煤矿通风机的变频节能改造

1引言

　　变频调速在风机和泵类负载上的应用具有显著的节能效果，并且具有软启动和软停机的优良控制特性，因此变频器首先在冶金、电力、石化、供热和民用风机水泵的控制领域得到广泛的应用。由于煤矿生产的特殊环境和安全上的特殊要求，变频器在煤矿的应用起步比较晚。随着我国市场经济的深入发展，煤矿的增产、降耗、提效被提到了重要地位，设备节能改造势在必行。

　　煤矿通风机按结构分为轴流式和离心式；通风机是保障煤矿安全的主要通风机械，365天昼夜运转。矿井通风机一般配备两套，一台工作一台备用。矿井通风机的额定通风能力(风量、风压)是根据设计计算的矿井末期的通风阻力和达产时的风量确定。在矿井投产初期，风机的富裕能力是比较大的。

　　在煤矿生产中，所需风量风压在不同阶段有不同的要求，为满足生产要求，煤矿通常采用以下几种方法调节：

　　(1)闸门调节；

　　(2)改变通风机速度；

　　(3)改变前导器叶片角度；

　　(4)轴流式通风机改变动叶安装角；

　　(5)离心式通风机调节尾翼摆角；

　　(6)轴流式通风机改变动叶数目；

　　(7)轴流式通风机改变静叶角度。

　　其中以闸门调节效率最差，它是人为地改变阻力曲线，增加风阻，越调节性能就越恶化；前导器调节和尾翼摆角调节效率比闸门要高；改变动叶安装角和动叶数目，可改变风机的特性曲线，使风机在较大范围内以较高的效率运行，以达到节能降耗的目的。改变通风机速度，使其在最佳工况点运行，使风机在最大的范围内以最高的效率运行，节能效果好。

　　2矿用通风机采用变频调速改造的优点

　　随着电力电子技术、微电子技术、信息技术和现代控制理论在调速系统中的应用，并且由于近年电力紧张，变频调速技术已经成为现代电力传动的一个发展方向，卓越的调速性能，使得变频器在煤矿生产中的节能效果越发显著。因此，将矿用通风机改为变频器控制，将传统的电机调速技术、现代电力电子技术以及计算机控制技术结合在一起，当煤矿通风量发生变化时，自动调速，使通风机在经济的转速下高效运行，从而达到节电的效果。变频调速节能控制装置的特点：（1）调速效率高；（2）调速范围大；（3）调速精度高；（4）启动电流小，而且容易实现闭环控制。由于可以利用原普通交流异步电动机，所以特别适合对原有旧设备的技术改造，它既保持了原风机、电动机不用更换的优点，又能达到节电的显著效果，是矿用通风机调速节能的理想方法。

　　3用户现场设备介绍

　　肥城矿业集团公司陶阳煤矿中三井2003年前使用的通风设备，为涡轮式通风机（70B2）。此类设备效率低(最高只能达到60％)、能耗大。效率低的主要原因是无法进行调速运行，只能通过调整叶片角度来控制风量和风压，而矿井最初通风设备选型时，留有较大余量，长时间内达不到满负荷运转。

　　2K56系列风机是沈阳鼓风机（集团）有限公司与东北大学合作，共同开发的新型矿井节能风机。该机为双级叶轮轴流通风机，叶片采用铸造铝合金，型线为机翼型扭曲式，安装角度可在20°～50°之间调整。当需要返风时，可使通风机直接反转，不需要调整风机的任何装置。装置最高静压效率达85.3%。产品高效区域宽广，该系列风机的装置静压效率比老式风机70B2提高近14%。

　　为改变原通风机落后运行方式，陶阳煤矿中三井领导决定把两台老式涡轮通风机70B2—21NO-24型风机(500kW／6kV)更换为轴流式节能风机2K56-2N0-24，采用变频调速的方法来控制风量的大小。

　　陶阳煤矿中三井领导经过慎重考察，认真比较，选用山东新风光电子科技发展有限公司生产的风光牌JD-BP37-500F型(500kW/6kV、2套)高压变频系统，对中三井1#、2#通风机进行变频改造。高压变频器于2008年4月投运，设备至今运行良好。经过肥矿集团检测中心的检测，各项性能指标达到设计要求，通风机实现了高效运行，改造达到了预期目的。

　　陶阳煤矿中三井通风机为两台，一用一备，现场1#、2#通风机设备参数相同，下面表1给出1#通风机基本参数。

　　表1为现场电机参数，表2为风机参数。

　　4山东新风光电子JD-BP37-500F高压变频器

　　4.1JD-BP37-500F高压变频器的主要性能指标

　　变频器功率：500kW

　　输入频率：50Hz

　　输入电压：6.0kV±20%

　　输出电压：三相正弦波电压0-6kV

　　额定电流：61A

　　输出频率：0-120Hz

　　频率分辨率：0.01Hz

　　加速时间：可按工艺要求设定

　　减速时间：可按工艺要求设定

　　故障诊断及检测：自动检测,自动定位

　　网侧功率因数：0.95(高速时)

