韓煥勝

（大同煤礦集團(tuán)大同地方煤炭集團(tuán)有限責(zé)任公司，山西 大同 037000）

1 前言

我國(guó)是一個(gè)人均能源相對(duì)貧乏的國(guó)家，人均能源占有量不足世界水平的1/5，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，已成為世界第二能源消耗大國(guó)，但能源使用率普遍偏低，造成電能浪費(fèi)現(xiàn)象十分嚴(yán)重。我國(guó)現(xiàn)有的各類電動(dòng)機(jī)總裝機(jī)容量達(dá)35億kW/h，電耗占總用電量的50%左右。

煤礦巷道用的通風(fēng)系統(tǒng)，在煤礦的安全生產(chǎn)中起著至關(guān)重要的作用。礦井中空氣的瓦斯?jié)舛攘?，與巷道的通風(fēng)是否順暢，風(fēng)量的是否充足都有著直接關(guān)系，一但通風(fēng)不暢，瓦斯?jié)舛壬叩揭欢ǔ潭龋磿?huì)出現(xiàn)危險(xiǎn)，造成重大事故，危及礦工的生命安全。而隨著開采及掘進(jìn)的不斷延伸，巷道延長(zhǎng)所需的風(fēng)量也將不斷增加，風(fēng)機(jī)所用功率也將加大。四季的交替、冷熱的變化、所需的風(fēng)量也需不斷的調(diào)節(jié)，但煤礦原根據(jù)反風(fēng)及開采后期運(yùn)行情況所設(shè)計(jì)的通風(fēng)機(jī)及拖動(dòng)的電動(dòng)機(jī)功率，通常遠(yuǎn)大于煤礦正常生產(chǎn)所需的運(yùn)行功率。傳統(tǒng)風(fēng)機(jī)的流量設(shè)計(jì)均以最大風(fēng)量來設(shè)計(jì)，其調(diào)整方式采用擋板、葉輪葉片角度、風(fēng)門、啟停電機(jī)等方式來控制，無法形成閉環(huán)回路控制，也較不考慮省電觀念。電氣控制采用直接或Y-△起動(dòng)，無法具有軟起動(dòng)的功能，機(jī)械沖擊大，傳動(dòng)系統(tǒng)壽命短，震動(dòng)及噪聲較大，需要的電源容量大，功率因素較低等是其主要的問題點(diǎn)。

隨著變頻技術(shù)的日益成熟，為風(fēng)機(jī)的節(jié)能提供了可靠的技術(shù)條件和保證。采用變頻調(diào)速，改變通風(fēng)系統(tǒng)中電動(dòng)機(jī)的輸入頻率從而改變電動(dòng)機(jī)及風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，達(dá)到調(diào)節(jié)空氣流量的目的，即滿足生產(chǎn)工藝變化的需求，又節(jié)省電能，是一舉多得的最佳舉措。因此在煤礦大中型通風(fēng)機(jī)設(shè)備上，推廣變頻節(jié)能技術(shù)，取代調(diào)整葉輪葉片調(diào)節(jié)方式，使通風(fēng)機(jī)始終處于科學(xué)、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行狀態(tài)，提高企業(yè)綜合經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益具有十分重要的意義。

2 問題的提出

2.1 改造前系統(tǒng)簡(jiǎn)介

原本單位通風(fēng)系統(tǒng)的主要設(shè)備和控制方式為：礦井通風(fēng)方式為抽出式，設(shè)有一個(gè)通風(fēng)機(jī)房，裝備兩臺(tái)對(duì)旋軸流通風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)的電動(dòng)起動(dòng)方式為自藕降壓?jiǎn)?dòng)，兩臺(tái)同型號(hào)通風(fēng)機(jī)互為備用，通風(fēng)機(jī)由1級(jí)風(fēng)機(jī)和2級(jí)風(fēng)機(jī)組成，兩級(jí)風(fēng)機(jī)的電動(dòng)機(jī)額定功率均為132 kW，6級(jí)電機(jī)，額定電流245 A，額定轉(zhuǎn)速980 rad/min，實(shí)際運(yùn)行電流1級(jí)電動(dòng)機(jī)為140 A，二級(jí)電動(dòng)機(jī)位120 A，通風(fēng)機(jī)效率為85%。

