張遠志

（鄂爾多斯市昊華紅慶梁礦業(yè)有限公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000）

0 引言

作為礦井的呼吸系統(tǒng)，通風系統(tǒng)在煤礦的安全高效生產(chǎn)中發(fā)揮著關(guān)鍵作用，主要保證采煤工作面新鮮空氣流通，與此同時工作面瓦斯?jié)舛?、粉塵濃度等符合《煤炭安全規(guī)程》的相關(guān)要求[1-2]。據(jù)統(tǒng)計表明，煤礦通風系統(tǒng)的耗電量占據(jù)煤礦總耗電量的25%左右，煤礦通風系統(tǒng)的節(jié)能改造升級有利于礦井生產(chǎn)成本控制和減少電力能源浪費，對我國“十三五”計劃要求的節(jié)能減排任務(wù)具有主要意義[3]。風機是煤礦通風系統(tǒng)的重要設(shè)備[4]，與電力等行業(yè)相比，礦山行業(yè)風機效率較低，行業(yè)平均水平只有55%，風機節(jié)能空間很大。很多礦井的通風機需要通過調(diào)節(jié)風門才能調(diào)整通風量，這種設(shè)備簡單便于維護，但在實際的礦井環(huán)境中，實際需求和送風量往往存在著較大差別，通常根據(jù)井下人員，瓦斯?jié)舛鹊扰袛嘣O(shè)定的通風量，但實際瓦斯可能存在局部過高現(xiàn)象，通風阻力也常常與設(shè)計有所差異[5]。通風量調(diào)整過程中帶來電機功率損耗，嚴重浪費礦井電力能源，帶來巨大的生產(chǎn)成本。

近年來，隨著計算機技術(shù)、電子技術(shù)等飛速發(fā)展，煤礦高產(chǎn)高效的同時，還要求最大程度降低能耗，因此設(shè)備節(jié)能改造迫在眉睫。變頻調(diào)速技術(shù)擁有較好的調(diào)速性能、高產(chǎn)高效、應(yīng)用范圍廣泛等優(yōu)點，因而被認為是具備發(fā)展前途的調(diào)速方式之一[6-7]。

本文在對傳統(tǒng)主通風機控制存在問題分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合紅慶梁煤礦現(xiàn)場工程條件及礦井對巷道通風系統(tǒng)安全和通風電力成本控制的需求，對紅慶梁煤礦主扇風機進行升級改造，配置全數(shù)字高壓變頻調(diào)速控制系統(tǒng)，并對該方案實際應(yīng)用效果進行分析，為其他礦井主通風機控制系統(tǒng)選擇及優(yōu)化設(shè)計提供方案類比。

1 傳統(tǒng)主通風機控制存在的問題

在煤礦巷道通風系統(tǒng)中，由于巷道走向長度逐漸增加，礦井所需的風量將明顯增加，風機功率需求也將逐漸加大[8]。不同季節(jié)所需的風量也需不斷調(diào)節(jié)。因此，依據(jù)回采后期運行工況及反風情況設(shè)計的通風機及電機的功率往往比煤礦正常生產(chǎn)所需的運行功率要高，由此存在以下幾個問題：

1.1 電能的浪費嚴重

煤礦的一般服務(wù)年限多在50年以上，自投產(chǎn)初期到回采逐漸穩(wěn)定需要較長時間，在此期間，主通風機一直處于較輕負載下。但在傳統(tǒng)條件下，由于電機的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)困難，只能通過改變風機葉片等方式進行風量調(diào)節(jié)，由此造成資源浪費，并顯著增加回采成本[9]。

1.2 機械損傷嚴重

主通風機采用直接啟動時，不僅造成啟動時間長、電流大，且容易造成電動機的絕緣，嚴重時甚至困難出現(xiàn)電機燒毀現(xiàn)象。電機在啟動過程中將產(chǎn)生的明顯機械沖擊現(xiàn)象，會使風機產(chǎn)生較大機械應(yīng)力，嚴重影響風機及其他機械使用壽命。

1.3 自動化程度低

主通風機進行風量調(diào)節(jié)主要通過人工調(diào)節(jié)風機葉片等方式，因而其不具備風量的實時調(diào)節(jié)功能，自動化程度低。在風機產(chǎn)生如風流短路等故障時，礦井正常生產(chǎn)將產(chǎn)生明顯影響。

紅慶梁煤礦作為我國西部現(xiàn)代化建設(shè)礦井，主通風機控制的自動化、安全化、節(jié)能化及高效化成為礦井通風系統(tǒng)建設(shè)及優(yōu)化的重要任務(wù)，傳統(tǒng)主通風機控制問題嚴重制約了礦井通風系統(tǒng)運轉(zhuǎn)效率，造成大量電力能源浪費，因此采用變頻節(jié)能技術(shù)對礦井主通風機控制進行升級改造，提升礦井通風現(xiàn)代化建設(shè)水平成為了必行趨勢。

