牛志寶

（同煤集團四老溝礦綜合管理區(qū)， 山西 大同 037000）

1 案例概述

本次研究以同煤集團四老溝礦作為案例。2009年8月期間，集團為了優(yōu)化自身資源，設計在下屬煤礦開鑿中型煤炭生產(chǎn)礦井，礦井結構由主斜井、副斜井以及一個回風立井組成。為了確保煤礦生產(chǎn)的安全性，企業(yè)為礦井安裝了2臺通風機，其在正常運作期間，最大風量達到11 200 m3/min，而該機械設備的額定轉速則為580 r/min。兩臺通風設備中的一臺用于日常煤礦生產(chǎn)工作，另一臺則作為備用通風設備，避免由于通風設備故障而影響煤礦生產(chǎn)的正常進度。煤炭企業(yè)為每臺通風機都配備了電壓為10 kV的供電設備，并且安裝了防爆電機。

2 變頻調(diào)速節(jié)能構想

煤炭生產(chǎn)期間，礦井處于初期開采階段，井下需要不斷通風才能夠獲取新鮮空氣。根據(jù)礦井對于風量的需求來看，其所需要的額定風量小于現(xiàn)在通風機所供給的額定風量[1]。因此，技術人員需要改變通風機的扇葉來調(diào)整通風角度，并且安排通風障礙來調(diào)節(jié)井下接受通風的狀態(tài)，從而達到需求平衡。但盡管技術人員按照傳統(tǒng)的調(diào)解方式對通風系統(tǒng)做出調(diào)整，卻沒有從根本上轉變通風機設備的運作狀態(tài)，其依然保持超出井下工作需求風量的運作狀態(tài)，消耗著額外的電能資源。原本礦井處于生產(chǎn)初期，其能夠為煤炭企業(yè)帶來的經(jīng)濟收益就相對較少，而耗費多余的電能則在無形中增加了礦井的開采成本。而在高速運作狀態(tài)下的通風機設備由于長期連續(xù)工作，其對設備的內(nèi)部機械零件損傷嚴重。如果在開工之前以直接啟動的形式進行運作，不僅需要花費大量的時間，需要的起動電流也相對較大，可能會影響到電動機的絕緣性能，甚至對電動機造成損傷。從目前通風機的運作情況不難看出，該種電動機設備幾乎不具備自動化功能，無論是調(diào)節(jié)空氣狀態(tài)還是調(diào)節(jié)運行狀態(tài)都需要人工操作完成，該種情況會加大工人的工作負擔，影響煤礦生產(chǎn)效率[2]。

為了改善通風機設備的運行調(diào)節(jié)方式，需要應用先進的變頻調(diào)速技術，以自動化技術來代替通風機設備的人工設置，從而降低設備對資源的消耗。

3 變頻調(diào)速節(jié)能技術原理

3.1 基本原理

變頻調(diào)速節(jié)能技術的基本原理其實就是調(diào)節(jié)通風機設備的轉速。而通風機的轉速可以用公式：n=來表示。其中公式中的f代表的是通風機的電源頻率，而s則代表通風機的轉差率，p則代表通風機的電機極對數(shù)。以變頻調(diào)速節(jié)能技術來轉變通風機設備的轉速，也就是說要轉變n，需要先轉變s、p或者是f。通常最有效的方式就是轉變f來實現(xiàn)對整個通風機設備的運行狀態(tài)調(diào)節(jié)。

3.2 節(jié)能原理

變頻調(diào)速主要節(jié)能原理是根據(jù)流體力學的定律公式來完成對機械設備運行頻率的調(diào)解。該公式表示為

由上式可知，當風機轉速由額定轉速調(diào)節(jié)時，其風量Q、風壓H以及功率P與轉速n之間的關系：風量正比于轉速的一次方，風壓正比于轉速的二次方，軸功率正比于轉速的三次方。由此可知，在較小風量需求下，降低風機轉速，其功率將按轉速的三次方顯著下降。因此變頻調(diào)速技術應用于主通風機具有顯著節(jié)能效果。

3.3 系統(tǒng)結構

同寶煤礦中的通風機設備所采用的變頻調(diào)解器內(nèi)含的控制系統(tǒng)主要為高壓變頻設備，該設備由三個部分組成，分別為功率單元、移相變壓器以及控制器。在該種結構下的變頻器調(diào)解中，系統(tǒng)對通風機設備進行功率控制，形成完善的變頻調(diào)速節(jié)能系統(tǒng)[3]，如圖1所示。

4 變頻調(diào)速節(jié)能技術在煤礦主通風機設備中的應用效果

圖1 變頻器系統(tǒng)結構

煤礦在對通風機設備提出運行系統(tǒng)改造之前每臺通風機設備的額定功率為P0=2×250 kW，而其原本的額定轉速為580 r/min。為了符合礦井內(nèi)部的施工要求，工作人員將設備的葉片角度調(diào)整到-9°的位置。兩臺設備的最大風量都在11 200 m3/min左右。在改造之前，機械設備的工作頻率是50 Hz，在額定的功率下運行，將會產(chǎn)生最大的風量。但經(jīng)過安裝變頻器設備以后，其頻率已經(jīng)受到控制和調(diào)整。當?shù)V井的工作環(huán)境處于容易通風的狀態(tài)下，工作中所需求的風量如果為7 284 m3/min，在保持風門全開的情況下，那么按照比例定律得出，當變頻器對通風設備進行調(diào)整，變動其實際功率，將其調(diào)整為2×P1=2×68.8 kW，那么在設備的轉速達到377 m3/min的時候，其就已經(jīng)能夠滿足礦井工作的需求。

在上述調(diào)節(jié)狀態(tài)下，可以得出，通風設備如果在全年運行的狀態(tài)下，按照每年365天進行計算，其可以節(jié)省用電量為：ΔA=2×（250-68.8）×24×365≈3.17×106kWh。如果每年的電費價格為0.7元/kWh，那么煤炭企業(yè)將會在該處煤礦中每年節(jié)省222.2萬元的電費?？梢姡瑢⒆冾l調(diào)速節(jié)能技術引入到煤礦的通風機設備中具有很明顯的經(jīng)濟效益。除此之外，在該變頻調(diào)節(jié)器的控制下，通風機設備的運行根據(jù)礦井工作環(huán)境而發(fā)生變化，減少了超負荷現(xiàn)象出現(xiàn)，在設備起動機運行階段使設備機械性能的消耗相對減少，延長了機械設備的使用壽命，也降低了設備維修的頻率。可見，該種變頻調(diào)速節(jié)能技術在煤礦通風設備中的應用符合可持續(xù)原則，能夠為煤炭企業(yè)獲取長遠經(jīng)濟利益。

5 結論

1）將變頻調(diào)速節(jié)能技術應用到通風系統(tǒng)當中，不僅提升了煤礦企業(yè)的經(jīng)濟效益，也提升了對通風系統(tǒng)設備的維護效果。

2）將變頻調(diào)速節(jié)能技術應用到通風系統(tǒng)當中，不再以人工形式直接啟動設備，而是以軟啟動的方式啟動設備，避免了過大電流對機械設備所造成的損害，減少了啟動的時間，提升工作效率。

3）運用變頻調(diào)解器，能夠計算出通風設備需要運行的功率，以避免消耗過多能源帶動輕負荷生產(chǎn)作業(yè)。

4）將變頻調(diào)速節(jié)能技術應用到通風系統(tǒng)當中，不僅提升了系統(tǒng)的功率因素，也使通風機系統(tǒng)實現(xiàn)自動化控制。