袁梅芳

(湖南有色冶金勞動保護研究院)

經(jīng)對湖南省18個有色金屬、黃金礦山的井下通風(fēng)系統(tǒng)測定和統(tǒng)計，通風(fēng)系統(tǒng)能耗占整個礦井能耗的24.4%～40.5%。近幾年來部分礦山通風(fēng)節(jié)能效果雖有一定改善，但通過復(fù)雜的控制系統(tǒng)，要實現(xiàn)自動控制主風(fēng)機轉(zhuǎn)速及輸出風(fēng)量，需要增加前期較大的投資和維護成本。因此，研究一種適合于各礦山采掘作業(yè)時間安排、并且控制簡單、維護量少的控制系統(tǒng)，在不同作業(yè)時段調(diào)節(jié)主風(fēng)機轉(zhuǎn)速及輸出不同風(fēng)量，既能保證良好的通風(fēng)效果，又能達到在變頻調(diào)速的基礎(chǔ)上進一步節(jié)能的目的，是我國采礦界面臨的一個具有現(xiàn)實意義的課題。

1 變頻器控制通風(fēng)系統(tǒng)主風(fēng)機節(jié)能機理

(1)主風(fēng)機轉(zhuǎn)速與風(fēng)量的關(guān)系。風(fēng)機屬平方轉(zhuǎn)矩負載，轉(zhuǎn)速n的變化，將引起電機轉(zhuǎn)矩T和功率P的變化。由流體力學(xué)理論可知，在只改變風(fēng)機轉(zhuǎn)速的條件下，風(fēng)機轉(zhuǎn)速與風(fēng)量一次方成正比［1］:式中，n1為風(fēng)機的轉(zhuǎn)速，m/s;n2為風(fēng)機變速后的轉(zhuǎn)速，m/s;Q1為風(fēng)機的風(fēng)量，m3/s;Q2為風(fēng)機變速后的風(fēng)量，m3/s。

由式(1)可見，使用變頻器改變主風(fēng)機轉(zhuǎn)速，其風(fēng)量成正比例的變化。

(2)風(fēng)機轉(zhuǎn)速與風(fēng)壓的關(guān)系。風(fēng)機的轉(zhuǎn)速平方與風(fēng)壓成正比［1］:

式中，Pst1為風(fēng)機的靜壓，Pa;Pst2為風(fēng)機變速后的靜壓，Pa。

(3)風(fēng)機轉(zhuǎn)速與功率的關(guān)系。風(fēng)機轉(zhuǎn)速三次方與風(fēng)機輸出功率成正比［1］:

式中，N1為風(fēng)機的輸出功率，kW;N2為風(fēng)機變速后的輸出功率，kW。

從式(3)清楚地看出，采用變頻器降低主風(fēng)機的轉(zhuǎn)速，則風(fēng)機的輸出功率將以三次方量級減少，體現(xiàn)出顯著的節(jié)能效果［2］。

2 變頻器控制主風(fēng)機與礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)匹配節(jié)能分析

2.1 礦井通風(fēng)系統(tǒng)主風(fēng)機選型的依據(jù)

目前國內(nèi)工程技術(shù)人員設(shè)計礦井通風(fēng)系統(tǒng)在主風(fēng)機選型的依據(jù)是:

(1)主風(fēng)機風(fēng)量的確定是根據(jù)礦井開采中期最大年產(chǎn)量和生產(chǎn)特點，按礦井同時作業(yè)的各工作點需要的最大風(fēng)量和需要獨立通風(fēng)硐室(水泵房、炸藥房、提升機房等)的風(fēng)量之總和，同時還要考慮礦井漏風(fēng)，生產(chǎn)不均衡及風(fēng)量調(diào)節(jié)的難易程度等因素，再乘以1.1～1.5的風(fēng)量備用系數(shù)之后所得的風(fēng)量作為選取主風(fēng)機型號的依據(jù)［3］。

(2)主風(fēng)機風(fēng)壓的確定原則:在確定風(fēng)量的基礎(chǔ)上，計算礦井通風(fēng)總阻力時是選擇一條摩擦阻力最大的通風(fēng)線路，同時考慮通風(fēng)局部阻力、風(fēng)機裝置阻力、風(fēng)流流到大氣的出口動壓損失及與風(fēng)機風(fēng)向相反的自然風(fēng)壓之總和，作為選取主風(fēng)機的風(fēng)壓。

(3)一般是按主風(fēng)機使用10～20 a服務(wù)年限選取。一個礦井從最初開始投產(chǎn)到開采至中期最大產(chǎn)量是要經(jīng)過調(diào)試和多年發(fā)展過程的，而設(shè)計人員選擇主風(fēng)機的服務(wù)年為10～20 a。主風(fēng)機一經(jīng)投入運行均在工頻50 Hz條件運轉(zhuǎn)，在開采初期產(chǎn)量小、風(fēng)量過剩，如果不對主風(fēng)機進行變頻器控制，則主風(fēng)機在10～20 a的時間內(nèi)，其轉(zhuǎn)速、風(fēng)量、風(fēng)壓、功率均不變，勢必造成很大的能源浪費。

2.2 改變主風(fēng)機頻率與不同生產(chǎn)時期通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)匹配