2 風機變頻節(jié)能原理

如圖1所示，曲線（1）為風機在n1恒定轉(zhuǎn)速下的風壓—風量（H-Q）特性，曲線（2）為管網(wǎng)風阻特性（風門全開）。風機工作在A點效率最高，此時風壓為H2，風量為Q1，軸功率N1與Q1、H2的乘積成正比，可用面積H2AQ1O進行表示。如果采掘工程要求風量需要從Q1減至Q2，此時調(diào)節(jié)風門相當于增加管網(wǎng)阻力，使其特性變到曲線（3），系統(tǒng)由原來的工況點A變到新的工況點B運行，風壓反而增加，軸功率與面積H1BQ2O成正比，軸功率下降不大。

圖1 不同條件下風機風壓-風量特性曲線

若采取變頻器調(diào)速控制將風機轉(zhuǎn)速由n1降到n2后，依據(jù)風機參數(shù)的比例定律，風機的風壓-風量特性如曲線（4）所示?？梢娫跐M足同樣風量Q2的情況下，風壓H3大幅度降低，功率N3也隨著顯著減少，用面積H3CQ2O表示。

此時風機節(jié)省的功率為△N=（H1-H3）×Q2，可用面積BH1H3C表示。由流體力學可知，風量與轉(zhuǎn)速的成正比，風壓H與轉(zhuǎn)速的平方成正比，軸功率N與轉(zhuǎn)速的三次方成正比。當采取變頻器進行調(diào)速方式時，風量下降到80%此時轉(zhuǎn)速也下降到80%，而軸功率N則降為額定功率的51.2%，若風機風量下降到60%后，軸功率N將降至額定功率的21.6%。

因此，全數(shù)字變頻調(diào)速控制系統(tǒng)利用高壓變頻調(diào)速來實現(xiàn)風量調(diào)節(jié)，從而代替擋風板等控制方式，采用該種方式后不僅起到了顯著節(jié)能功效，還將明顯改善系統(tǒng)的運行性能。

3 紅慶梁煤礦高壓變頻電控系統(tǒng)方案

為滿足紅慶梁煤礦風機網(wǎng)絡(luò)智能化控制需要，本著安全可靠、高產(chǎn)高效的原則，結(jié)合現(xiàn)場的實際情況，采用高壓變頻電控系統(tǒng)方案對原主通風機控制系統(tǒng)進行替換，從而實現(xiàn)礦井主通風機控制系統(tǒng)工程的升級。

3.1 高壓變頻電控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

主扇風機高壓變頻電控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，系統(tǒng)以高壓變頻器為系統(tǒng)的驅(qū)動核心，配以系統(tǒng)自動控制柜、高壓開關(guān)柜、低壓輔助控制柜、風機在線監(jiān)控系統(tǒng)等組成的電氣調(diào)速系統(tǒng)，通過風速、負壓等傳感器完成風機的在線實時檢測及風機運行的主要參數(shù)，從而保證系統(tǒng)的安全運行，每臺風機的電機為2×630kW，根據(jù)電機選取的高壓變頻器容量為2×630kW，為一拖一控制方式。

圖2 主扇風機高壓變頻電控系統(tǒng)配置圖

3.2 系統(tǒng)工作方式

本套主扇風機高壓變頻電控能夠?qū)崿F(xiàn)以下幾種工作方式：

（1）通風機的工作方式主要包括三種，分別為自動方式、手動方式、檢修方式。

（2）變頻調(diào)速裝置將有效滿足通風機運行各種工況的要求。如：電機正反轉(zhuǎn)控制、控制變速或定速帶載運行等。

（3）變頻調(diào)速啟動運行。

（4）當工作高壓變頻器發(fā)生故障時，能切換到另一臺備用高壓變頻器運行，確保礦井通風機正常運轉(zhuǎn)。

（5）能夠?qū)崿F(xiàn)切換通風機功能。

（6）采用變頻調(diào)速裝置啟動風機運行情況下，變頻裝置通過比較系統(tǒng)檢測到風量與初始設(shè)定的風量，自動調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速，滿足礦井通風的需要，與此同時達到節(jié)能效果。

（7）當風機需要反轉(zhuǎn)時，能接受指令實現(xiàn)反風，操作方便。

3.3 系統(tǒng)配置參數(shù)

（1）通風機高壓變頻調(diào)速柜。高壓變頻器采用多單元串聯(lián)高壓變頻調(diào)速裝置，進線電壓與出線電壓均為10kV，不僅能夠用于向電機供電，還能比較系統(tǒng)測得風量與設(shè)定得風量，自動調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速，從而滿足礦井用風需求，節(jié)電效果明顯。

（2）風機自動控制柜。風機自動控制柜的核心采用德國西門子S7系列可編程控制器，同時配備多種檢測組件，實現(xiàn)了風機有效工藝控制、閉環(huán)控制及各種情況下的安全保護以及系統(tǒng)切換時的閉鎖問題，能夠?qū)崟r顯示風機的運行狀態(tài)和參數(shù)，并能夠控制風機的啟停。

