程　君　齊華軍

(南京梅山冶金發(fā)展有限公司礦業(yè)分公司)

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礦井通風(fēng)系統(tǒng)變頻技術(shù)的應(yīng)用分析

程君齊華軍

(南京梅山冶金發(fā)展有限公司礦業(yè)分公司)

摘要為節(jié)能減排、降低原礦開采成本，梅山鐵礦結(jié)合井下礦山特點，通過對風(fēng)機變頻器運行的物理環(huán)境、電氣環(huán)境以及后期維護保養(yǎng)等問題進行了變頻技術(shù)改造應(yīng)用的可行性分析，并利用風(fēng)機特性曲線與風(fēng)阻特性曲線的交點與頻率的關(guān)系，計算出不同頻率下的通風(fēng)能耗，為井下Ⅰ級主通風(fēng)機變頻技術(shù)改造提供了可靠的依據(jù)。

關(guān)鍵詞變頻技術(shù)通風(fēng)機調(diào)速節(jié)能

變頻調(diào)速器是機電一體化的高新技術(shù)產(chǎn)品，是國家推廣的節(jié)能技術(shù)，具有軟啟動、高效率、高功率因數(shù)、無級調(diào)速范圍廣的特點，在冶金、礦山、化工行業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。

南京梅山鐵礦是國內(nèi)大型地下礦之一，建礦五十多年來，不斷發(fā)展壯大，采礦裝備水平和主要經(jīng)濟技術(shù)指標在全國地下礦山處于領(lǐng)先地位。此次為了響應(yīng)國家節(jié)能減排的號召，降低原礦的開采成本，將對井下-402 m通風(fēng)系統(tǒng)Ⅰ級通風(fēng)機站8臺風(fēng)機進行變頻調(diào)速控制改造，通過變頻器應(yīng)用的可行性分析和數(shù)據(jù)計算，為井下Ⅰ級主通風(fēng)機變頻技術(shù)改造提供了可靠的依據(jù)和理論基礎(chǔ)。

1風(fēng)機變頻控制原理及特點

20世紀70年代以來，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，作為交流調(diào)速系統(tǒng)核心的變頻調(diào)速技術(shù)得到了顯著的發(fā)展，并逐漸進入了實用階段。變頻器技術(shù)是一門綜合性的技術(shù)，它建立在控制技術(shù)、電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)和計算機技術(shù)的基礎(chǔ)之上，并隨著這些技術(shù)的發(fā)展而不斷得到發(fā)展。

1.1變頻原理

變頻器是利用電力半導(dǎo)體器件的通斷作用將工頻電源變換為另一頻率的電能控制裝置。大部分變頻器主要采用交—直—交方式，先將工頻交流電源通過整流器轉(zhuǎn)換成直流電源，然后將直流電源轉(zhuǎn)換成頻率、電壓均可控制的交流電源以供給電動機。

1.2井下風(fēng)機變頻調(diào)速技術(shù)優(yōu)點

變頻調(diào)速技術(shù)是國家推廣的節(jié)能技術(shù)，在冶金、礦山、化工行業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。風(fēng)機變頻驅(qū)動與普通的降壓啟動相比較，在電機驅(qū)動、風(fēng)量調(diào)節(jié)、節(jié)能優(yōu)勢上有其突出的優(yōu)點。

首先從風(fēng)機驅(qū)動性能上進行比較，變頻器驅(qū)動具有軟起、軟停以及過流、電機過載、變頻器過載、欠壓、直流過壓、過熱、輸入缺相、接觸器吸合不良等保護功能，能克服普通降壓啟動對降壓啟動柜內(nèi)接觸器、繼電器等電氣原件的機械磨損、啟動電流過大造成電機過熱、縮短電機使用壽命的缺陷。

