王 偉，羅小佳

(湖南交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南長沙 410004)

隧道長距離巷道掘進(jìn)中，一般按隧道施工的最大通風(fēng)阻力和最大風(fēng)量來配備通風(fēng)設(shè)備的。但隨著掘進(jìn)的延深，送風(fēng)風(fēng)筒的長度逐漸增加，風(fēng)筒的摩擦阻力和漏風(fēng)量逐漸加大，這樣就要求風(fēng)機(jī)所提供的壓頭和風(fēng)量隨著掘進(jìn)距離的增加而逐漸增加，因此風(fēng)機(jī)運(yùn)行工況是動態(tài)變化的。在掘進(jìn)距離較短時，由于風(fēng)筒的實(shí)際長度小于設(shè)計(jì)時的長度，風(fēng)筒的摩擦阻力損失和漏風(fēng)量都小于設(shè)計(jì)時的值，這就必然導(dǎo)致在掘進(jìn)過程中掘進(jìn)面的通風(fēng)量大于設(shè)計(jì)通風(fēng)量，會出現(xiàn)“大馬拉小車”的現(xiàn)象，其結(jié)果就會造成很大的能源浪費(fèi)，因?yàn)椴徽撏L(fēng)距離的遠(yuǎn)近，風(fēng)機(jī)均在額定功率下運(yùn)行。利用變頻器調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速以適應(yīng)風(fēng)機(jī)的部分負(fù)荷是一種最方便和最節(jié)能的方法，采用變頻器對風(fēng)機(jī)進(jìn)行變速控制，不僅可以滿足掘進(jìn)工作面的通風(fēng)量始終為設(shè)計(jì)值，而且風(fēng)機(jī)的能耗將會顯著減少，將產(chǎn)生巨大的節(jié)能效益。

1 通風(fēng)機(jī)變頻調(diào)節(jié)原理

風(fēng)機(jī)的變頻調(diào)速是通過變頻器改變電機(jī)電源的輸入頻率，從而改變風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)方式。根據(jù)相似律，改變風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，可改變風(fēng)機(jī)的性能曲線，從而使風(fēng)機(jī)運(yùn)行工況點(diǎn)移動，風(fēng)機(jī)風(fēng)壓和風(fēng)量均隨之改變。風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速后，在滿足相似工況的條件下，風(fēng)機(jī)能耗與其轉(zhuǎn)速的三次方成正比［1］。例如，當(dāng)風(fēng)量與轉(zhuǎn)速均下降到80%時，風(fēng)機(jī)所做的有效功率將降低到額定功率的51.2%;當(dāng)風(fēng)量與轉(zhuǎn)速均下降到60%時，有效功率將降低到額定功率的21.6%。

變頻調(diào)速風(fēng)機(jī)系統(tǒng)由變頻調(diào)速器、交流電動機(jī)和風(fēng)機(jī)組成。變頻調(diào)速器用來改變風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而改變風(fēng)機(jī)的性能曲線，降低風(fēng)機(jī)在部分負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)下運(yùn)行能耗，變頻調(diào)速風(fēng)機(jī)功率示意見圖1［2］。

圖1 變頻調(diào)速風(fēng)機(jī)系統(tǒng)示意圖

在圖1中，Nin為總輸入功率，Nm為電機(jī)輸入功率，Ns為風(fēng)機(jī)軸功率、Nt為風(fēng)機(jī)有效輸出功率。從能耗來說，這四種功率中，研究總輸入功率Nin是最有意義的。但目前對變頻調(diào)速風(fēng)機(jī)功率的分析主要集中在軸功率Ns或有效功率Nt上，這是不全面的。

圖1中 ηVFD、ηm、ηp分別為變頻調(diào)速器、交流電動機(jī)、風(fēng)機(jī)在部分負(fù)荷下運(yùn)行時的效率。一般這些效率都不是定值，它們隨風(fēng)機(jī)負(fù)荷的變化而變化。Nin與 Q 和 H 之間的關(guān)系如公式(1)所示［3，4］。

式中，Nin為總輸入功率，kW;H為風(fēng)機(jī)的全壓，Pa;Q為風(fēng)機(jī)的風(fēng)量，m3/s;ηVFD為變頻器效率，ηm為電機(jī)效率，ηp為風(fēng)機(jī)效率，ηVFD、ηm、ηp均為無量綱數(shù)。

