煤礦通風(fēng)機(jī)變頻特性實(shí)驗(yàn)及實(shí)例分析

郭全武

（陽泉煤業(yè)（集團(tuán)）平定東升興裕煤業(yè)有限公司， 山西 陽泉 045000）

0 引言

通風(fēng)系統(tǒng)的穩(wěn)定、高效運(yùn)行是保證煤礦安全生產(chǎn)的重要基礎(chǔ)。通風(fēng)機(jī)在礦井工作面保持持續(xù)運(yùn)行狀態(tài)，而且其能耗占據(jù)所有設(shè)備能耗的15%～30%之間。目前，工作面通風(fēng)機(jī)的運(yùn)行效率普遍較低，主要是由于通風(fēng)機(jī)的實(shí)際工況與設(shè)備的出廠設(shè)計工況偏離嚴(yán)重，而且為了滿足工作面的通風(fēng)要求，通風(fēng)機(jī)始終保持著困難時期的風(fēng)量工作，從而導(dǎo)致其在通風(fēng)“容易”時期出現(xiàn)了“大馬拉小車”的情況。通風(fēng)機(jī)的變頻調(diào)速控制可以解決上述問題，但是其僅是局限于通風(fēng)機(jī)某個確定葉片安裝角度開展研究的。因此，將開展通風(fēng)機(jī)變頻特性實(shí)驗(yàn)研究，重點(diǎn)對不同運(yùn)行頻率下和不同葉片安裝角度下通風(fēng)機(jī)的性能進(jìn)行測試。

1 通風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速概述

目前，可將煤礦綜采工作面的通風(fēng)機(jī)分為主通風(fēng)機(jī)、局部通風(fēng)機(jī)和輔助通風(fēng)機(jī)三大類；根據(jù)結(jié)構(gòu)及其工作原理的不同，可將通風(fēng)機(jī)分為軸流式通風(fēng)機(jī)和離心式通風(fēng)機(jī)[1-2]。本文以軸流式通風(fēng)機(jī)為例開展研究，其基本結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 軸流式通風(fēng)機(jī)基本結(jié)構(gòu)示意圖

一般情況下，通過通風(fēng)機(jī)的風(fēng)量、軸功率、電機(jī)轉(zhuǎn)速、風(fēng)壓以及通風(fēng)效率等參數(shù)對其性能進(jìn)行綜合評判。關(guān)鍵的評判標(biāo)準(zhǔn)如下：通風(fēng)機(jī)在工況點(diǎn)的靜壓效率大于其最高工作效率的70%以上；通風(fēng)機(jī)的在工作中的風(fēng)壓小于其最大風(fēng)壓的90%；通風(fēng)機(jī)的實(shí)際葉輪工作轉(zhuǎn)速不得超過其額定轉(zhuǎn)速。

目前，針對通風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速相對成熟的控制方式包括有恒壓頻比控制方式、矢量控制方式以及直接轉(zhuǎn)矩控制方式。而且，可控制的對象包括通風(fēng)機(jī)的電機(jī)磁極對數(shù)、轉(zhuǎn)差率以及電機(jī)頻率等。其中，當(dāng)通過控制電機(jī)磁極對數(shù)實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速功能時，要求所配套的電機(jī)為無極調(diào)速電機(jī)才行，且其對應(yīng)的調(diào)速效果一般；通過改變轉(zhuǎn)差率實(shí)現(xiàn)調(diào)速功能時，在實(shí)際應(yīng)用中存在調(diào)速范圍小的缺陷；因此，當(dāng)前主要是對電源頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)控制，即將變頻器與電機(jī)配套使用，通過對電機(jī)運(yùn)行頻率進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)對轉(zhuǎn)速的控制，繼而對其葉輪轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，最終得到對風(fēng)量、風(fēng)速等指標(biāo)控制的目的[3]。

2 通風(fēng)機(jī)變頻特性實(shí)驗(yàn)研究

以變頻調(diào)速為例，本節(jié)將對通風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速的特性開展試驗(yàn)研究，為后續(xù)變頻調(diào)速的實(shí)例分析提供理論基礎(chǔ)。本次實(shí)驗(yàn)的通風(fēng)機(jī)即變頻器的具體參數(shù)如表1 所示。

表1 通風(fēng)機(jī)變頻特性實(shí)驗(yàn)通風(fēng)機(jī)及變頻器參數(shù)

2.1 通風(fēng)機(jī)性能測試裝置

為從理論層面對通風(fēng)內(nèi)的性能進(jìn)行測試分析，重點(diǎn)對通風(fēng)機(jī)電機(jī)頻率與其工作效率之間的關(guān)系進(jìn)行研究，特布置如圖2 所示的實(shí)驗(yàn)裝置。

