王志堅

（山西大土河能源科技有限公司，山西 呂梁 033000）

引言

煤炭作為我國的主要能源，工業(yè)重要性一直穩(wěn)居前列，然而隨著市場超產能現(xiàn)象日趨嚴重，由來已久能耗問題也引起了相關單位的重視，如何實現(xiàn)節(jié)能達產成為眾多煤企的共性目標。

生產初期，主扇風機的選型配置均有較大的余量，尤其是現(xiàn)有高壓主扇風機通常在工頻運行時，均只能以電機負荷運行工況段工作，而不能隨著井下需風量的變化而變化，此時，調節(jié)風量只有通過控制風門蝶閥縫隙大小、調整主扇葉片角度等來控制風量，以便達到適合井下生產的風量。這種情況會造成主扇運行時，主扇運行阻力增大，效率只能達到正常運行的若干分之一，并伴隨有大量電能的消耗，按日常機電部門相關統(tǒng)計，主扇風機的電費占生產用電費的25%左右［1］。

1 設備調節(jié)簡述

常規(guī)的礦用主扇分主、備2臺，一般為每個月倒換一次，在調節(jié)風量時，通常采取3種手段：

1）通過電控閥控制風門蝶閥縫隙的大小來控制風量的大小，投產初期，需要風量較小時，將風門蝶閥打開一半或更小部分，降低風量。

2）按主扇葉片軸上標的固定刻度調整主扇葉片角度，需要風量較大時，將主扇葉片旋轉到數(shù)字較大的刻度處；需要風量較小時，將主扇葉片轉至相反刻度處，這樣做的缺點是，主扇電機的能耗大大增加，反而起不到相應能耗所做功帶來的效益。

3）配有變頻電機的主扇，可采用調整電機運行頻率控制電機的速度，需要多少風量，按頻率進行相應的調整，從而滿足礦井的供風量，也可以實現(xiàn)節(jié)能降耗的目的。

礦用主扇風機變頻器控制方式一般是通過硬接線和用戶的DCS（或PLC）系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)傳輸和信息處理。主扇作業(yè)司機可以按照通風部門技術人員測定的需風量，通過調整DCS組態(tài)王操作界面對主扇電機頻率進行相應的調整，從而調整主扇電機的轉速，達到礦井生產所需的風量，以滿足生產所需。

2 礦用對旋主扇風機工頻運行時存在的問題

目前，煤礦使用的主扇風機系統(tǒng)，按井下生產需風量進行風量調節(jié)時，一種是通過電控閥控制風門蝶閥縫隙的大小來控制風量的大??；另一種是按主扇葉片軸上標的固定刻度調整主扇葉片角度，來調整風量的大小。

從礦用主扇風機在初步設計時選型參數(shù)配置和井下實際生產時所需的實際風量可以看出，主扇風機工頻勻速作業(yè)時會有以下幾個方面的缺陷：

1）電能的嚴重浪費。按照當前煤礦整合后的煤企年產能均在90萬t以上，生產年限均在30年左右，而煤礦在剛投產時到達到設計產能均需10年左右的時間，而煤礦用主扇風機在按初步設計選型配置時，均比設計生產能力要高5%的余量，因此，在生產初期產量達不到生產設計能力時，礦用主扇的功能余量相當大，在10年左右的時間內，礦用主扇風機均處在較輕負載下運行。再加上井下所需風量需調整時，主扇風機通常會通過控制主扇風門蝶閥大小來實現(xiàn)控制風量，這樣就會造成電能的極大浪費，從而增加了電費消耗成本。

2）啟動困難，機械損傷嚴重。礦用主扇風機目前大部分采用的是高壓電控柜直接點動式啟動運行。啟動前，需關閉運行主扇電機，葉輪剎車，關閉風門蝶閥，打開啟運側主扇蝶閥，再點動式啟動運行主扇，由此可見，啟動程序較多，啟動時間均在5～10min之間，這種硬啟動對電機的損傷較重，啟動時電流一般達到運行電流的5～8倍，每啟動一次，都會對電機的絕緣造成不同程度的損傷。每個月倒切換主扇時，若當月對電機保養(yǎng)不到位時，有可能會燒壞電機。主扇風機的電機在對旋啟動運轉時會產生頻率較高的軸向X側振動和軸向Y側振動，這種高頻率的振動很容易對主扇風機其他部件產生共性振動，從而直接降低主扇風機的使用期限［2］。

3）自動化程度低?，F(xiàn)大多數(shù)礦用主扇風機仍延用舊式礦用主扇風機，該類型主扇風機的的風量調節(jié)或依靠調節(jié)風門蝶閥，或改變葉片角度，這類風機自動化程度普遍較低，在使用過程中，機械故障較多，且維修保養(yǎng)工序復雜，部分關鍵部位存在保養(yǎng)死角，無法人工保養(yǎng)到位，諸如此類的問題會直接導致主扇運行時出現(xiàn)緊急停機故障，耽誤生產。

