施建東

（大同煤礦集團有限責(zé)任公司四臺礦，山西 大同 037003）

1 概述

同煤集團四臺礦空壓機房負責(zé)全礦井風(fēng)動設(shè)備的動力源，屬于高能耗設(shè)備，額定工頻運行。在使用過程中井下用氣量存在不確定性，空壓機不能根據(jù)用氣量的大小自動調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速和空壓機運行臺數(shù)，從而調(diào)整排氣量。當(dāng)用氣量小時，隨著氣壓的增高，卸載閥頻繁動作，造成電能的浪費和設(shè)備的加速損壞；同時缺乏信息化管理和自動化控制，空壓機的設(shè)定參數(shù)、運行參數(shù)、故障信息和冷卻系統(tǒng)的設(shè)定參數(shù)、運行參數(shù)、故障信息不能實時監(jiān)視。本次對空壓機的變頻節(jié)能集控改造實現(xiàn)了該礦空壓機的節(jié)能和集中控制與監(jiān)視，對空壓機節(jié)能降耗，提升自動化控制水平具有重大意義。

2 系統(tǒng)改造前工作原理和存在的問題

四臺礦空壓機房采用雙回路供電，供電電壓6kV，控制回路供電電壓為380VAC。1號、2號空壓機為單電機空壓機功率各為560kW，每臺空壓機采用一臺高壓開關(guān)柜控制。3號、4號空壓機為雙電機空壓機功率為315kW×2，每臺空壓機采用兩臺高壓開關(guān)柜控制。四臺空壓機冷卻方式均為水冷，其冷卻系統(tǒng)包括三臺冷卻水泵、兩臺冷卻風(fēng)扇，工作電壓為380VAC，冷卻系統(tǒng)的水泵、風(fēng)扇由單獨的開關(guān)柜控制。各種設(shè)備供電系統(tǒng)圖如圖1所示。

圖1 改造前空壓機房供電系統(tǒng)圖

該系統(tǒng)存在的主要問題有：

（1）無集控系統(tǒng)。各設(shè)備自由起停，無起停、互鎖的邏輯控制。

（2）無供氣量自動調(diào)節(jié)功能。通過一臺或多臺空壓機直起運行，只能按照單臺空壓機額定供氣量成倍增減總氣量，會造成氣量突增或突減，難以實現(xiàn)氣量供需平衡，造成供氣不足或是供氣過量。

（3）無系統(tǒng)設(shè)備、管路運行狀況監(jiān)控功能。缺乏供氣系統(tǒng)的實時監(jiān)控，無法保證井下實時變化的用氣需求。

3 系統(tǒng)改造情況分析說明

3.1 高壓變頻器及高壓配電柜改造

增加1臺高壓變頻器控制1號空壓機；將原來1號空壓機的高壓開關(guān)柜替換為帶有電能計量功能的開關(guān)柜，當(dāng)做變頻器的進線柜；增加1臺切換柜，正常工作時，KM1閉合，KM2斷開，當(dāng)1號空壓機檢修或者故障時，可以斷開KM1，閉合KM2，用變頻器控制2號空壓機，從而實現(xiàn)一臺變頻器分時控制兩臺空壓機變頻運行，即空壓機分時雙變頻系統(tǒng)。如圖2所示。

在用4臺空壓機通過礦井用風(fēng)量分析對比，通過一臺空壓機的啟停即可滿足生產(chǎn)需要，并實現(xiàn)節(jié)能最優(yōu)，故在此選擇投入1臺高壓變頻器。

圖2 單臺變頻器控制

3.2 低壓配電柜改造

（1）配電室的低壓配電柜由于使用時間過久，部分電氣元件損壞，且負載設(shè)備發(fā)生了變化，已不能滿足現(xiàn)場使用，所以將低壓配電柜全部更換。

（2）原來冷卻系統(tǒng)的水泵及風(fēng)扇的開關(guān)柜只能進行本地控制，沒有遠控功能，且沒有采集電機電壓電流信號，如果需要集控并且進行短路、過載保護，就必須更換新的開關(guān)柜。