2.2 原系統(tǒng)的運(yùn)行及存在的問題

通風(fēng)機(jī)在實(shí)際的運(yùn)行中，根據(jù)礦井實(shí)際的風(fēng)量需求，采用調(diào)節(jié)前導(dǎo)器角度和調(diào)節(jié)垂直風(fēng)門開啟度實(shí)現(xiàn)風(fēng)量的調(diào)整。通風(fēng)機(jī)房的兩臺(tái)通風(fēng)機(jī)采用輪換工作制，與最佳工況運(yùn)行相比，整個(gè)風(fēng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)處于低效率運(yùn)行狀態(tài)，存在“大馬拉小車”的問題，即使在礦井生產(chǎn)后期，隨著巷道的不斷延伸，風(fēng)機(jī)的電動(dòng)機(jī)仍能滿足后期通風(fēng)需求。因此，企業(yè)每年多消耗電能數(shù)10萬度，電能浪費(fèi)十分嚴(yán)重。在正常生產(chǎn)過程中以及采煤斷面的加深和延長(zhǎng)，對(duì)風(fēng)量和風(fēng)壓有著不同的要求，而對(duì)風(fēng)量的不同要求，一般是通過人工改變風(fēng)門的開啟度或者改變分級(jí)的扇葉角度來實(shí)現(xiàn)的，其勞動(dòng)強(qiáng)度大，風(fēng)量調(diào)控不便，設(shè)備維修工作量大。

3 節(jié)能改造的可行性分析

3.1 方案選擇

改造方案主要有：方案一是通過改變?nèi)~輪葉片角度控制風(fēng)量，可滿足生產(chǎn)的需求，但達(dá)不到節(jié)能效果。方案二是在原系統(tǒng)上加裝變頻器、智能控制調(diào)節(jié)器等，形成風(fēng)機(jī)自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，根據(jù)負(fù)載的輕重自動(dòng)調(diào)整風(fēng)機(jī)的運(yùn)行頻率，排除了人為操作錯(cuò)誤的因素。雖然一次投入成本較高，但這種方法在其他領(lǐng)域已經(jīng)被廣泛應(yīng)用，是切實(shí)可行的高效節(jié)能方法，因此該礦采用方案二對(duì)礦井通風(fēng)進(jìn)行節(jié)能改造。

在礦井通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，風(fēng)機(jī)的裝機(jī)容量是取系統(tǒng)最大負(fù)荷在增加10%～20%余量時(shí)作為設(shè)計(jì)安全系數(shù)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在傳統(tǒng)煤礦，風(fēng)機(jī)用電約占系統(tǒng)用電的30%。因此，實(shí)施對(duì)礦井通風(fēng)系統(tǒng)電動(dòng)機(jī)控制是煤礦節(jié)能改造及自動(dòng)控制的重要組成部分。

3.2 風(fēng)機(jī)的特性分析與節(jié)能原理

通風(fēng)機(jī)的運(yùn)行工況由負(fù)荷情況決定，根據(jù)流體力學(xué)理論，電動(dòng)機(jī)功率P、風(fēng)量Q和壓力H之間的關(guān)系為：P=K×H×Q/η；其中K為常數(shù)，η為效率。他們與轉(zhuǎn)速N之間的關(guān)系為：

圖1中曲線1為風(fēng)機(jī)在恒速下壓力H和流量Q的特性曲線，曲線2是管網(wǎng)風(fēng)阻特性（閥門開度為100%）。假設(shè)風(fēng)機(jī)在設(shè)計(jì)時(shí)工作在A點(diǎn)的效率最高，輸出風(fēng)量Q1為100%，此時(shí)的軸功率P1=Q1×H1與面積AH10Q1成正比。根據(jù)工藝要求，當(dāng)風(fēng)量需從Q1減少到Q2（例如70%）時(shí)，如采用調(diào)節(jié)前導(dǎo)器角度和調(diào)節(jié)垂直風(fēng)門開啟度的方法相當(dāng)于增加了管網(wǎng)阻力，使管網(wǎng)阻力特性變到了2，曲線3，系統(tǒng)由原來的工況A點(diǎn)變到新的工況B點(diǎn)運(yùn)行，由圖中可以看出，風(fēng)壓反而增加了，軸功率P2與面積BH20Q2成正比，減少不多。

圖1

如果采用變頻調(diào)控制方式，將風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速由N1降到N2，根據(jù)風(fēng)機(jī)的比例規(guī)定，可以畫出在轉(zhuǎn)速N2下壓力H和流量Q特性如曲線4所示，可見在滿足同樣風(fēng)量Q2的情況下，風(fēng)壓H3將大幅度的降低，功率P3（相等于面積CH30Q2）也隨著顯著減少，節(jié)能的功率△P=△HQ2與面積BH2H3C成正比，節(jié)能的效果是十分明顯的。