3 礦用對旋主扇風機變頻運行時的優(yōu)點

1）維護量減少。礦用主扇風機在選用變頻控制系統(tǒng)后，可隨時根據(jù)礦井井下采掘工作面的掘進進度所需風量，通過變頻柜控制電機頻率降低或升高電機轉速，以保證主扇風機在額定工況下工作。電機的轉速降低后，相應的共性振動會降低，從而減少對主扇配件的機械性損傷，一方面延長了主扇風機的附件、配件的使用期限，另一方面，合適的井下風量不僅降低了不必要的能耗浪費，也適應了煤企經營困難時期亟待解決的節(jié)能增效目的。

2）工作強度降低。采用變頻調速的礦用主扇風機，其電控系統(tǒng)除高壓系統(tǒng)外，控制系統(tǒng)均采用PLC終端計算機進行信息聯(lián)鎖控制，主扇和備扇之間通過多種傳感器進行保護，主扇運行過程中，一旦有隱患故障，傳感器通過監(jiān)控線傳給PLC終端計算機，PLC經過信息轉換，將故障畫面顯示在計算機桌面上，形成報警點提醒主扇作業(yè)司機進行故障匯報或處理。這與以前的人為查隱患、除故障作業(yè)方式相比，節(jié)省了大量的人工勞動，安全系數(shù)更高［3］。

3）減少了對電網(wǎng)的沖擊。礦用主扇在變頻調速系統(tǒng)的應用過程當中，全程均為軟啟動作業(yè)模式，高壓電機從啟動瞬間到運行穩(wěn)定，電流均不會有大的波動，運行電流是從小到大按頻率逐步增高至電機所需轉速。

4 節(jié)能降耗對比

現(xiàn)場工況及負載技術數(shù)據(jù)，見表1。

表1 主扇風機運行參數(shù)

1）以表1煤礦主扇風機為例：井下生產的需風量通常是按生產采掘作業(yè)面需配風量來調整礦用主扇的送風量，當通風系統(tǒng)負責人確定風量大小后，需對主扇風機電機功率進行計算，公式如下：

式中：N為實際所需風量匹配的兩臺電機總功率，kW；Pst為礦井最困難時期總阻力，Pa；Q為礦井最困難時期總風量，m3／s；ηst為按Pst、Q參數(shù)查本樣本的實際運行工況效率；K為功率貯備系數(shù)，一般取K＝1.1～1.15。

根據(jù)以上公式計算出總功率N，按2臺對旋電機均值N／2，以主扇運行曲線圖為依據(jù)，再按照N1＋N2≥N計算出對旋風機的額定功率。

2）工頻運行的主扇風機電能、電費計算。

電機耗電功率計算公式：

累計年耗電量公式：

式中：Pd為電動機功率；Cd為年耗電量值；U為電動機輸入電壓；I為電動機輸入電流；cos為功率因子；T為年運行時間；δ為單臺電機啟運時間百分比。

按照公式（1）、（2）的算法，就能算出工頻運行時單臺電機的年耗電量、電費。

3）變頻狀態(tài)下的年耗電量計算。

對于風機負載，變頻狀態(tài)下的計算如下：

電機耗電功率計算公式：

累計年耗電量公式：

由軸功率：

式中：Pd為電動機軸功率；P′為風機軸功率；Q為風機出口流量，H為風機出、入口壓力差；λ為管網(wǎng)特性系數(shù)。

將礦用主扇風機的參數(shù)代入公式，計算出λ。

按照井下需風量的不同，將不同風量需求下的λ、壓力、流量值分別代入公式，計算求出P′軸功率。

對主扇風機的電動機效率ηd和變頻器的效率ηb進行詳細評估計算后，用查圖表法算出如下結論，見表2。

表2 電動機效率值與變頻器效率值 %

則網(wǎng)側消耗功率：

累計年耗電量公式：

按照上述公式，將相應參數(shù)值套入公式，算出變頻工況時，單臺電機運行時的耗電情況和電費情況，見表3。

表3 單臺電機運行的耗電量和電費表

4）節(jié)能計算。

變頻改造后，將主扇相應參數(shù)套入上述公式，算出單臺電機運行時變頻改造后與工頻相比每年的能耗現(xiàn)狀，見表4。

表4 變頻改造后的能耗量

由于現(xiàn)場為一組對旋風機的兩臺電機同時運行，因此改造變頻后整個系統(tǒng)的年節(jié)電費為196 323×2＝392 645元。

5 結語

現(xiàn)如今，追求內部成本管理已成為各大煤企的核心任務，而礦用主扇作為主要高耗能設備之一，挖掘其經濟效益有相當大的空間，礦用主扇風機進行變頻改造是有效的節(jié)能增效手段之一。

［1］ 廖名鋒.大型風機的高壓變頻調速系統(tǒng)的選型及其應用［J］.變頻器世界，2011（1）：25－26.

［2］ 張皓，續(xù)明進，楊梅.高壓大功率交流變頻調速技術［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2006.

［3］ 竺偉，陳伯時.高壓變頻調速技術［J］.電工技術，1999（3）：30－31.