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高压变频器在煤矿主通风机上的应用

  1 概述

  被誉为“中国荷都、北方水乡和铁道游击队故乡”的微山县位于山东省南部,因地处微山湖故名。抗日战争时期,以微山湖为根据地的 “微湖大队”、“运河支队”、“铁道游击队”等革命武装,创造了许多可歌可泣的英雄业绩,一曲《弹起我心爱的土琵琶》唱响大江南北。

  微山崔庄煤矿有限责任公司是一家县属地方国有企业。该公司井田面积为12.6平方公里,地质储量1.36亿吨。资产总额16亿多元,员工3500多人,2010年销售收入11.5亿元,实现利税5亿元,利润3.5亿元,经济效益、全员工效、安全生产等经济指标均名列山东省地方煤矿前列。

  2 现场简介

  崔庄煤矿位于山东省济宁市微山县,崔庄矿通风系统配置两台轴流式通风机,一用一备,每台风机配置355kW/6kV高压异步电机。矿井主通风机用于向井下提供新鲜风流、排除污浊空气和有害气体,对煤矿的安全生产影响重大。矿井主通风机全年不停地运行,其电耗量较大。矿井所需的风量通过调节风门挡板或叶片角度来实现,根据反风及开采后期运行工况要求,所设计的通风机及拖动的电动机的功率,远大于煤矿正常生产所需的运行功率。风机设计上余量特别大,在相当长的时间风机一直处在较轻负载下运行,煤矿通风系统中存在着较为严重的大马拉小车现象,能源浪费非常突出。现场设备如图1所示:

  图1 现场设备图

  3矿用通风机采用变频调速改造的必要性

  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。

  如果采用高压交流变频调速技术,通过改变频率,调整风机的转速,直至满足矿井通风需要。一旦高压变频器出现故障,短时间内可切换到工频运行,不影响矿井通风。通过高压变频器,风机可以根据矿井通风需要实时调速运行,使风机始终运行在高效区。高压变频调速技术在矿井大功率通风机上的应用,具有其应用的特殊性,通风机停机10分钟即为重大事故,因此对变频器的可靠性及系统的安全性设计要求很高。

  为了降低通风机消耗,提高风机运行效率,矿领导经过论证,最后决定选用山东新风光电子科技发展有限公司生产的JD-BP37-400F高压变频器对矿主通风机进行改造。2010年4月,高压变频器在矿通风井投入运行,改造达到了预期目的。

  4风光牌JD-BP37-400F 高压变频器技术参数

  山东新风光电子公司是国家高新技术企业,生产的风光牌JD-BP37系列高压变频器荣获“中国名牌”称号,高压变频器以高速DSP为控制核心,采用无速度矢量控制技术、功率单元串联多电平技术,属高-高电压源型变频器,其谐波指标远小于IEE519-1992的谐波国家标准,输入功率因数高,输出波形质量好,不必采用输入谐波滤波器、功率因数补偿装置和输出滤波器;不存在谐波引起的电机附加发热和转矩脉动、噪音、输出dv/dt、共模电压等问题,可以使用普通的异步电机。

  JD-BP37-400F 高压变频器技术参数如表1所示。

  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2所示。

  DL:用户高压断路器

  K1、K2、K3:高压变频器内置高压隔离开关

  BPQ:JD-BP37-400F高压变频器

  D:355kW/6kV异步电动机

  图2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3所示。

  6 通风机系统变频改造效果

  通风机属于煤矿辅机设备中的高能耗设备,其输出功率不能随负荷变化而变化,只有通过改变风叶的角度和风门来调整风压和风量,造成很大部分能量消耗在节流损失中。针对以上能源浪费的现象,采用高压变频技术对煤矿通风机进行技术改造,是煤矿节能降耗提高通风机运行效率的有效途径。

  6.1通风机变频改造情况介绍

  崔庄矿是一个新建矿井,生产后期风阻较大,所以根据矿通风部门提供的数据,风机按照容易期风量82.5m3/s、风压1764Pa,困难期83 m3/s、风压2646Pa设计。风机采用两台轴流式通风机,互为备用。通风机为2K58-NO.24轴流式通风机,转速为743r/min。配备电动机型号为Y450-8,额定功率355kW,额定电压为6000V,额定电流为45.7A,额定转速743 r/min。通风机特性曲线如图4所示。