由流體力學(xué)可知，風(fēng)量Q與轉(zhuǎn)速的一次方成正比，風(fēng)壓H與轉(zhuǎn)速的平方成正比，軸功率P與轉(zhuǎn)速的立方成正比，當(dāng)風(fēng)量減少，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速下降時(shí)，起動(dòng)功率下降很多。

例如風(fēng)量下降到80%，轉(zhuǎn)速也下降到80%時(shí)，則軸功率下降到額定功率的51%；如風(fēng)量下降到50%，功率P可下降到額定功率的13%，當(dāng)然由于實(shí)際工況的影響，節(jié)能的實(shí)際值不會(huì)有這么明顯，即使這樣，節(jié)能的效果也是十分明顯的。

因此對(duì)于風(fēng)機(jī)類的機(jī)械設(shè)備中，采用變頻調(diào)速的方式來調(diào)節(jié)風(fēng)量和流量是節(jié)能降耗最有效的方法。

根據(jù)異步電動(dòng)機(jī)原理：n=60 f/p（1-s）

式中：n：轉(zhuǎn)速；

f：頻率；

p：電機(jī)磁極對(duì)數(shù)；

s：轉(zhuǎn)差率。

由上式可知，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速有3種方法：改變頻率、改變電機(jī)磁極對(duì)數(shù)和改變轉(zhuǎn)差率。在以上調(diào)速方法中，變頻調(diào)速性能最好，調(diào)節(jié)范圍大，靜態(tài)穩(wěn)定性好，運(yùn)行效率高。因此，改變頻率而改變轉(zhuǎn)速的方法最方便有效。

根據(jù)以上分析，結(jié)合煤礦通風(fēng)機(jī)的運(yùn)行特征，利用變頻器的調(diào)速特性，對(duì)煤礦通風(fēng)系統(tǒng)中的風(fēng)機(jī)進(jìn)行節(jié)能改造切實(shí)可行的較完善且高效率的節(jié)能方案。

以本單位通風(fēng)機(jī)的運(yùn)行分析為例：

通風(fēng)機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)首先是根據(jù)原始生產(chǎn)參數(shù)計(jì)算出可能的最大的負(fù)荷，再乘以1.1～1.3的安全系數(shù)。通風(fēng)機(jī)系統(tǒng)絕大部分時(shí)間沒有在滿負(fù)荷的情況下運(yùn)行，這就造成了系統(tǒng)能效比的大大降低。

原通風(fēng)系統(tǒng)通過采用調(diào)節(jié)葉片角度來調(diào)節(jié)風(fēng)量的大小，而風(fēng)機(jī)一直處在接近滿負(fù)荷運(yùn)行。其中有一部分能量浪費(fèi)在葉輪葉片上，安裝智能化節(jié)電設(shè)備后，通過對(duì)循環(huán)水壓和進(jìn)出口溫差變化的跟蹤，由智能控制單元的模糊控制軟件根據(jù)當(dāng)前的具體數(shù)據(jù)計(jì)算出系統(tǒng)所需的負(fù)荷，并檢測(cè)電機(jī)、風(fēng)機(jī)、變頻器三者的運(yùn)行曲線，自動(dòng)調(diào)節(jié)節(jié)電設(shè)備輸出頻率的同時(shí)，對(duì)該設(shè)備進(jìn)行矢量控制，將三者的運(yùn)行曲線合理優(yōu)化控制運(yùn)行，提高三者的工作效率。

當(dāng)電機(jī)頻率下降時(shí)，電機(jī)的功率也相應(yīng)降低，從而達(dá)到節(jié)電的目的。

式中，N1：改變的轉(zhuǎn)速；

N0：電機(jī)原來的轉(zhuǎn)速；

P0：原電機(jī)轉(zhuǎn)速下的電機(jī)消耗功率；

Q0：原電機(jī)轉(zhuǎn)速下所產(chǎn)生的風(fēng)量。

由上式可以看出，風(fēng)量的減少與轉(zhuǎn)速降低的一次方成正比，功耗的減小與轉(zhuǎn)速降低的三次方成正比。

如：假設(shè)原風(fēng)量為100個(gè)單位，耗能也為100個(gè)單位，如果轉(zhuǎn)速降低 10 個(gè)單位，由（2）式△Q=Q0[1-（N1/N0）]=100×[1-（90/100）]=10可得出風(fēng)量改變了10個(gè)單位，但功耗由（1）式△P=P0[1-（N1/N0）3]=100×[1-（90/100）3]=27.1 可以得出，功率將減少 27.1個(gè)單位，即比原來降低27.1%，以此類推。