　　过载保护：150%1分钟

　　防护等级：IP20

　　环境湿度：90%,无凝结

　　4.2性能特点

　　(1)全中文WINDOWS操作界面，彩色液晶触摸屏；

　　(2)输入功率因数高，电流谐波少，无须功率因数补偿/谐波抑制装置；

　　(3)输出阶梯正弦PWM波形，无须输出滤波装置，对电缆、电机绝缘无损害，电机谐波少，减少轴承、叶片的机械振动，输出线可以长达1000米；

　　(4)功率电路模块化设计，维护简单；

　　(5)高压主回路与控制器之间为光纤连接，安全可靠；

　　(6)完整的故障监测电路、精确的故障报警保护；

　　(7)内置PLC，易于改变控制逻辑关系，适应多变的现场需要；

　　(8)可灵活选择现场控制/远程控制；

　　(9)可接受和输出0～5V/4～20mA工业标准信号；

　　(10)可根据用户需要内置PID调节器；

　　(11)完整的通用变频器参数设定功能。

　　5改造主回路控制方案

　　风光高压变频调速系统由一次回路进线柜（旁路柜）、变压器柜、变频单元柜和操作控制柜组成。旁路柜在变频器维护过程中或变频器出现故障时，将电机投入到工频电网运行，保证生产不受影响。变频运行时，变频器为电机提供全面的保护。高压变频器旁路柜一次回路如图1所示。

图1 旁路柜一次回路图

　　DL：用户高压真空断路器

　　K1、K2、K3：高压变频器内置高压隔离开关

　　BPQ：JD-BP37-500F高压变频器

　　D：500kW/6kV异步电动机

　　图1手动旁路柜中，共有3个高压隔离开关，为了确保不向变频器输出端反送电，K2与K3采用电磁互锁操动机构，实现电磁互锁。当K1、K3闭合，K2断开时，电机变频运行；当K1、K3断开，K2闭合时，电机工频运行，此时变频器从高压中隔离出来，便于检修、维护和调试。

　　旁路柜必须与上级高压断路器DL连锁，DL合闸时，绝对不允许操作旁路隔离开关与变频输出隔离开关，以防止出现拉弧现象，确保操作人员和设备的安全。现场高压变频器运行如图2所示。

　　6节能计算

　　6.1风机节能计算公式

　　风机流量变化量，如前所述，采用变频调速是有效的节电措施。根据GB12497-1995《三相异步电动机经济运行》对电机经济运行管理的规定有如下的计算公式。

　　采用挡板调节流量对应电动机输入功率P1V与流量Q的关系为

6.2节能计算

　　采取风门调节风量时风机所需的轴功率为401kW，变频器调风量时相对调节风门调风量的节电率为0.364。

　　（1）每年节电量计算（每年按工作300天计算）

　　每年工作天数小时数功率节电率=（2）每年节电费计算（电价按0.5元/计算）

　　电费单价用电量=元

　　6.3实际节能情况

　　风机采用变频器改造投入运行后，电流从55A下降到26A左右，运行频率35Hz，输入电流26A，输入电压6.3kV，输出电流49A，输出电压4kV，风机电机功率从411.52kW下降到260.68kW，一年节电量，实际年节电费用543024元，与理论计算值基本吻合。

　　7变频改造的其他优点

　　(1)采用变频器后启动风机时可以实现变频软启动，避免了启动电流对电网及控制设备的冲击，可以有效地延长电气设备的使用周期。

　　(2)按需调节风量，调速范围宽且调速精度高，避免浪费。进行变频改造后，风机的风量不再需要通过改变叶片角度来调节，而是由变频器通过调节电机的转速来实现，调节线性度好，因而可以根据井下生产需要随时调节风量，避免了浪费。

　　(3)降低了风机的工作强度，延长了使用寿命。进行变频改造后，风机的大部分时间工作在低速状态下，因而大大降低了风机的机械强度和电气冲击，大大延长了风机寿命，提高了风机的安全运行系数和运行周期。

　　(4)变频器具有短路、过载、过压、欠压、缺相等各种保护，有效地保护了电机。

　　(5)改善了现场工作环境，由于降低了风机的转速，风机噪声大大降低，深受现场工作人员的欢迎。

　　(6)减少了反风中的操作环节，以前反风需要操作系统的立式风门、水平风门以及反风风门，工序繁多而且经常出现倒错风门的事故。现在使用轴流式风机和变频器控制后，反风时极其简单，只要在人机界面上将运行频率调整为负的频率，电机就会先减速至零点然后再反转到所调频率，这期间不用再调整整个风门系统，减少了工作量，降低了操作过程中的故障率。

　　8结束语

　　肥城矿业集团公司陶阳煤矿中三井通风机经过变频改造之后，不仅达到了良好的节能效果,并且使整套通风系统的稳定性提高了一个大台阶。我国是世界上的产煤大国，也是吨煤电耗比较高的国家。如果煤矿需要调速的设备，多数能使用变频调速装置改造，节约的能源将是非常可观的。

　　作者简介

　　胡令芝，男，技术支持工程师，供职于山东新风光电子科技发展有限公司。

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