劉麗珍
(霍州煤電集團(tuán)汾河焦煤公司回坡底煤礦,山西 洪洞 031600)
空氣壓縮機(jī)正常工作是井下巷道掘進(jìn),鉆孔施工等工作正常開展的基礎(chǔ),同時也為井下壓風(fēng)自救提供空氣[1~3]。傳統(tǒng)的空氣壓縮機(jī)控制方式是在空氣壓縮機(jī)房進(jìn)行人工現(xiàn)場控制,由于井下需要不間斷的壓縮空氣,空氣壓縮機(jī)值班機(jī)房需要24h不間斷的安排專人進(jìn)行值班,根據(jù)供氣壓力以及供氣量對空氣壓縮機(jī)完成開、停機(jī)操作[4~5]。值班人員上時間的在值班機(jī)房內(nèi)受到空氣壓縮機(jī)工作噪聲影響十分明顯,長時間的在這種惡劣環(huán)境中工作,會危害值班人員身體健康。采用人工控制空氣壓縮機(jī)方式不能保證提供的壓風(fēng)質(zhì)量,且不能合理的平衡空氣壓縮機(jī)的工作時間、造成部分空氣壓縮機(jī)長時間的空載或者長時間工作。
回坡底礦為210萬t/a的現(xiàn)代化礦井,主采10號、11號煤層。礦井地面空氣壓縮機(jī)房內(nèi)布置有3臺MLGF螺旋式空氣壓縮機(jī),并有2臺擴(kuò)容空間,向井下供風(fēng),在空氣壓縮機(jī)房外部安設(shè)3臺型號為C-18的儲氣罐,1臺空氣壓縮機(jī)用一個儲氣罐??諌簷C(jī)采用高壓啟動方式,啟動時會給供電電網(wǎng)造成一定的沖擊,影響到其他機(jī)電設(shè)備運行,同時需要安排專人進(jìn)行值守,控制空壓機(jī)的啟動,而且耗費大量的電力。因此,礦方?jīng)Q定進(jìn)行空壓機(jī)變頻改造,并結(jié)合采用ACS-4000集中控制,改變空壓機(jī)控制方式,增加空壓機(jī)的利用率,降低電力消耗。
空氣壓縮機(jī)控制系統(tǒng)依據(jù)。
1)井下工作面用風(fēng)情況。井下現(xiàn)有一個綜采工作面、3個掘進(jìn)工作面(1個巖層、2個煤巷),各個工作面的具體用風(fēng)情況見表1。
表1 井下主要工作點用情況
2)工作人員用風(fēng)情況。按照井下每個工作班下井280人進(jìn)行計算,每個人需要的壓縮風(fēng)量按照0.3m3/min。井下工作人員的需風(fēng)量為:
式中:Q為井下工作人員需要總壓風(fēng)量(m3/min);K為壓風(fēng)管理漏風(fēng)系數(shù),無量綱(取值為1.2);K1為壓風(fēng)自救區(qū)不均衡系數(shù),無量綱(取值為1.2);M為井下工作人員人數(shù)(取值280);q為井下每個工作人員的平均需風(fēng)量(m3/min)。
因此,可以計算出,Q=1.2×1.2×280×0.3=121(m3/min)。
根據(jù)井下用風(fēng)設(shè)備以及工作人員需風(fēng)量分析計算結(jié)果可以知道,礦井地面布置的3臺壓縮式中同時2臺進(jìn)行工作,就可以滿足井下用風(fēng)需要。當(dāng)井下處于檢修狀態(tài)時,一臺壓縮機(jī)提供的風(fēng)量就可以滿足礦井井下需風(fēng)量。
正常情況下,2臺空壓機(jī)完成可以滿足井下供風(fēng)需要,因此,為了降低成本,提升空氣壓縮機(jī)的利用率,對3臺空氣壓縮機(jī)中的2臺進(jìn)行高壓變頻改造,并采用ACS-4000集中控制系統(tǒng)對空壓機(jī)進(jìn)行控制,平時使用變頻控制空壓機(jī)。