表1

通過對(duì)原通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)機(jī)的運(yùn)行數(shù)據(jù)和以上幾點(diǎn)的分析，結(jié)合智能變頻解電設(shè)備的整體性能，預(yù)計(jì)通風(fēng)機(jī)年平均節(jié)電率可達(dá)35%以上。

4 具體改造方式及效益分析

4.1 改造方案

首先恢復(fù)風(fēng)機(jī)葉片數(shù)量，將葉片調(diào)整到最佳工作角度，使風(fēng)機(jī)工作在最佳狀態(tài)；再在原系統(tǒng)中加裝智能變頻調(diào)節(jié)系統(tǒng)，利用變頻器變頻調(diào)速功能，根據(jù)生產(chǎn)對(duì)風(fēng)量和風(fēng)壓的要求，自動(dòng)調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)風(fēng)量，使風(fēng)機(jī)獲得最大的節(jié)能效果；同時(shí)變頻器具有軟起動(dòng)功能，可根據(jù)實(shí)際情況，設(shè)定相應(yīng)的起動(dòng)時(shí)間，以減少直接起動(dòng)所產(chǎn)生的大的沖擊電流。

新加智能控制系統(tǒng)與原有系統(tǒng)互為備份，當(dāng)本智能控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障會(huì)自動(dòng)切換到原有系統(tǒng)上時(shí)，可確保系統(tǒng)運(yùn)行無任何風(fēng)險(xiǎn)；另又加了檢測(cè)傳感器，確保所有操作準(zhǔn)確可靠執(zhí)行；從安全角度上看，比以前更可靠。

4.2 設(shè)備選型

對(duì)1用1備的通風(fēng)機(jī)安裝2臺(tái)智能變頻節(jié)電設(shè)備，每臺(tái)智能化節(jié)電設(shè)備功率為132 kW，分別對(duì)通風(fēng)的1級(jí)和2級(jí)風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行節(jié)能調(diào)速控制，輪換工作通過轉(zhuǎn)換開關(guān)選擇，實(shí)現(xiàn)一拖二的控制。

5 智能變頻節(jié)電設(shè)備概述

隨著變頻技術(shù)的日益成熟，在生活和生產(chǎn)中的應(yīng)用也不斷深入，為實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)機(jī)的自動(dòng)調(diào)節(jié)和節(jié)能提供了可靠的技術(shù)條件和保證。

5.1 節(jié)電原理

節(jié)電設(shè)備在變頻器的基礎(chǔ)上，安裝具有獨(dú)立專利技術(shù)的優(yōu)化控制軟件，依據(jù)計(jì)算機(jī)模糊控制理論，結(jié)合PID控制原理，根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行狀況，自動(dòng)檢測(cè)變頻器、電機(jī)、負(fù)載的運(yùn)行曲線，并對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)優(yōu)化控制，使三者運(yùn)行曲線均達(dá)到最佳，確保在滿足系統(tǒng)需求的前提下大幅度提高系統(tǒng)效率，盡可能地降低消耗。

5.2 智能變頻節(jié)電設(shè)備的特點(diǎn)

5.2.1 安全性高

（1）安裝時(shí)，采取與原有啟動(dòng)柜“電器互鎖”的方案；原有啟動(dòng)柜作為備用機(jī)，兩機(jī)之間可以相互轉(zhuǎn)換。

（2）該系統(tǒng)選用最先進(jìn)的專用變頻驅(qū)動(dòng)單元，法國(guó)斯耐德低壓電器；采用最先進(jìn)的可編程技術(shù)和最簡(jiǎn)捷的操作方法；通過計(jì)算機(jī)模糊控制軟件，適時(shí)調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，并對(duì)電機(jī)具有過載、過壓、欠壓、缺相、短路等保護(hù)功能。這樣不但提高了節(jié)電率，而且減少了電機(jī)運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的噪聲、減少了電機(jī)發(fā)熱、延長(zhǎng)了電機(jī)的使用壽命。

（3）設(shè)備內(nèi)部除自動(dòng)保舉等功能齊全外，特殊情況下節(jié)電設(shè)備需保養(yǎng)維修時(shí)，可以隨時(shí)啟動(dòng)備用機(jī)。

