右，對電網(wǎng)的沖擊較小，確保了電網(wǎng)的安全穩(wěn)定性。采取低速轉(zhuǎn)矩補償技術，使其低速狀態(tài)下仍然具有較好的轉(zhuǎn)矩輸出，且穩(wěn)定性也較好。

改造后的變頻通風機可平穩(wěn)啟動風機，風機噪音、振動顯著下降，減少了檢修維護作業(yè)量，延長了設備使用壽命，提高了風機的安全性和可靠性。

5 結(jié)語

根據(jù)礦井主扇風機高效運行和穩(wěn)健啟動這兩個基本要求，對礦井風機調(diào)速原理和方式，以及風機啟動特性進行研究，表明變頻調(diào)速方式是目前最適合的調(diào)速方式，以半S 形速度曲線進行啟動加速度的控制相對合理。根據(jù)這些研究對華陽一礦陽坡堰MAF-3000/1700-1G 型風機進行變頻改造，選用HIVERT-YK06 130 型高壓變頻器。改造后的變頻通風機效率可長期保持在82%左右，有效提高了風機運行效率，同時可平穩(wěn)啟動風機，風機噪音、振動顯著下降，減少了檢修維護作業(yè)量，延長了設備使用壽命，提高了風機的安全性和可靠性。