郭陽光

(陽城陽泰集團(tuán)西溝煤業(yè)有限公司，山西 陽城 048100)

引 言

近年來，國家對煤礦安全及經(jīng)濟(jì)效益日趨重視。將變頻技術(shù)應(yīng)用于礦井通風(fēng)機(jī)中，不但可以實(shí)現(xiàn)對通風(fēng)的有效管理，而且還可起到防止安全事故發(fā)生、提高通風(fēng)機(jī)運(yùn)行效率等功能優(yōu)勢?；诖?，本文對變頻技術(shù)在礦井主通風(fēng)機(jī)中的應(yīng)用進(jìn)行了探討。

1 基本情況介紹

山西蘭花同寶煤業(yè)有限公司煤礦是高平地區(qū)主要的煤礦，該礦由2個斜井和1個立井組成，即，主斜井、副斜井和回風(fēng)立井?；仫L(fēng)立井安裝2臺型號FBCDZ-10-NO28 B、風(fēng)量4 920 m3/min～11 100 m3/min、風(fēng)壓700 Pa～2 750 Pa、功率250 kW、供電電壓10 kV的主通風(fēng)機(jī)。

目前，該礦正值礦井基本工程的建設(shè)階段，井下的巷道與工作面尚未完成形成。目前礦山的風(fēng)量需求量(2 800 m3/min)遠(yuǎn)小于主風(fēng)機(jī)的額定風(fēng)量(4 920 m3/min～11 100 m3/min)。可看出，采用傳統(tǒng)的工頻控制，必須通過改變風(fēng)機(jī)葉片角度、調(diào)整風(fēng)門和設(shè)置風(fēng)障來調(diào)整風(fēng)量，以滿足礦井通風(fēng)要求。采用上述方法，不僅工作量大，需要時間長，而且不可能完全滿足合適的礦井風(fēng)量要求，主風(fēng)機(jī)一直在輕負(fù)載下運(yùn)行造成了巨大的人力、資源、經(jīng)濟(jì)的浪費(fèi)，增加了礦井建設(shè)成本，因此,山西蘭花同寶煤業(yè)有限公司對主通風(fēng)機(jī)電控系統(tǒng)進(jìn)行了改造，引入變頻器進(jìn)行控制。購買了型號JD-BP38-315F、輸入輸出電壓為10 kV的變頻器。通過主風(fēng)機(jī)的變頻器控制，調(diào)節(jié)風(fēng)量，提高節(jié)能效果[1]。

2 變頻器概述及工作原理

高壓變頻器主要由控制柜、移相變壓器柜、功率單元柜和開關(guān)柜4部分組成。該設(shè)備采用高壓正弦波變頻逆變電源原理，功率單元串聯(lián)，輸出疊加高壓，直接輸出到高壓電機(jī)。每個相由幾個串聯(lián)的電池組成，疊加輸出高電壓。10 kV系列變頻器每相8個或9個功率單元。整個機(jī)器的每個階段都由多個單元組成。無需輸出濾波裝置，電流諧波小，不會損壞電纜和電機(jī)絕緣。高壓變頻器的前端由多繞組隔離式移相變壓器供電。10 kV變壓器二次側(cè)有24組二次繞組，采用48脈沖整流。每相8個功率單元，三相共24個單元。輸入諧波可以滿足國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 14549-1993電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波中的電壓、電流畸變要求[1-3]?？刂破鞑糠挚刂聘咚傥⑻幚砥鳎⑴c子微處理器通信。高壓變頻器是由模塊組成的器件，具有噪音較低、互換性好等優(yōu)點(diǎn)，且高壓變頻器的諧波含量相對其他器件要小很多，不會對電機(jī)轉(zhuǎn)矩造成太大影響，對電機(jī)沒有任何要求。此外，維修也很方便，技術(shù)人員可很輕松地找到病因。

兩象限高壓變頻器(普通型)系統(tǒng)圖見第123頁圖1。

3 工頻控制系統(tǒng)與變頻控制系統(tǒng)的比較

3.1 工頻控制系統(tǒng)存在的問題

傳統(tǒng)主風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)對風(fēng)量的調(diào)節(jié)，只能通過調(diào)節(jié)風(fēng)門或風(fēng)機(jī)葉片的角度來進(jìn)行。這主要是因?yàn)閭鹘y(tǒng)風(fēng)機(jī)只能在恒定的速度下持續(xù)穩(wěn)定地運(yùn)行。傳統(tǒng)主風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)主要有以下幾方面的缺點(diǎn)：

圖1 兩象限高壓變頻器(普通型)系統(tǒng)圖

1) 嚴(yán)重的電能浪費(fèi)。煤礦的服務(wù)年限大都在幾十年以上。長期以來，主風(fēng)機(jī)一直在輕負(fù)載下運(yùn)行，這樣不僅會造成運(yùn)行成本的增加，也會造成能源浪費(fèi)。

2) 啟動過程中遇到的問題對機(jī)械自身造成損傷。主風(fēng)機(jī)的開啟方式為直接啟動，啟動時間很長，電流很大，這會影響機(jī)械的絕緣性能。當(dāng)機(jī)械絕緣性能受到損害時，啟動主風(fēng)機(jī)時的瞬間大電流可能會對電機(jī)造成極大損壞，甚至?xí)龎碾姍C(jī)。此外，高頻次的啟動增加風(fēng)扇振動應(yīng)力，進(jìn)而造成風(fēng)扇應(yīng)力疲勞，最終會影響電機(jī)使用年限。