（4）節(jié)電設(shè)備使用壽命可長(zhǎng)達(dá)15年。

5.2.2 節(jié)能率高

目前，國(guó)內(nèi)外節(jié)點(diǎn)技術(shù)多為變頻調(diào)速、電抗穩(wěn)流、平衡電壓、諧波治理、降壓等節(jié)電技術(shù)，利用變頻調(diào)節(jié)及調(diào)制電壓進(jìn)行節(jié)電，節(jié)電率一般在10%～20%左右；對(duì)于三相異步電動(dòng)機(jī)而言，采用變頻調(diào)速技術(shù)是目前比較好的節(jié)能方式，但是由于節(jié)電率相對(duì)低。應(yīng)用計(jì)算機(jī)模糊控制軟件與專用變頻器相結(jié)合的智能變頻節(jié)電設(shè)備沖破了動(dòng)力節(jié)電率較低的技術(shù)瓶頸，使變頻調(diào)速、諧波治理、動(dòng)態(tài)跟蹤、網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控、智能化管理等多種模式有機(jī)地結(jié)合在一起，有效提高了系統(tǒng)的自動(dòng)化性能及監(jiān)控、管理能力。通過計(jì)算機(jī)模糊運(yùn)算，適時(shí)發(fā)出PID控制命令，改變變頻的運(yùn)行曲線，提高變頻器的軟件性能，有效地提高了節(jié)電率，使節(jié)電率在原來的基礎(chǔ)上有很大的提高，節(jié)電率可達(dá)40%～60%。

5.2.3 軟啟動(dòng)，減小啟動(dòng)電流對(duì)電網(wǎng)的沖擊

一般電機(jī)啟動(dòng)電流時(shí)是戈定電流的4～7倍，而智能變頻節(jié)電系統(tǒng)能使電機(jī)實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)，啟動(dòng)電流小于正常電流，工作平穩(wěn)，同時(shí)保護(hù)設(shè)備，延長(zhǎng)電機(jī)使用壽命，還可以替代降壓?jiǎn)?dòng)電阻，自藕變壓器等耗電設(shè)備。

5.2.4 系統(tǒng)干擾小，運(yùn)行安全可靠

一般節(jié)電產(chǎn)品運(yùn)行電壓不穩(wěn)定，運(yùn)行諧波干擾大，缺少安全保護(hù)功能。節(jié)電設(shè)備除保護(hù)功能齊全外，在特殊情況下出現(xiàn)故障還可自動(dòng)轉(zhuǎn)換為公頻，確保不會(huì)影響設(shè)備的使用，而且能把電源電壓穩(wěn)定在380 V運(yùn)行，諧波干擾率不高于7%，而國(guó)家對(duì)于諧波干擾率要求不高于15%，在運(yùn)行時(shí)不會(huì)影響其他儀器、儀表的正常運(yùn)行。

5.2.5 自動(dòng)化功能強(qiáng)大，設(shè)備的運(yùn)行噪聲，使用壽命長(zhǎng)

節(jié)電設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)控、管理功能屬國(guó)內(nèi)外首創(chuàng)。其具有較強(qiáng)的組網(wǎng)能力，由RS485接口、PC連接，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制；利于集中控制管理，布線簡(jiǎn)潔、運(yùn)行可靠；用戶選擇范圍廣；組建系統(tǒng)靈活、簡(jiǎn)便。

5.3 技術(shù)參數(shù)

（1）輸入電源電壓：三相AC380 V～480 V±10%。

（2）輸出電源頻率：0～650 Hz。

（3）環(huán)境安裝要求：室內(nèi)安裝，海拔1000m以下，溫度0～400℃，濕度≤90%，無塵埃，無強(qiáng)烈震動(dòng)，無凝露，無腐蝕性氣體。

（4）功率范圍：7.5～630 kW。

（5）間歇過載能力：115%持續(xù)時(shí)間1 min。

（6）操作方式：手動(dòng)、自動(dòng)。

（7）冷卻方式：強(qiáng)制風(fēng)冷。

（8）控制柜防護(hù)等級(jí)：IP21。

6 改造后的效益情況

本單位風(fēng)機(jī)節(jié)能改造后，通過山西省節(jié)能監(jiān)測(cè)中心的測(cè)評(píng)，平均節(jié)電率達(dá)45.3%總功率由原先264 kW降到144 kW，日節(jié)電2870度，按每度電0.6元計(jì)算，每月可節(jié)約用電5.16萬元，每年可節(jié)省60多萬元。除上述直接的經(jīng)濟(jì)效益外，此次的節(jié)電能及時(shí)地應(yīng)用也給其他煤礦帶來了示范作用，推進(jìn)了全社會(huì)節(jié)能降耗觀念的形成，其良好的社會(huì)效益也是不可低估的。