其次從風(fēng)量的調(diào)節(jié)性能分析，變頻是無極調(diào)節(jié)，可實現(xiàn)風(fēng)量的連續(xù)調(diào)節(jié)，是進行風(fēng)機運行工況最簡單且節(jié)能顯著的調(diào)節(jié)方式，而采用普通降壓啟動是通過開停風(fēng)機調(diào)節(jié)風(fēng)量，只能進行跳躍式風(fēng)量調(diào)節(jié)。根據(jù)目前梅山鐵礦井下通風(fēng)系統(tǒng)特點，因Ⅳ級回風(fēng)機站已經(jīng)建立，礦井通風(fēng)系統(tǒng)總風(fēng)量主要受Ⅳ級回風(fēng)機站控制，可以結(jié)合Ⅳ級回風(fēng)機站風(fēng)機的開停組合與Ⅰ級進風(fēng)機站風(fēng)機開停及變頻調(diào)速相結(jié)合，實現(xiàn)礦井通風(fēng)量的連續(xù)調(diào)節(jié)。

再次從風(fēng)機通風(fēng)能耗上比較，將變頻調(diào)速技術(shù)運用于大功率長期連續(xù)運行的風(fēng)機負載驅(qū)動能取得顯著的通風(fēng)節(jié)能經(jīng)濟效益。風(fēng)機設(shè)備傳統(tǒng)的調(diào)節(jié)方法是通過調(diào)節(jié)入口或出口的擋板調(diào)節(jié)給風(fēng)量，當(dāng)風(fēng)機輸入功率較大，大量的電能消耗在擋板的截流過程。而使用變頻調(diào)速時，根據(jù)生產(chǎn)需要，當(dāng)需風(fēng)量減小時，通過調(diào)節(jié)風(fēng)機頻率，降低風(fēng)機的轉(zhuǎn)速即可滿足要求。同時，在變頻器內(nèi)部濾波電容的作用下，減少了無功損耗，增加了電網(wǎng)的有功功率。

按照礦山通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計特點，風(fēng)機選型一般按照通風(fēng)困難時期通風(fēng)阻力、風(fēng)量進行選型。一般供風(fēng)能力偏大，特別是在礦井投產(chǎn)初期和通風(fēng)系統(tǒng)改造后，供風(fēng)余量較大。若能根據(jù)井下作業(yè)時段、作業(yè)情況進行按需供風(fēng)，通過風(fēng)機變頻調(diào)速控制，將取得明顯的通風(fēng)節(jié)能效果。

2風(fēng)機變頻可行性分析

2.1變頻器運行的物理環(huán)境

變頻器內(nèi)部是大功率的電子元件，對運行環(huán)境有一定要求，工作溫度在-10～40 ℃，相對濕度 <90%，粉塵濃度相對較小[1]。對于井下變頻器應(yīng)用，可通過對變頻器安裝硐室及變頻控制柜的合理設(shè)計，滿足變頻器對工作環(huán)境的要求。

(1)變頻控制柜內(nèi)通風(fēng)散熱、防塵。變頻器自帶冷卻風(fēng)扇，變頻控制柜設(shè)置進、排氣口，頂部設(shè)排氣扇，有利于變頻器的通風(fēng)散熱，發(fā)熱元件或易發(fā)熱的元件在變頻器的上部安裝。變頻控制柜柜體做好密封，進氣口安裝防塵過濾網(wǎng)，加強變頻控制柜的后期清灰維護工作。

(2)變頻柜安裝硐室通風(fēng)散熱、排塵。根據(jù)梅山鐵礦井下通風(fēng)條件、已掘進的通風(fēng)變電所硐室空間結(jié)構(gòu)，此次Ⅰ級進風(fēng)機站的8臺風(fēng)機均采用變頻器驅(qū)動，設(shè)置8臺變頻控制柜，將變頻控制柜直接安裝在通風(fēng)變電所硐室內(nèi)。通風(fēng)變電所硐室空間較大，均有2個進出口，形成1進1出的U型式通風(fēng)方式，同時，此次通風(fēng)機站為進風(fēng)機站，從地表直接進入南、北風(fēng)井的新鮮、低溫風(fēng)流經(jīng)南、北進風(fēng)井在風(fēng)機負壓作用下直接進入-402 m水平，再經(jīng)風(fēng)機、進風(fēng)巷沿途通過通風(fēng)變電所硐室，風(fēng)源風(fēng)質(zhì)接近地表新鮮空氣，同時新鮮風(fēng)流含塵相對較少、空氣溫度及濕度較低，有利于硐室內(nèi)變頻器等電氣設(shè)備的通風(fēng)散熱降溫、設(shè)備的可靠運行，減少粉塵集聚。同時，設(shè)備布局同樣較為寬松，均有利于通風(fēng)散熱排塵。