3) 自動化程度低。傳統(tǒng)主風(fēng)機(jī)的風(fēng)量調(diào)整只能依靠對風(fēng)扇葉片的手動調(diào)整進(jìn)行，并不具備對風(fēng)量的自動實(shí)時調(diào)整功能。如發(fā)生短路等故障，將嚴(yán)重影響礦山的正常生產(chǎn)。

4) 反風(fēng)操作繁瑣。由于礦井的特殊需要，在特定情況下，主通風(fēng)機(jī)必須在規(guī)定時間內(nèi)完成反風(fēng)。然而在工頻控制情況下，需完成換相柜的切換、啟動柜的再次啟動等操作，存在操作時間長、容易誤操作等不利因素。

3.2 變頻控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)

1) 軟啟動。變頻器的輸出頻率可從0 Hz～50 Hz連續(xù)變化，頻率可根據(jù)需要設(shè)定，風(fēng)扇可以實(shí)現(xiàn)軟啟動。通常主風(fēng)機(jī)容量很大，直接啟動時的浪涌電流非常大(相當(dāng)于5倍～7倍額定電流)。對電網(wǎng)造成干擾，對電網(wǎng)的容量要求也相應(yīng)增加，而且對風(fēng)機(jī)的機(jī)械損傷嚴(yán)重。軟啟動平滑，沒有浪涌電流，大大降低風(fēng)機(jī)啟動時的機(jī)械損傷，從根本上解決了啟動大容量電機(jī)的問題。

2) 調(diào)速節(jié)電減耗。由流體力學(xué)可知，風(fēng)量與轉(zhuǎn)速的一次方成正比，風(fēng)壓與轉(zhuǎn)速的平方成正比，軸功率與風(fēng)扇角速度的三次方成正比。當(dāng)風(fēng)量需求降低、電機(jī)轉(zhuǎn)速下降時，風(fēng)扇功率下降很多。

通過變頻器進(jìn)行精確的速度控制，輸出頻率精度可達(dá)到0.01 Hz。也就是說，對于一對磁極電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，能以小于1 r/min的速率進(jìn)行調(diào)整。因此，在礦井通風(fēng)中可根據(jù)礦井建設(shè)進(jìn)度、瓦斯?jié)舛茸兓纫螅_地控制風(fēng)機(jī)風(fēng)量，達(dá)到最大化的節(jié)能效果。

3) 減少設(shè)計冗余。通風(fēng)系統(tǒng)的總體設(shè)計符合極端使用條件，所有設(shè)計都是冗余的，有些冗余度很大，形成一個大型的馬拉車。變頻調(diào)速可節(jié)省冗余。

4) 系統(tǒng)功率因數(shù)高，一般在0.95以上，節(jié)省輸電線路無功功率，減輕變壓器負(fù)擔(dān)。

5) 自動化程度高，減輕了工人的勞動強(qiáng)度。風(fēng)壓的調(diào)節(jié)可通過調(diào)整變頻器進(jìn)行，具體操作上只需要改變操控臺主通風(fēng)機(jī)的各種參數(shù)，就可以達(dá)到調(diào)節(jié)風(fēng)壓的效果，完成通風(fēng)機(jī)的啟動和停機(jī)操作，操作簡便。

6) 一鍵反風(fēng)功能。鑒于煤礦通風(fēng)的特殊性，在需要防雷的情況下，只需操作逆變器控制面板上的防風(fēng)鑰匙即可實(shí)現(xiàn)防風(fēng)功能。

4 變頻器節(jié)能分析

用擋板調(diào)節(jié)風(fēng)量時，軸功率P和風(fēng)量Q的關(guān)系近似圖2中的曲線1；使用變頻器調(diào)節(jié)風(fēng)量時，軸功率P和風(fēng)量Q的關(guān)系近似圖2中的曲線2[3]。

其中，曲線1的公式見式(1)。

P1=P0(0.4+0.6Q)

(1)

曲線2的公式見式(2)。

P2=P0Q3

(2)

節(jié)約電能公式見式(3)。

P=P1-P2=P0(0.4+0.6Q-Q3)

(3)

式(1)～式(3)中，P0為設(shè)計工況下的軸功率。

結(jié)合煤礦風(fēng)機(jī)的一般運(yùn)行情況，計算平均節(jié)能為0.77 J。

圖2 風(fēng)量與軸功率的關(guān)系圖

以同寶煤業(yè)現(xiàn)在使用一級電機(jī)250 kW/10 kV主通風(fēng)機(jī)為例，負(fù)載系數(shù)K取0.82，節(jié)電率N取77%，電價按0.7元/(kW·h)，計算見第124頁式(4)～式(6)。

RJ=KDRHN=0.82×250×24×
0.77=3 788.4 kW·h

(4)

RD=RJDJ=3 788.4×0.7=2 651.88元

(5)

ND=365RD=967 936.2元

(6)

式(4)～式(6)中，RJ為電機(jī)日節(jié)約電量，kW·h；DR為電機(jī)容量，kW；H為日常運(yùn)行小時數(shù)，h；RD為電機(jī)每日節(jié)約電費(fèi)，元；DJ為電價，元/(kW·h)；ND為電機(jī)每年節(jié)約電費(fèi)，元。

5 結(jié)語

山西蘭花同寶煤業(yè)有限公司采用高頻變頻器進(jìn)行自吸風(fēng)機(jī)，能充分滿足基建施工期間的需要。變頻技術(shù)的應(yīng)用提高了礦井主風(fēng)機(jī)的運(yùn)行效率，并提高了風(fēng)機(jī)的整體運(yùn)行效率，節(jié)能工作也有了很大改善，經(jīng)濟(jì)效益和社會效益十分明顯。