朱燕婷

（山西霍寶干河煤礦有限公司， 山西 洪洞 041600）

引言

主通風(fēng)機(jī)是煤礦井下開采不可缺少的主要大型設(shè)備之一，它將地面的新鮮空氣吹入煤礦井下作業(yè)區(qū)，保證井下操作人員不會因缺少氧氣而無法工作。傳統(tǒng)的主通風(fēng)機(jī)都存在啟動沖擊、噪音大、耗能高等問題。作為煤礦井下主要的耗電設(shè)備，通風(fēng)機(jī)控制的合理性及其工作效率直接反映了全礦的電能利用水平，根據(jù)《煤炭工業(yè)節(jié)能減排工作意見》的相關(guān)內(nèi)容，明確了煤礦井下通風(fēng)主機(jī)節(jié)能改造對煤礦的降本增效具有重大意義。噪音低、耗能少、容量大、效率高的節(jié)能防爆型通風(fēng)機(jī)不斷涌現(xiàn)，傳統(tǒng)的落后機(jī)型逐漸被改造、更換和淘汰，使用高科技促進(jìn)煤礦井下大型設(shè)備不斷發(fā)展、進(jìn)步，使其與國際先進(jìn)設(shè)備接軌已經(jīng)勢在必行[1]。

1 新型通風(fēng)主機(jī)優(yōu)勢

在國家政策的號召下，某煤礦引進(jìn)安裝了一臺1 250 kW 主通風(fēng)機(jī)，其型號為FBCDZ-10-NO38/2×1 250 kW，主要控制元件為變頻控制器。該設(shè)備無論是機(jī)械機(jī)構(gòu)還是控制系統(tǒng)與傳統(tǒng)風(fēng)機(jī)相比都有很大優(yōu)勢：

1）綜合提高熵增能力的理論基礎(chǔ)之上，使用最優(yōu)集中控制理論，壓力梯度在準(zhǔn)正交風(fēng)向得到確認(rèn)的基礎(chǔ)上，對動葉片和靜葉片的曲線設(shè)計進(jìn)行了優(yōu)化，葉輪直徑、輪轂比、葉柵稠度、流線型等重要參數(shù)都進(jìn)行了最優(yōu)設(shè)計；葉柵翼型的加載規(guī)律采用分布參數(shù)控制理論進(jìn)行計算，以達(dá)到最理想的工作狀態(tài)；采用全三維法夫拉平均N-S 方程求解葉片曲面的氣動正交、幾何正交相關(guān)條件及其準(zhǔn)則，得出彎掠量的最佳分布形式；采用計算機(jī)平面輔助設(shè)計和三維建模分析，優(yōu)化元件的加工工藝。對風(fēng)機(jī)各個部件進(jìn)行多次坐標(biāo)測量，根據(jù)每次測量結(jié)果不斷修正，使其氣動性和工作效率大幅度提升[2]。

2）變頻控制的引用，可以使用高壓變頻軟啟動的控制方式，根據(jù)葉片角度進(jìn)行控制調(diào)節(jié)，隨時根據(jù)井下環(huán)境的需要對風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)整，使通風(fēng)效果達(dá)到最佳，使得通風(fēng)機(jī)工況點處于高效區(qū)運(yùn)行，同時實現(xiàn)通風(fēng)機(jī)電機(jī)的軟起動及軟停車[3]。

3）風(fēng)機(jī)葉片材質(zhì)選用復(fù)合型鑄鋁合金，結(jié)合彎掠組合正交型三維扭曲葉型技術(shù)，該技術(shù)降低了葉片的厚度，降低了自身負(fù)荷，同時葉片自身強(qiáng)度卻更高，這使得整體技術(shù)參數(shù)可以進(jìn)一步優(yōu)化，提升風(fēng)機(jī)工作效率；葉片剛度增大，更不容易產(chǎn)生形變，其他部件也更容易組合搭配，提升了風(fēng)機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性；葉片材質(zhì)選用特殊的鑄鋁材料，這種材質(zhì)非常耐磨并且不會被氧化腐蝕，與其他零件和物體發(fā)生摩擦?xí)r不會產(chǎn)生靜電和火花，所以運(yùn)行無損耗、使用壽命長、防爆性極強(qiáng)；在葉輪轉(zhuǎn)軸位置安裝了護(hù)圈，避免雜物進(jìn)入葉輪筒，與附件摩擦產(chǎn)生火花，再次增加了防爆性能。

4）采用雙變頻器控制模式。由于井下工況環(huán)境惡劣，變頻器極易出現(xiàn)故障，當(dāng)一臺變頻器發(fā)生故障，系統(tǒng)將自動無差別地切換到備用變頻器進(jìn)行接替控制，并對人機(jī)控制界面發(fā)出控制器故障代碼，提醒工作人員及時做好維修工作。