2.2變頻器運行的電氣環(huán)境

變頻器在工作中由于整流和變頻，周圍產(chǎn)生干擾電磁波，這些高頻電磁波對附近的儀表、儀器有一定的干擾。諧波干擾嚴重時，會導(dǎo)致有些設(shè)備不能正常運行[1]。因此，變頻控制柜內(nèi)所有的元器件均應(yīng)可靠接地，各電氣元件、儀器及儀表之間的連線應(yīng)選用屏蔽控制電纜，且屏蔽層接地良好。

為了改善變頻器的電氣使用環(huán)境，在變頻控制柜加裝進線濾波器，既能阻止來自電網(wǎng)的干擾，又能減少整流單元產(chǎn)生的諧波電流對電網(wǎng)的污染，提高電網(wǎng)的功率因數(shù)，保證變頻器及其他負載的安全運行，確保其他設(shè)備不受諧波干擾影響；同時，加裝出線電抗器補償長線分布電容的影響，并能抑制變頻器輸出的諧波，同時起到減小變頻器噪聲的作用。

2.3變頻器后期維護保養(yǎng)

結(jié)合目前變頻器市場產(chǎn)品性能逐漸改進完善，產(chǎn)品對環(huán)境適應(yīng)性加強?？紤]到井下變頻器安裝使用的特殊環(huán)境，為了延長變頻器的使用壽命，保證系統(tǒng)正常運行，對變頻器的定期檢查和保養(yǎng)是非常重要和有效的。使用單位必須嚴格按照產(chǎn)品說明書的要求，做好變頻器后期保養(yǎng)、維護。

3風(fēng)機工況點調(diào)節(jié)及變頻調(diào)速

3.1風(fēng)機工況點調(diào)節(jié)

風(fēng)機在一定轉(zhuǎn)速運行時，風(fēng)機特性曲線與風(fēng)阻特性曲線的交點即為實際運行的工況點，風(fēng)阻特性曲線由一條上凹的二次曲線，風(fēng)機特性曲線(軸流式風(fēng)機)為一條下凹的曲線，兩者的交點即為工況點[2]。此時，對應(yīng)的風(fēng)量Q、風(fēng)壓H、功率N、效率η為通風(fēng)主要參數(shù)。

風(fēng)機工況點由風(fēng)機特性曲線與風(fēng)阻特性曲線共同決定，因此，工況點的調(diào)節(jié)可以從風(fēng)阻特性曲線、風(fēng)機特性曲線的調(diào)節(jié)著手。

(1)改變風(fēng)阻特性曲線。根據(jù)風(fēng)壓與風(fēng)量的二次方關(guān)系式H=RQ2，可以知道改變礦井總風(fēng)阻可以改變風(fēng)量及風(fēng)壓。如新掘進、回風(fēng)井通道，與原有進回風(fēng)通道構(gòu)成并聯(lián)結(jié)構(gòu)減少了礦井總風(fēng)阻，或擴刷巷道斷面(摩擦風(fēng)阻與巷道斷面的立方成反比關(guān)系)減少總風(fēng)阻、或者減小局部阻力等措施均可以減少礦井總風(fēng)阻。

通過改變風(fēng)阻特性曲線是改變風(fēng)機工況點的方法之一，見圖1。在一定風(fēng)阻條件下，風(fēng)阻特性曲線為R＇0，與風(fēng)機特性曲線交于M0，當(dāng)增加總風(fēng)阻時，風(fēng)阻曲線變陡峭，風(fēng)阻曲線變?yōu)镽＇1,與風(fēng)機特性曲線交于M＇1，風(fēng)量Q＇1Q0。