  由于建矿时间短,实际需要风量较小,投入运行后通过调整风叶角度在32.50运行,经矿测试中心测量,风门开度2m, 风机叶角度32.50,风机风量85 m3/s,风机负压1750Pa,电机电流43A,电动机工况功率344kW。风机在全速运行时工作在低效区内。针对矿井实际的通风需求,采用调节风叶角度和风门实现风量、风压的调整,存在电能严重浪费。

  根据上述情况,根据风机厂家提供的技术参数和图纸,获得风机的运行特性。根据厂家提供的风机特性曲线图,制定风机预计工矿点。当改变风机叶角度到400,同时降低风机转速到654r/min,通风机此时工作在特性曲线高效区。测量变频运行后数据:变频器输入电流24A,运行频率44Hz,功率因数0.975,负压1700Pa,风量约82.5m3/s,实际测量风机效率达到81%。完全符合现在生产需要。

  同时为防止变频器发生重大故障,设计了工频旁路电路,在重大故障时系统可将风机投入工频运行,以确保生产的连续性,避免了因通风影响煤矿生产。

  6.2 采用变频后通风机的节能效益

根据上述,改造后风机效率为81% ,经测量变频后功率因数

  变频时,电动机消耗功率为:

  P2=1.732×6×24×0.975=243.17kW 。

  工频时,电动机消耗功率为:P1=344kW。

  一天按24小时运行,一年按300天计算,采用变频技术后通风机节约电量计算如下:

  年节电:(P1- P2)×24×300 =(344-243.17)×24×300=725976 (kW•h)。

  每kW•h按0.6元计算,年节约电费为:

  (725976×0.6)/10000=43.56万元。

  估算采用变频技术后供电线路节省消耗:

  通过公式计算工频时线路功率因数:

式中:——功率因数提高前、后的电流

——变频改造前功率因数

——变频改造后功率因数

——变频改造前供电功率

——变频改造后供电功率

  变频运行比工频运行供电线路每小时减少的无功功率:

  年节省线路无功功率传输为229.67×24×300=1653624kvar。

  按线路损失5%,每度电费按0.6元计算,年节约电费为:

  1653624×5%×0.6=4.96万元。

  总计节约电量:43.56+4.96=48.52万元。

  6.3其他效益

  (1)变频起动对电网没有冲击。由于变频器改造后风机实现软起动,避免了起动电流的冲击,而且还可以随时起动或停止。

  (2)按需调节风量,避免浪费。进行变频改造后,风机的送风量不再需要由风叶角度和风门来调节,而是通过变频调节风机的转速来实现,调节范围可以从0%—100%;因而可以根据井下通风需要实时调节风量,减少了不必要的浪费。

  (3)降低风机工作强度,延长设备使用寿命。变频改造后,风机的大部分工作时间都在较低的速度下运行,因而大大降低了风机工作的机械强度和电气冲击,大大延长风机的使用寿命。

  (4)风机设备的噪声降低,改善了工作环境。

  (5)提高了通风机的自动化控制水平。

  过去通风机依靠人工调节挡板,不具备风量的自动实时调节功能,自动化程度低。变频改造后,通风机由变频器进行控制,严格按程序进行控制,在矿监控室显示通风系统各项电气参数及设备运行状态(工作、停止、故障)等,实现了生产过程对通风机的自动控制。

  (6)界面为纯中文操作,操作简单,使用方便。

  (7)保护功能齐全,除了过压、欠压、过热、过载、短路、缺相等自身保护功能外,还设有故障单元自动旁路功能、外围联锁保护系统及变频故障转工频等功能,提高了系统的安全稳定性。

  7结束语

  总之,矿用通风机采用变频调速,不但实现了软起、软停,而且可根据巷道的通风需求方便地进行调速,改造效果是十分理想的。2006年风光公司率先在宁夏煤业公司矿用通风机上进行变频改造,开创了国产高压变频器在矿用通风机应用变频改造的历史,至此后,煤矿行业通风机变频应用越来越多,风光公司高压变频器在煤炭行业有着良好的业绩,风光产品为推动国家节能减排工作做出了贡献。

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