2 變頻控制系統(tǒng)工作方式

本次控制所采用的主要元件是變頻器，可以采用一臺控制器對多臺風(fēng)機(jī)進(jìn)行控制的工作模式，變頻器可以根據(jù)需要隨意轉(zhuǎn)換控制所有風(fēng)機(jī)，與改造前一臺變頻器智能控制一臺風(fēng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)模式相比，可以解決單臺風(fēng)機(jī)長時間運(yùn)轉(zhuǎn)的狀態(tài)，可以保證供風(fēng)的穩(wěn)定性，兩臺風(fēng)機(jī)可以工作、備用，按照一定的設(shè)定頻次相互轉(zhuǎn)換，提高了供風(fēng)系統(tǒng)的可靠性，使煤礦井下生產(chǎn)工作現(xiàn)場持續(xù)獲得新鮮空氣。變頻器可以通過調(diào)節(jié)電源頻率來改變電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，所以通過變頻控制可以實現(xiàn)電機(jī)從零速逐漸啟動，逐漸加速至風(fēng)機(jī)的工作轉(zhuǎn)速，這個控制過程與改造前相比，大大減小了啟動沖擊，節(jié)省了電能，簡化了控制流程。尤其是此次改造還采用了直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)，使整個起動過程都進(jìn)行了量化處理。在建立的轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中有自適應(yīng)控制模塊，該模塊是讓異步電機(jī)隨著實際工況進(jìn)行自動調(diào)節(jié)。因為異步電機(jī)在實際的工況中結(jié)構(gòu)特性并不明顯，所以使用數(shù)學(xué)模型進(jìn)行表達(dá)是一個比較復(fù)雜的計算過程，與接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)對應(yīng)的數(shù)學(xué)模型是離散法，需要將電流的矢量輸出進(jìn)行分解為轉(zhuǎn)矩和勵磁做功，再使用系統(tǒng)內(nèi)調(diào)節(jié)器進(jìn)行調(diào)節(jié)，通過以上過程就可以實現(xiàn)對電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩進(jìn)行控制，也就是變頻控制器對異步電機(jī)的自動調(diào)節(jié)控制，這可以有效提高通風(fēng)主機(jī)在工作狀態(tài)下的穩(wěn)定性和安全性[4]。

使用變頻控制還可以解決兩臺電機(jī)做功不平衡的問題，一臺風(fēng)機(jī)中同時需要安裝一級電機(jī)和二級電機(jī)，兩臺電機(jī)做功一致的情況下，風(fēng)機(jī)的排風(fēng)效果最佳，變頻器與控制程序的調(diào)節(jié)下，可以將轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩兩個變量中的一個作為輸出的基準(zhǔn)，對另一個變量進(jìn)行微調(diào)。例如，將轉(zhuǎn)矩作為基準(zhǔn)，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩將會保持穩(wěn)定，而轉(zhuǎn)速則會圍繞一定的數(shù)值上下浮動；反之，轉(zhuǎn)速保持穩(wěn)定，轉(zhuǎn)距則會圍繞一定的數(shù)值上下浮動，這樣就可以保證兩個風(fēng)機(jī)運(yùn)行參數(shù)完全被可控，將一級電機(jī)的基準(zhǔn)參數(shù)作為二級電機(jī)的調(diào)整基準(zhǔn)，二級電機(jī)的參數(shù)調(diào)整就會圍繞一級電機(jī)的參數(shù)變化得以調(diào)整，這樣就完全實現(xiàn)了兩個電機(jī)的做功一致性[5]。

3 新系統(tǒng)的節(jié)能分析

在兩個風(fēng)機(jī)供電線路上接入電功率測量表以及綜合自動化單元，通過這兩種儀表可以測量兩個主通風(fēng)機(jī)工作狀態(tài)下的電流、電壓等功率參數(shù)。同時需要對兩個風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的負(fù)壓值進(jìn)行檢測，采用的是U型玻璃管以及4 個煤礦用壓力傳感器，4 個傳感器分別測量兩個通風(fēng)主機(jī)的全壓和負(fù)壓。

1）改造前使用的是4 臺YBF560M-8F 風(fēng)機(jī)，兩個風(fēng)機(jī)工作，另兩個風(fēng)機(jī)備用，其性能參數(shù)見表1、表2。

ACS5000 變頻器性能參數(shù)如表3 所示。

表1 改造前風(fēng)機(jī)性能參數(shù)表

表2 改造后風(fēng)機(jī)性能參數(shù)表

表3 變頻器性能參數(shù)

由于改造前后風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的風(fēng)量和消耗的電功率都是不同的，所以不能直接以消耗電能的多少直接進(jìn)行比較，需要轉(zhuǎn)換成一個統(tǒng)一能量參數(shù)進(jìn)行比較，本次對比實驗采用的是年用電量與年產(chǎn)風(fēng)量的比值作為對比參數(shù),年用電量為Y、年產(chǎn)風(fēng)量為Q，則節(jié)能量E=（Y舊/Q舊-Y新/Q新）×Q新，改造前后年產(chǎn)風(fēng)量和用電量見表4。

表4 改造前后年產(chǎn)風(fēng)量和用耗電量

節(jié)能量計算如下：

因此，改造后相對改造前每年節(jié)能為311×104kW·h，能量與標(biāo)準(zhǔn)煤的折合系數(shù)為3.4，所以折合節(jié)約標(biāo)煤311×3.4=1 057.4 t。

4 結(jié)語

改造后對通風(fēng)主機(jī)采用了變頻自動控制，不僅在結(jié)構(gòu)和材質(zhì)上進(jìn)行了改善，而且使用了變頻軟起動、一對多控制、備用控制無差別接替等多項先進(jìn)技術(shù)，使通風(fēng)系統(tǒng)更穩(wěn)定、安全，而且節(jié)省了相當(dāng)可觀的電力能源，對井下煤炭開采的安全生產(chǎn)和抗災(zāi)能力的提升具有重要意義。