改造后的高低壓供電系統(tǒng)如圖3所示。

3.3 改造后實現(xiàn)功能

（1）將現(xiàn)場的4臺空壓機，3臺水泵，2臺風(fēng)扇進行集中控制，依據(jù)空壓機和冷卻系統(tǒng)的邏輯控制關(guān)系，統(tǒng)一由上位機按照起停順序控制。

（2）1號空壓機或2號空壓機可分時使用變頻調(diào)速，且自動變頻模式時，始終保證有一臺空壓機進行著變頻調(diào)速，實現(xiàn)氣量的連續(xù)調(diào)節(jié)。

（3）2號空壓機作為備用空壓機，其既可作為變頻備用，又可作為工頻備用。

（4）實時監(jiān)測空壓機和冷卻系統(tǒng)的運行狀態(tài)及運行參數(shù)。

（5）實時監(jiān)測供氣管路壓力，當(dāng)供氣管路壓力發(fā)生變化時，自動模式下系統(tǒng)進行自動調(diào)節(jié)。

（6）對系統(tǒng)各設(shè)備進行集中保護，發(fā)生故障時，系統(tǒng)報警，作出相應(yīng)停機動作。

（7）可以對系統(tǒng)的運行參數(shù)及故障信息進行記錄，可供隨時查詢。

（8）信息上傳。可將集控系統(tǒng)全部信息上傳調(diào)度室，也可進行遠程網(wǎng)絡(luò)訪問。

圖3 改造后空壓機房供電系統(tǒng)圖

4 節(jié)能控制

4.1 系統(tǒng)節(jié)能原理

通過變頻器調(diào)節(jié)空壓機轉(zhuǎn)速，從而調(diào)節(jié)供氣量，使供氣量始終等于用氣量，避免供氣量大于用氣量時，卸載閥工作，浪費電能。其原理圖如圖4所示。

圖4 空壓機運行曲線

圖中曲線1為空壓機直接控制運行曲線，曲線2為空壓機變頻控制運行曲線，Qn為空壓機額定供氣量，Q1為實際用氣量。從圖中可以看出，直接控制時，空壓機供氣量大于實際用氣量，多余的空氣通過卸載閥而釋放；變頻控制時可以調(diào)整供氣量，使其等于用氣量，從而節(jié)約電能。圖中在0～t3時間段內(nèi)，陰影部分為使用變頻器控制時所節(jié)約的能量。

4.2 控制策略

通過增加變頻器、PLC控制柜、壓力傳感器對空壓機進行PID閉環(huán)控制，使空壓機按需運行在最佳狀態(tài)。變頻器用于調(diào)節(jié)空壓機轉(zhuǎn)速，壓力傳感器用于管網(wǎng)壓力檢測，PLC控制柜用于根據(jù)壓力傳感器反饋值和壓力設(shè)定值進行運算，控制變頻器的運行。根據(jù)供氣系統(tǒng)的運行工況，分為“供氣不足”、“供氣過量”、“供需平衡”三種情況。

（1）供氣不足

當(dāng)檢測到管網(wǎng)壓力小于設(shè)定值下限時，表明“供氣不足”，提高變頻器的頻率輸出，使空壓機轉(zhuǎn)速上升，從而增加空壓機的供氣量。當(dāng)本臺空壓機達到額定供氣量，仍然供氣不足時，需增加一臺空壓機投入運行，此時會出現(xiàn)：①供氣過量，需把變頻器控制的空壓機減速運行，直至管網(wǎng)壓力達到設(shè)定范圍。②仍然“供氣不足”，需增加另一臺空壓機直至出現(xiàn)“供氣過量”時，才可把變頻器控制的空壓機減速運行，直至管網(wǎng)壓力達到設(shè)定范圍。