2 掘進(jìn)通風(fēng)機(jī)變頻運(yùn)行實(shí)例分析

2.1 工程概況

某隧道掘進(jìn)工作面，計(jì)劃開挖總長度為2 400 m，掘進(jìn)斷面積55.6 m2。掘進(jìn)速度 6 m/d，掘進(jìn)工作面需風(fēng)量為588 m3/mim。采用膠皮送風(fēng)風(fēng)筒，風(fēng)筒直徑為1.00 m，風(fēng)筒摩擦阻力系數(shù) α為0.002 25 N·s2/m4，風(fēng)筒百米漏風(fēng)率為2%，單位電價0.8元/(kW·h)，電機(jī)額定頻率時的效率為0.942。

2.2 掘進(jìn)風(fēng)機(jī)性能參數(shù)

根據(jù)掘進(jìn)工作面所需風(fēng)量和風(fēng)筒的漏風(fēng)情況，計(jì)算風(fēng)機(jī)出口最大需風(fēng)量為16.16 m3/s，風(fēng)筒總的摩擦損失為5 878 Pa，風(fēng)筒出口動壓損失94.5 Pa;集流罩阻力系數(shù)取 0.1，則集流罩阻力為 9.5 Pa［5］。因此，風(fēng)機(jī)全壓損失為5 980 Pa。

選用一臺FBD№8.2/2×75 kW對旋軸流通風(fēng)機(jī)。風(fēng)機(jī)的實(shí)際運(yùn)行工況點(diǎn)為Q=16.06 m3/s，H=5 980 Pa，風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)運(yùn)行工況點(diǎn)如圖2所示。

3 變頻調(diào)節(jié)節(jié)能效益分析

圖2 風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)運(yùn)行工況點(diǎn)

為了可以直觀的認(rèn)識到風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速在巷道掘進(jìn)通風(fēng)中的節(jié)能效率，本文以掘進(jìn)距離每100 m為一個單位，分析比較了風(fēng)機(jī)采用變頻調(diào)速和不采用變頻調(diào)速在整個施工期間內(nèi)的運(yùn)行能耗。表1為在整個施工期間內(nèi)，風(fēng)機(jī)在兩種不同運(yùn)行方式下的能耗比較，以及采用變頻調(diào)節(jié)后的節(jié)能效益。

表1 整個施工期間內(nèi)風(fēng)機(jī)能耗比較

根據(jù)表1可得:不采用變頻調(diào)速控制時整個施工期間的電費(fèi)為54.3萬元，采用變頻調(diào)速控制時的電費(fèi)僅為28萬元，節(jié)省電費(fèi)26.3萬元，節(jié)能效率為48.4%。另外，由于表1是按100 m為一掘進(jìn)段的近似計(jì)算。實(shí)際上，采用變頻調(diào)速控制裝置后風(fēng)機(jī)的實(shí)際能耗可能要高于該計(jì)算值，節(jié)能效率也會低于該計(jì)算值。

4 結(jié)論

1)在設(shè)計(jì)的施工距離內(nèi)，安裝變頻器后，通風(fēng)機(jī)的節(jié)電率從掘進(jìn)距離200 m的87.00%，隨掘進(jìn)延伸到2 300 m下降為1.86%;節(jié)電率隨掘進(jìn)延伸而逐漸衰減，但總節(jié)電率仍達(dá)48.40%，可減少電費(fèi)支出54.3萬元，有顯著的節(jié)能效益。

2)安裝變頻器后，可以有效降低風(fēng)機(jī)的啟動電流，避免了大啟動電流對電網(wǎng)的沖擊和大啟動力矩對電動機(jī)的機(jī)械沖擊，同時可防止風(fēng)機(jī)突然高風(fēng)壓啟動而破壞風(fēng)筒。

［1］周謨?nèi)?流體力學(xué)泵與風(fēng)機(jī)［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，1994.

［2］丁云飛，江長平.變頻調(diào)速水泵的能耗分析［J］.流體機(jī)械，2001，29(3):25－26.

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［5］錢均波.軸流風(fēng)機(jī)集流器阻力損失計(jì)算公式及最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定［J］.山東科技大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，1986(3):72－77.