圖1　改變風(fēng)阻特性曲線時工況點變化

(2)改變風(fēng)機特性曲線。改變風(fēng)機特性曲線可以根據(jù)風(fēng)機的不同形式采用不同的方法，對于非煤礦山大多數(shù)選用礦用軸流式風(fēng)機，對于軸流式風(fēng)機可以進行葉片安裝角度以及風(fēng)機變頻調(diào)速的方式改變風(fēng)機特性曲線。風(fēng)機經(jīng)設(shè)計選型后，廠家按照設(shè)計要求的葉片安裝角度加工出廠，礦山企業(yè)在施工安裝時一般不再進行葉片安裝角度的改變，受井下粉塵、潮濕等作業(yè)環(huán)境影響，后期需要改變風(fēng)量時，很難進行葉片角度的調(diào)節(jié)。因此，對于軸流式風(fēng)機采用改變風(fēng)機變頻轉(zhuǎn)速方式是改變風(fēng)機特性曲線，成為調(diào)節(jié)工況的主要方法。風(fēng)機在不同轉(zhuǎn)速時的特性曲線見圖2。

圖2　風(fēng)機在不同轉(zhuǎn)速時的特性曲線

礦井某個生產(chǎn)期間風(fēng)阻特性是基本穩(wěn)定不變的，額定轉(zhuǎn)速時風(fēng)機的特性曲線Ⅰ與風(fēng)阻曲線的交點M0即為風(fēng)機的運行工況點。根據(jù)風(fēng)機功率N=HQ/η，H與Q所圍成的面積相當(dāng)于風(fēng)機功率大小(圖2中虛線所圍的面積)。

假設(shè)工頻運行時風(fēng)機特性曲線與管網(wǎng)曲線交于M0，風(fēng)量為Q0，風(fēng)機特性曲線為序號0曲線，風(fēng)壓為H0。通過降低頻率至f1，此時，風(fēng)量為Q1，風(fēng)壓為H1，風(fēng)機的特性曲線形狀幾乎沒有改變，風(fēng)機特性曲線為序號1曲線，與風(fēng)阻特性曲線交于M1，此時工況點從M0移動至M1，繼續(xù)降低頻率至f2，此時，風(fēng)量為Q2，風(fēng)壓為H2，風(fēng)機特性曲線為序號1曲線，與風(fēng)阻特性曲線交于M2，此時工況點由M1移動至M2。

從圖2可明顯地看出，當(dāng)降低頻率減少風(fēng)量時，風(fēng)壓隨之減少，且風(fēng)壓改變速率大于風(fēng)量減少，而風(fēng)量與風(fēng)壓所圍成的面積減少更快，風(fēng)量減少時虛線所圍成的面積明顯逐漸減小，S0-Q0-M0-H0>S0-Q1-M1-H1>S0-Q2-M2-H2，所圍面積直觀地表明了風(fēng)機所消耗的功率逐漸減小，達到了顯著的通風(fēng)節(jié)能的效果。

綜上兩種改變風(fēng)機工況的方法(實際調(diào)節(jié)時也可以同時改變風(fēng)阻特性曲線和風(fēng)機特性曲線)，一般要盡量利用現(xiàn)有通風(fēng)工程，減小礦井總風(fēng)阻，增大風(fēng)量。當(dāng)然，對于風(fēng)量的增減，根據(jù)生產(chǎn)需要按需供風(fēng)，同時提高有效風(fēng)量。因此，改變風(fēng)機轉(zhuǎn)速的工況點調(diào)節(jié)，是一種最為簡單且節(jié)能顯著的方式。

3.2風(fēng)機并聯(lián)聯(lián)合運行工況

在礦井通風(fēng)系統(tǒng)中，為了增加通風(fēng)系統(tǒng)中的風(fēng)量，采用風(fēng)機并聯(lián)聯(lián)合運行。聯(lián)合運行的工況由風(fēng)機的特性曲線與風(fēng)阻特性曲線共同決定。一般說來，2臺同型號的風(fēng)機并聯(lián)運行后總風(fēng)量增加。

若在一條裝機巷道采用不同型號的風(fēng)機并聯(lián)運行或者兩條并聯(lián)裝機巷道之間不同型號、不同數(shù)量風(fēng)機并聯(lián)運行，將可能造成聯(lián)合運行工況的惡化，并聯(lián)后風(fēng)機風(fēng)量可能并不增加，甚至可能通過通風(fēng)能力小的風(fēng)機或者通風(fēng)能力小的裝機巷道發(fā)生反向流動，如圖3所示1#裝機巷道為2臺同型號風(fēng)機，2#裝機巷道為2臺同型號風(fēng)機，但是通風(fēng)能力大于1#裝機巷道通風(fēng)能力。