ACS-4000集中控制系統(tǒng)主要包括PLC控制器、觸摸屏、人機(jī)交互界面(中文),便于管理人員操控,并將控制系統(tǒng)采用工業(yè)以太網(wǎng)方式與監(jiān)控中心進(jìn)行連接,實現(xiàn)監(jiān)控中心對空氣壓縮機(jī)機(jī)房的遠(yuǎn)程控制??諝鈮嚎s機(jī)集中控制系統(tǒng)有聯(lián)控控制柜以及上位機(jī)等。
采用變頻技術(shù)可以有效的減少空氣壓縮機(jī)電力消耗,節(jié)能效果明顯,同時空氣壓縮機(jī)電動機(jī)啟動過程中對電網(wǎng)沖擊小,將變頻控制技術(shù)與集中控制技術(shù)結(jié)合,可以根據(jù)井下需風(fēng)情況對空氣壓縮機(jī)運行進(jìn)行靈活控制,增加空氣壓縮機(jī)的自動化控制水平及運行效率。根據(jù)礦井情況,將空氣壓縮機(jī)房內(nèi)的2號、3號空氣壓縮機(jī)改造成變頻控制,1號空氣壓縮機(jī)仍是正常高壓啟動。
3號空氣壓縮機(jī)電機(jī)與放置在空氣壓縮機(jī)機(jī)房內(nèi)的高壓變頻控制柜進(jìn)行連接,通過控制高壓變頻柜的輸出電流頻率對空氣壓縮機(jī)的運轉(zhuǎn)進(jìn)行控制,正常情況下空氣壓縮機(jī)處于額定運轉(zhuǎn),當(dāng)需要加壓時,通過進(jìn)氣閥進(jìn)行;當(dāng)壓力罐壓力在設(shè)定值之上時,空氣壓縮機(jī)僅僅需要產(chǎn)生一部分用于自身潤滑以及冷卻的氣體就可,若空氣壓縮機(jī)仍按照加壓時的速度運轉(zhuǎn),會造成大量的電力資源消耗,采用高壓變頻控制技術(shù),對空氣壓縮機(jī)的運行速度進(jìn)行控制,在保證空氣壓縮機(jī)正常運行的基礎(chǔ)上,降低運轉(zhuǎn)速度,從而減少電力消耗,同時還可以提升空氣壓縮機(jī)電機(jī)的功率因數(shù)(Power Factor),穩(wěn)定電壓,延長電機(jī)的使用壽命。
1)集中控制方式。集中控制采用ACS-4000型集中控制系統(tǒng),該系統(tǒng)可以實現(xiàn)空氣壓縮機(jī)的單點壓力控制、溫度控制,同時控制方式也較為靈活。系統(tǒng)單點壓力控制時是通過布置在壓風(fēng)系統(tǒng)中的壓力傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù),對空氣壓縮機(jī)的運行狀態(tài)進(jìn)行控制,較傳統(tǒng)的分級壓力方式的,單點壓力控制方式較為簡便;溫度控制是通過對系統(tǒng)溫度進(jìn)行監(jiān)測,探測到溫度超過設(shè)定值時發(fā)出報警信號,必要時停止空氣壓縮機(jī)運行;ACS-4000型集中控制系統(tǒng)可以進(jìn)行聯(lián)機(jī)控制也可進(jìn)行單機(jī)控制,采用聯(lián)機(jī)控制時可以自動的對控制臺數(shù)進(jìn)行設(shè)定。
2)壓力控制。采用單點壓力控制方式,將高精度壓力傳感器安裝在壓縮機(jī)連接的儲氣瓶上,便于實現(xiàn)對系統(tǒng)壓力的精準(zhǔn)測量,在ACS-4000集中控制系統(tǒng)中設(shè)定需要的壓力范圍值,當(dāng)系統(tǒng)監(jiān)測到壓力低于設(shè)定的壓力范圍時,通過控制系統(tǒng)內(nèi)部的PLC控制器向高壓變頻器發(fā)出控制信號,根據(jù)設(shè)定的啟動程序,啟動相應(yīng)的空氣壓縮機(jī);當(dāng)壓力傳感器監(jiān)測到系統(tǒng)壓力達(dá)到系統(tǒng)設(shè)定壓力的上限值時,ACS-4000集中控制系統(tǒng)便再次通過PLC控制器向高壓變頻器發(fā)出指令,停止運行相應(yīng)的空器壓縮機(jī);當(dāng)井下處于檢修時,需要的風(fēng)量較小,長時間處于卸載狀態(tài)下的空氣壓縮機(jī)會自動停止運行,以便降低電力消耗。