（3）風機在線監(jiān)控系統(tǒng)。工業(yè)計算機作為本監(jiān)控系統(tǒng)的主機，實現(xiàn)了對風機風量、風壓、瓦斯?jié)舛?、運行振動（水平振動、垂直振動）、通風機軸承溫度、電動機軸承溫度、電動機繞組溫度、電壓電流的自動實時監(jiān)測。當超過額定值時能夠根據(jù)參數(shù)數(shù)值大小發(fā)出報警信號并實現(xiàn)停機功能。主要參數(shù)如風機風量、瓦斯?jié)舛?、運行振動（水平振動、垂直振動）、電機轉(zhuǎn)速、電壓電流等均可上傳礦井監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)。

（4）高壓開關(guān)柜。通風機房內(nèi)設(shè)KYN28A-12型配電柜12臺，其中包括2臺電源進線柜、1臺聯(lián)絡(luò)柜、1臺母線提升柜、4臺變頻器饋電柜、2臺電壓互感器及避雷器柜、2臺所用變壓器柜。高壓開關(guān)柜額定電壓10kV，額定頻率50HZ，可根據(jù)工作需要配置額定電流。

（5）低壓輔助控制柜。通風機房設(shè)低壓輔助柜，為通風機附屬設(shè)備、照明等提供380V/220V配電或電源回路。兩回進線分別引自兩臺所用壓器開關(guān)柜，相互備用。低壓輔助柜額定電壓0.4kV，最高工作電壓0.69kV，額定電流200A。

4 現(xiàn)場應(yīng)用效果及建議

4.1 現(xiàn)場應(yīng)用效果

紅慶梁煤礦風機使用高壓變頻電控系統(tǒng)后，實現(xiàn)風機自動化控制，礦井通風系統(tǒng)正常運轉(zhuǎn)，未出現(xiàn)嚴重故障，滿足巷道及工作面通風需要，幫助礦井順利完成了11301工作面的安全高效回采，礦井產(chǎn)量及經(jīng)濟效益逐年增加。現(xiàn)場應(yīng)用過程中，該系統(tǒng)具有如下特點：

（1）節(jié)能性好。采用變頻調(diào)節(jié)后，電機轉(zhuǎn)速進行無級變化，可以全部打開風門擋板，并將風葉角度調(diào)到最佳位置，風量調(diào)節(jié)只需要通過變頻器即可完成，這讓原本消耗在擋板上的大量能量可以直接轉(zhuǎn)化為可觀經(jīng)濟效益。

（2）可靠性高。變頻器自身的保護功能較為齊全，不僅有欠壓保護，直流過電壓保護，過流保護等，還報過防止失速，防止燒損，保險絲短路保護等，有效增強了電機運行的可靠性。

（3）維護量小。系統(tǒng)可實現(xiàn)空載軟啟動，啟動電流和時間大為減少，因此可以避免因大啟動電流造成的絕緣老化問題，同時還能減輕機械沖擊對電機壽命的影響，顯著減少電機的維護工作量，節(jié)約檢修維護費用。（4）噪音小。變頻調(diào)節(jié)的控制性能遠遠好于風門調(diào)節(jié)，有利于實現(xiàn)系統(tǒng)的集散控制。

4.2 建議

雖然高壓變頻電控系統(tǒng)在現(xiàn)場應(yīng)用效果較好，但在實際應(yīng)用過程中，風機控制系統(tǒng)的安裝、調(diào)試和維護等工作對礦井工人要求較高，其次，變頻器對環(huán)境要求較高，尤其是溫度、粉塵及水等因素。因此結(jié)合高壓變頻電控系統(tǒng)在紅慶梁煤礦的使用情況提出如下3點建議：

（1）開展專項電控培訓，保證現(xiàn)場技術(shù)人員熟悉系統(tǒng)工作原理，學會編程控制器的編程和查找故障的方法、編程器的使用方法等。

（2）合理確定變頻器安裝位置，避免變頻器位于空氣流通性差、粉塵大或頂板淋水等環(huán)境下，或建立專門的變電硐室。

（3）礦井通風與煤礦瓦斯防治、煤層自然及沖擊地壓防治等聯(lián)系密切，建議礦井在變頻電控系統(tǒng)應(yīng)用過程中，增加與礦井瓦斯監(jiān)測、沖擊地壓監(jiān)測等數(shù)據(jù)的對比分析，為礦井通風系統(tǒng)的進一步優(yōu)化提供依據(jù)。

5 結(jié)語

（1）高壓變頻電控系統(tǒng)利用高壓變頻調(diào)速來實現(xiàn)風量調(diào)節(jié)，從而代替擋風板等控制方式，克服了傳統(tǒng)風機控制系統(tǒng)的電能的嚴重浪費、啟動困難，機械損傷嚴重及自動化程度低等問題。

（2）不但可以節(jié)約大量的電能，而且可以顯著改善系統(tǒng)的運行性能。高壓變頻電控系統(tǒng)在紅慶梁煤礦現(xiàn)場應(yīng)用效果良好，值得其他相似生產(chǎn)條件礦井使用和推廣。