使用變頻器調(diào)整主風(fēng)機的電機轉(zhuǎn)速，則風(fēng)機的風(fēng)量、風(fēng)壓、輸出功率均發(fā)生相應(yīng)的變化。在礦井生產(chǎn)系統(tǒng)建成的初期，通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)簡單需風(fēng)量少:當(dāng)?shù)V井開采到中期產(chǎn)量大、通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)也較復(fù)雜、需風(fēng)量也增大;當(dāng)?shù)V井進入深部開采時，通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)的阻力大需風(fēng)量更大，所以對主風(fēng)機進行變頻調(diào)速，使主風(fēng)機與3個不同開采時期的通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)真正的匹配，既能滿足各開采時期的風(fēng)量、風(fēng)壓要求，又能在10～20 a內(nèi)節(jié)約大量的能源消耗。

3 LOGO分時段控制主風(fēng)機轉(zhuǎn)速節(jié)能效果

3.1 礦山井下采掘作業(yè)的時間安排

大多數(shù)礦山井下工作的實際情況是白班多，晚班少。這一方面是隨著物質(zhì)和文化生活水平的提高，井下工人更加注重身體健康，都不愿意上晚班，另一方面是經(jīng)統(tǒng)計，晚上從事采、掘、爆破等主要作業(yè)發(fā)生事故的概率特別高，所以現(xiàn)在大部分礦山井下主要采、掘、爆破等作業(yè)都是安排在白天上班，而且作業(yè)人員多需風(fēng)量大，晚上只是安排少部分放礦、設(shè)備維修等輔助作業(yè)，并且晚上井下作業(yè)人員少需風(fēng)量也小。

3.2 根據(jù)不同的作業(yè)時段自動控制主風(fēng)機轉(zhuǎn)速

LOGO是一種微型可編程序控制模塊，其特點是:體積小，性能價格比高、編程方便簡單(適用于控制不是很復(fù)雜的場合)。將LOGO與變頻器組合形成對主風(fēng)機進一步調(diào)速節(jié)能的控制系統(tǒng)，由LOGO來實現(xiàn)對主風(fēng)機分晝夜時段不同轉(zhuǎn)速控制比較簡單，如選用一個8入4出230PC本機模塊直接輸出，對時間進行編程控制變頻器的兩檔輸出速度，根據(jù)各礦山采掘爆破作業(yè)具體時段設(shè)置，實現(xiàn)白天、晚上自動調(diào)整主風(fēng)機的轉(zhuǎn)速，使主風(fēng)機晝夜以不同的轉(zhuǎn)速運行，從而達到比單一的變頻器調(diào)速更加節(jié)能的目的。

3.3 LOGO分時段控制變頻主風(fēng)機轉(zhuǎn)速節(jié)能應(yīng)用

水口山有色金屬有限責(zé)任公司康家灣礦采用斜坡道開采，采礦量45萬t/a，井下通風(fēng)系統(tǒng)是中央進風(fēng)兩翼對角軸出式通風(fēng)，即新鮮空氣從斜坡道和豎井進入井下，污風(fēng)從1#、2#回風(fēng)井排到地表。

井下工人白天是兩班6 h工作制，即從8:00～20:00之間是采礦、掘進、爆破、汽車運礦、并且井下工作人員多需風(fēng)量大，晚上20:00至次日早晨8:00之間井下只有少量設(shè)備檢修和排水人員作業(yè)需風(fēng)量小。根據(jù)井下的作業(yè)工種和人員多少的實際情況，為了節(jié)約能源，對1#回風(fēng)井DK40－6－No21－2×220 kW主風(fēng)機采用LOGO分時段調(diào)速，即8:00～20:00時段，2×220 kW主風(fēng)機電機轉(zhuǎn)速由980 r/min(額定轉(zhuǎn)速)調(diào)到850 r/min時運行功率為288.5 kW(能滿足生產(chǎn)需要)，晚上20:00至次日早晨8:00主風(fēng)機的轉(zhuǎn)速由850 r/min降到500 r/min，運行功率65.8 kW，采用LOGO分時段調(diào)整的節(jié)能效果見表1。

4 結(jié)語

(1)將DK40－6－No21－2×220 kW主風(fēng)機變頻后，每年節(jié)電950 460 kWh，節(jié)約電費80.79萬元。既取得了第一步節(jié)能效果，又能使主風(fēng)機與通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)達到良好的匹配。

表1 主風(fēng)機變頻及LOGO分時段調(diào)速前后年耗能比較

(2)在對主風(fēng)機變頻的基礎(chǔ)上，使用LOGO在20:00至次日早晨8:00時段再將主風(fēng)機轉(zhuǎn)速調(diào)到500 r/min，每年節(jié)電975 426 kWh，節(jié)約電費82.91萬元。解決了非主要作業(yè)時段主風(fēng)機“大馬拉小車”的能源浪費問題，達到了第二步良好的節(jié)能效果。

(3)使用LOGO在8:00～20:00時間段又可以使主風(fēng)機轉(zhuǎn)速由500 r/min自動升到850 r/min運轉(zhuǎn)，繼續(xù)滿足井下主要采掘爆破作業(yè)的通風(fēng)要求。

(4)將LOGO與變頻器組合實現(xiàn)對主風(fēng)機分時段節(jié)能控制，節(jié)能效果顯著，控制系統(tǒng)簡單，投資少，是目前礦山主風(fēng)機節(jié)能的有效途徑，具有廣泛的推廣前景和實用價值。

［1］ 商景泰.通風(fēng)機手冊［M］.北京:機械工業(yè)出版社，1996.

［2］ 潘永沛，赫崇俊.用變頻裝置控制拖動電機轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)風(fēng)機風(fēng)量［J］.本鋼技術(shù)，1996(5):52-55.

［3］ 盧義玉，等.礦井通風(fēng)與安全［M］.重慶:重慶大學(xué)出版社，2006.