3)溫度控制。將高精度的溫度傳感器分別安裝到壓風(fēng)系統(tǒng)的風(fēng)包以及空氣壓縮機(jī)上,對風(fēng)包內(nèi)的溫度及空氣壓縮機(jī)溫度進(jìn)行監(jiān)測,當(dāng)檢測到風(fēng)包溫度、空氣壓縮機(jī)溫度超過設(shè)定值時,便通過PLC控制器發(fā)出報警信息,必要時停止空氣壓風(fēng)機(jī)運行,對空壓系統(tǒng)進(jìn)行形成一定的保護(hù)。采用溫度控制控制框圖如圖1所示。
圖1 溫度控制原理示意框圖
3)空氣壓縮機(jī)啟動順序。采用控制電纜將ACS4000集中控制系統(tǒng)與高壓變頻控制器進(jìn)行連接,便于高壓變頻控制器對集中控制系統(tǒng)控制信號的接收。礦井中3臺空氣壓縮機(jī)中有2臺受到高壓變頻控制(2號、3號空氣壓縮機(jī)),在ACS4000集中控制系統(tǒng)中設(shè)定空氣壓縮機(jī)的啟動順序為3-2-1(或者2-3-1),平直將采用高壓變頻控制的空氣壓風(fēng)機(jī)處于工作狀態(tài),并通過井下需要風(fēng)量的變化對空氣壓縮機(jī)的運行狀態(tài)進(jìn)行控制,當(dāng)井下需風(fēng)量增加時,儲氣瓶內(nèi)壓力值小于設(shè)定值,一臺空氣壓縮機(jī)不能滿足井下用風(fēng)需要,啟動另外一臺變頻控制空氣壓縮機(jī)。當(dāng)井下需風(fēng)量下降之后,按照與啟動方式相反的順序停止運行相應(yīng)的空氣壓縮機(jī),保證壓風(fēng)系統(tǒng)中風(fēng)壓值處于設(shè)定的范圍之內(nèi)。采用3-2-1空氣壓縮機(jī)啟動順序時的啟、停邏輯順序如圖2所示。
圖2 空氣壓縮機(jī)啟、停邏輯順序
根據(jù)對井下壓風(fēng)需要量的計算,在井下需風(fēng)高峰期時,2臺空氣壓縮機(jī)運轉(zhuǎn)完全能滿足井下風(fēng)量的需要(根據(jù)對空氣壓縮機(jī)運行統(tǒng)計記錄的分析,在空氣壓縮機(jī)工作期間,同時啟動3臺空氣壓縮機(jī)僅有一次,該次是由于井下壓風(fēng)系統(tǒng)出現(xiàn)較大泄漏,井下壓風(fēng)還不能停,地面值班不得已時同時開啟3臺風(fēng)機(jī)),將2號、3號空氣壓縮機(jī)改造成高壓變頻控制,保留1號備用風(fēng)機(jī)為高壓啟動,不僅可以高效的利用變頻集中控制技術(shù),而且可以減少系統(tǒng)改造時經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。
采用該空氣壓縮機(jī)控制系統(tǒng)之后,地面空氣壓縮機(jī)電能消耗每月降低5000元,從控制系統(tǒng)改造完成到現(xiàn)在,僅僅就空氣壓縮機(jī)電力消耗費用來說,就已經(jīng)節(jié)能達(dá)到6萬元,降低了礦井生產(chǎn)成本,同時采用的集中控制系統(tǒng)在地面監(jiān)控中心就可以較為直觀的對空氣壓縮機(jī)運行狀態(tài)進(jìn)行掌握,降低了空氣壓縮機(jī)管理人員數(shù)量,提升了礦井自動化水平。
高壓變頻控制結(jié)合ACS4000集中控制系統(tǒng)在礦井地面空氣壓縮機(jī)控制中得到成功應(yīng)用,不僅增強(qiáng)了空氣壓縮機(jī)的運行效率及設(shè)備利用率,而且還降低了空氣壓縮機(jī)的電力消耗及故障率,具有明顯的實用價值。