（2）供氣過量

當(dāng)檢測到管網(wǎng)壓力大于設(shè)定值上限時，表明“供氣過量”，降低變頻器的頻率輸出，使空壓機轉(zhuǎn)速下降，從而減少空壓機的供氣量。當(dāng)本臺空壓機達到最低供氣量，仍然為“供氣過量”時，需減少一臺空壓機投入運行，此時會出現(xiàn)：①“供氣不足”，需把變頻器控制的空壓機加速運行，直至管網(wǎng)壓力達到設(shè)定范圍。②仍然“供氣過量”，需減少另一臺空壓機直至出現(xiàn)供氣不足時，才可把變頻器控制的空壓機加速運行，直至管網(wǎng)壓力達到設(shè)定范圍。

（3）供需平衡

當(dāng)檢測到的壓力在設(shè)定值范圍內(nèi)時，保持變頻器的頻率輸出不變，使空壓機轉(zhuǎn)速恒定，從而使管網(wǎng)壓力維持在設(shè)定范圍。

5 使用效果

5.1 優(yōu)點

（1）該項目采用工頻與變頻相結(jié)合技術(shù)。始終保證有一臺空壓機變頻調(diào)速運行，多臺空壓機配合工頻運行，根據(jù)井下實際用氣量大小，自動控制空壓機運行數(shù)量和變頻運行的速度，實現(xiàn)供氣量與用氣量的動態(tài)平衡，從而減少空壓機卸載閥動作次數(shù)，降低能源消耗，節(jié)約電能。

（2）可實現(xiàn)遠程集中監(jiān)測及控制。具有對空壓機運行數(shù)據(jù)監(jiān)測、記錄、報警等功能，可將監(jiān)測數(shù)據(jù)上傳至調(diào)度室，從而達到空壓機監(jiān)測信息化。

（3）采用一臺變頻器分時控制兩臺空壓機變頻運行，從而實現(xiàn)空壓機分時雙變頻系統(tǒng)。

5.2 節(jié)電量

2015年2月10日在空壓機雙供電回路分別安裝1#電度表、2#電度表，記錄使用空壓機變頻節(jié)能集控系統(tǒng)前、后空壓機總用電量，便于節(jié)電量計算。

電度表采用三相三線有功電度表，額定電壓3×100V，互感器變比75A/5A。

2015年2月10日至2015年5月10日使用空壓機變頻節(jié)能集控系統(tǒng)前用電量：

1#電度表記錄數(shù)值：336.6kW·h

2#電度表記錄數(shù)值：347.1kW·h

總用電量：（336.6+347.1）×（6000/100）×（75/5）=615330kW·h

2015年5月21日至2015年8月21日使用空壓機變頻節(jié)能集控系統(tǒng)后用電量：

1#電度表記錄數(shù)值：201.9kW·h

2#電度表記錄數(shù)值：278.4kW·h

總用電量：（201.9+278.4）×（6000/100）×（75/5）=432270kW·h

節(jié)電率：（615330-432270）/615330=29.75%

年節(jié)電量約為：

4×（615330-432270）=732240kW·h， 基 本 達到預(yù)期指標。

6 結(jié)論

該套集控系統(tǒng)于 2015年5月到礦，對礦內(nèi)各相關(guān)人員進行了原理、操作、維護等培訓(xùn)，并對相關(guān)設(shè)備進行了空載試驗，設(shè)備各種功能運行正常。2015年5月10日安裝調(diào)試正常后，于2015年5月10日在四臺礦空壓機房四臺空壓機上進行工業(yè)性試驗，該系統(tǒng)在性能上達到了預(yù)期的技術(shù)指標。該系統(tǒng)經(jīng)計量統(tǒng)計節(jié)能效果達到了29.75%，卸載閥動作次數(shù)降低了75%；具備變頻節(jié)能、自動控制、在線監(jiān)控、聯(lián)網(wǎng)通訊等功能，達到了空壓機監(jiān)測信息化管理和自動化控制的目標。