圖2 通風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速性能實(shí)驗(yàn)測試裝置

由圖2 通風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速性能實(shí)驗(yàn)測試裝置可知，所配套的變頻器的工作頻率范圍在0～50 Hz 之間，額定工作電壓為220 V，額定功率為3 kW。實(shí)驗(yàn)中涉及到的關(guān)鍵測試儀器及參數(shù)如表2 所示。

表2 通風(fēng)機(jī)性能測試儀器及參數(shù)

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

本次實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)對不同葉片角度和不同電機(jī)頻率下通風(fēng)機(jī)的性能進(jìn)行對比。其中，葉片角度包括-3°、0°和+3°；電機(jī)運(yùn)行頻率包括50 Hz、45 Hz、40 Hz、35 Hz 和30 Hz[4-5]。在實(shí)驗(yàn)測試過程中重點(diǎn)對通風(fēng)機(jī)的通風(fēng)量、風(fēng)壓、軸功率以及效率等參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計。實(shí)驗(yàn)中所得的數(shù)據(jù)較多，此處僅列舉處不同葉片安裝角度和不同運(yùn)行頻率下通風(fēng)機(jī)工作的最高效率，結(jié)果如表3 所示。

表3 不同葉片安裝角度與運(yùn)行頻率下通風(fēng)機(jī)的最高效率對比

經(jīng)對所有實(shí)驗(yàn)所得的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出通風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速特性下的結(jié)論如下：

1）當(dāng)通風(fēng)機(jī)葉片安裝角度相同時，隨著運(yùn)行頻率的增加，對應(yīng)通風(fēng)機(jī)最高工作效率增大；當(dāng)通風(fēng)機(jī)運(yùn)行頻率一致時，隨著葉片安裝角度的增加，對應(yīng)通風(fēng)機(jī)的最高工作效率增大。

2）在同一頻率下，隨著葉片安裝角度的增加，對應(yīng)通風(fēng)機(jī)的節(jié)能效果越好；同一葉片安裝角度下，通風(fēng)機(jī)相鄰頻率間節(jié)能能量逐漸減小。

3 通風(fēng)機(jī)變頻特性實(shí)例分析

以實(shí)踐生產(chǎn)通風(fēng)為例，該煤礦的通風(fēng)屬于中等容易階段。當(dāng)前該煤礦通風(fēng)機(jī)的葉片安裝角度為+3°，運(yùn)行頻率為45 Hz。但是，通風(fēng)機(jī)在當(dāng)前工況下其實(shí)際排風(fēng)量僅為5 016.6 m3/min 與其實(shí)際需風(fēng)量5 500 m3/min 之間還存在一定的差距。因此，為了滿足工作面通風(fēng)量的需求，在變頻調(diào)速的作用下，將電機(jī)運(yùn)行頻率調(diào)整為50 Hz，并對50 Hz 下的通風(fēng)性能進(jìn)行對比，對比結(jié)果如表4 所示。

表4 通風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速性能的實(shí)例測試結(jié)果

如表4 所示，對礦井通風(fēng)機(jī)采用變頻調(diào)速后排風(fēng)量滿足為5 601.0 m3/min，大于實(shí)際需風(fēng)量5 500 m3/min 的要求；而且，采用變頻調(diào)速后通風(fēng)機(jī)的最佳工況范圍相對比在45 Hz 時增大，通風(fēng)機(jī)的工作效率也從69.45%增大至70.72%。

4 結(jié)論

通風(fēng)機(jī)為綜采工作面的關(guān)鍵設(shè)備，其性能直接決定工作面的通風(fēng)能力，對于保證綜采工作面的安全生產(chǎn)具有重要意義。但是，通風(fēng)機(jī)的實(shí)際工況需根據(jù)現(xiàn)場的通風(fēng)條件實(shí)時、高效地調(diào)整才能夠滿足生產(chǎn)需求。本文重點(diǎn)從實(shí)驗(yàn)和實(shí)例兩方面對通風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速的特性進(jìn)行研究，并總結(jié)如下：

1）當(dāng)通風(fēng)機(jī)葉片安裝角度相同時，隨著運(yùn)行頻率的增加，對應(yīng)通風(fēng)機(jī)最高工作效率增大；當(dāng)通風(fēng)機(jī)運(yùn)行頻率一致時，隨著葉片安裝角度的增加，對應(yīng)通風(fēng)機(jī)的最高工作效率增大。

2）在同一頻率下，隨著葉片安裝角度的增加，對應(yīng)通風(fēng)機(jī)的節(jié)能效果越好；同一葉片安裝角度下，通風(fēng)機(jī)相鄰頻率間節(jié)能能量逐漸減小。

3）實(shí)踐表明，采用變頻調(diào)速后通風(fēng)機(jī)的最佳工況范圍擴(kuò)大，且通風(fēng)機(jī)的效率也相應(yīng)增大。