圖3　并聯(lián)風(fēng)機布置形式示意圖(不同型號、轉(zhuǎn)速風(fēng)機)

如圖4所示，兩臺不同型號或轉(zhuǎn)速的1#風(fēng)機(或者裝機巷道1)與2#(或者裝機巷道2)風(fēng)機并聯(lián)后總性能曲線為1#+2#，當(dāng)風(fēng)阻曲線R較為平緩時，風(fēng)阻曲線R與1#+2#性能曲線沒有交點，造成運行工況惡化，使得總流量可能通過2#風(fēng)機(或裝機巷道2)反向流動。

圖4　并聯(lián)聯(lián)合運行工況(不同型號、轉(zhuǎn)速風(fēng)機)

3.3風(fēng)機變頻調(diào)速

根據(jù)交流異步電動機的轉(zhuǎn)速表達式：

(1)

式中，n為異步電動機的轉(zhuǎn)速；f為異步電動機的頻率；s為電動機轉(zhuǎn)差率；p為電動機極對數(shù)[3]。

改變f、s、p任何一項值都可以改變電動機的轉(zhuǎn)速，但由于在實際應(yīng)用中改變s、p來實現(xiàn)調(diào)速的設(shè)備比較復(fù)雜，調(diào)速效率低、范圍小，而且電動機選定后一般s、p為定值。因此，改變電源頻率可以改變電動機的轉(zhuǎn)速，從而達到變頻調(diào)速，通過改變電動機電源頻率實現(xiàn)速度調(diào)節(jié)，是一種理想的高效率、高性能的調(diào)速手段。

根據(jù)流體力學(xué)的比例定律，從理論上分析可以得出風(fēng)機風(fēng)量、風(fēng)壓、風(fēng)機功率與頻率之間的特性關(guān)系。

風(fēng)量Q等于流速V乘以斷面積S，而流速V正比于電機轉(zhuǎn)速n，電機轉(zhuǎn)速n正比于電源頻率f，得出：

Q1/Q2=V1/V2=n1/n2=f1/f2

風(fēng)壓H等于風(fēng)阻R與風(fēng)量Q的平方之積即：H=RQ2，風(fēng)阻R是空氣密度、巷道粗糙程度、斷面、周長、沿程長度參數(shù)的函數(shù)，也稱之為巷道管網(wǎng)系數(shù)，在礦井通風(fēng)的一定時期認為不變即改變風(fēng)機特性風(fēng)阻R保持不變，得：

風(fēng)機功率N等于風(fēng)壓與流量之積，即：N=HQ/η=(RQ2)Q/η=RQ3，改變運行頻率時，效率基本保持不變，得出：

在通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)模擬解算中，通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算軟件自帶變頻調(diào)速下風(fēng)機特性曲線計算分析過程，自動進行風(fēng)機工況點的調(diào)節(jié)，并能計算出不同頻率下的通風(fēng)能耗。

4結(jié)語

通過對風(fēng)機變頻器運行的物理環(huán)境、電氣環(huán)境以及后期維護保養(yǎng)等問題的可行性分析，風(fēng)機特性曲線與風(fēng)阻特性曲線的交點與頻率的關(guān)系，以及計算出不同頻率下的通風(fēng)能耗，可以得出風(fēng)機采用變頻技術(shù)后，節(jié)能效果非?？捎^。后續(xù)在改造基礎(chǔ)上，可以考慮在通風(fēng)巷道中安裝流量檢測裝置，將風(fēng)量信號遠傳到DCS上，與變頻器構(gòu)成PID調(diào)節(jié)，實現(xiàn)閉環(huán)控制，自動跟蹤風(fēng)量，滿足生產(chǎn)需要，從而實現(xiàn)從閉環(huán)控制上達到節(jié)能的目的。

參考文獻

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[2]劉殿武，楊勝強．礦井通風(fēng)技術(shù)[M]．北京：煤炭工業(yè)出版社，2009．

[3]戴文進，肖倩華．電機與電力拖動基礎(chǔ)[M]．北京：清華大學(xué)出版社，2012．

(收稿日期2015-11-27)

程君(1982—)，男，工程師，210041 江蘇省南京市雨花臺區(qū)西善橋。