廖華

(湖南柿竹園有色金屬有限責任公司， 湖南 郴州市 423037)

0 引言

自加入世貿(mào)組織以來，我國市場經(jīng)濟體制改革不斷向前推進，市場亦不斷對外開放，國內(nèi)企業(yè)面臨全球化的市場競爭日益加劇，多數(shù)企業(yè)都面臨著利潤下滑的處境，對此，企業(yè)采取開源節(jié)流的方法，一方面加強市場開拓，另一方面強化成本控制。

在企業(yè)的各項成本中，電費已成為緊隨物料成本、人工成本之后的第三大項成本，特別是在工礦類高耗能企業(yè)中，電費已成為最主要的成本之一。同時，對大多數(shù)礦山企業(yè)而言，電費已是未被企業(yè)控制的最后一項成本，許多企業(yè)由于管理、工藝、技術等各方面原因，用電效率普遍偏低，節(jié)能潛力巨大，因此，通過技術手段來節(jié)能降耗、壓縮成本、提高利潤已經(jīng)勢在必行。

1 礦用風機現(xiàn)狀

多金屬風機智能變頻節(jié)能遠程控制系統(tǒng)的研究是結合湖南柿竹園有色金屬有限責任公司多金屬采礦場井下生產(chǎn)的實際案例進行的。多金屬采礦場井下采用470,490兩臺250 kW主扇進行供風，為自耦降壓啟動方式，該方式啟動瞬間沖擊電流大，容易引起其他電氣設備的損壞，存在安全隱患。結合公司對大型設備節(jié)能降耗的具體要求，特設計此項方案，以解決目前通風中存在的以下問題。

（1）能耗大。按照監(jiān)管部門對于安全生產(chǎn)的要求，兩臺風機額定功率為 250 kW，合計功率為500 kW，經(jīng)過現(xiàn)場實地測量，1號風機當前工作電流約為240 A，2號風機工作電流約為220 A，兩臺風機實際運行合計功率為 230 kW，主扇風機必須全天候24 h運行，能耗巨大。

（2）沖擊大。兩臺主扇風機目前采用自耦降壓啟動方式啟動，工頻運行，啟動時，啟動瞬間沖擊電流可達額定工作電流的 5～8倍，對設備線路及供電電網(wǎng)的沖擊巨大，過載電流容易引發(fā)電氣事故，埋下安全隱患。

（3）損耗大。主扇風機全天候24 h全速運行，磨損大，維護工作量大，維護頻繁。

（4）無預警。風機只對電壓電流等電氣參數(shù)進行了監(jiān)測，對于風機運行時的內(nèi)部物理狀態(tài)，包括電機前后軸軸溫，定子溫度，風機整體振動等參數(shù)沒有進行在線監(jiān)測，作為表征電機運行內(nèi)部狀態(tài)及故障風險評估的兩個重要指標，如能加入到實時在線監(jiān)測行列中，可在風機物理故障出現(xiàn)前提前實時預警，維護人員可依據(jù)預警參數(shù)，進行計劃停機與有針對性的維護工作，防范于未然，既進一步提高風機運行的安全性，又杜絕意外突發(fā)事故。

2 總體方案

2臺風機由目前的自耦降壓啟動方式改變?yōu)樽冾l控制方式，增加2套變頻設備，改造后年綜合節(jié)能達30%以上；無沖擊的平滑變頻軟啟動方式啟動電機，防止風機啟動時的沖擊電流危害電網(wǎng)。同時完全保留現(xiàn)有的2套降壓啟動裝置，并且將2套設備作為新增加的變頻裝置的備用設備以并行聯(lián)結方式留用，系統(tǒng)可通過切換開關裝置現(xiàn)場切換或者自動切換，由變頻方式可隨時切換到降壓啟動方式。這樣在變頻裝置出現(xiàn)故障時，降壓啟動裝置可作為替補設備，馬上接替變頻設備工作，保證出現(xiàn)故障時不停機，不影響通風與生產(chǎn)。

硬件方面，加入電機軸溫監(jiān)測，定子溫度監(jiān)測與風機整體振動監(jiān)測；軟件方面，在變頻控制功能的基礎上增加遠程降壓啟動功能，界面由變頻軟啟動，手動變頻調節(jié)，時間段自動變頻控制，其他關聯(lián)參數(shù)自動變頻等功能，備用時的降壓啟動與正常狀態(tài)下的變頻軟啟動整合到一個軟件界面中，軟件自動區(qū)分當前的運行模式，并在界面上自動屏蔽非當前模式下的操作按鈕。在配電硐室內(nèi)部增加一套視頻監(jiān)控裝置，監(jiān)控配電柜與硐室內(nèi)部的實時畫面，如配電硐室內(nèi)部發(fā)生突發(fā)情況，可在第一時間監(jiān)控現(xiàn)場，采取對應的應急措施。

2.1 基本原理

風機是傳送氣體的機械設備，風機電機輸出的軸功率為:

式中，Qf為流量；Hf為風壓；ηf為風機效率；ηc為傳動機構效率。

從流體力學原理得知，風機風量與電機轉速相關。當風量減少，風機轉速下降時，其電動機輸入功率迅速降低。由風機的工作原理可知：風機的風量與風機的轉速成正比，風機的風壓與風機轉速的平方成正比，風機的軸功率等于風量與風壓的乘積，因此，風機的軸功率與風機電機轉速的三次方成正比。

根據(jù)上述原理可知，改變風機的轉速就可改變風機的功率：

從圖1、圖2來看，通過調節(jié)頻率來調節(jié)風機的轉速，節(jié)能效果非常顯著。

2.2 詳細設計

根據(jù)風機在井下的主要要求和情況，控制系統(tǒng)分為監(jiān)控平臺遠程全自動控制模式、電控柜手動控制模式、本地操作柜手動控制模式。

（1）監(jiān)控平臺遠程全自動控制模式。遠程控制模式通過聯(lián)網(wǎng)PC 計算機或移動手機自動發(fā)送外設控制指令，達到控制遠程設備的目的。遠程自動控制主要是為異地管理人員提供監(jiān)控手段，通過人工判斷和數(shù)據(jù)分析后，發(fā)送控制指令，以增強管理人員的能動性和干預能力。當電控箱本地/遠程開關轉換至遠程位置，激活遠程控制模式，在遠程控制模式下，遠程監(jiān)控平臺可以操作風機啟動、停止，指定每臺風機變頻或工頻運行方式，同時指定變頻運行下的運行頻率，監(jiān)控風機的運行狀態(tài)。當設備發(fā)生故障時，PLC控制風機自動在變頻或工頻下切換運行，保證風機的正常運行。

圖1 流量與轉速對應關系

圖2 功率與轉速對應關系

（2）電控柜手動控制模式。對控制系統(tǒng)增加手動控制模式，能及時對井下風機進行實時控制。只需電控箱本地/遠程開關轉換至本地位置，激活電控柜手動控制模式，在電控柜手動控制模式下，用戶可在電控柜上控制每臺風機的啟動、停止，指定每臺風機變頻或工頻運行，在此種模式下，變頻器運行頻率由遠程監(jiān)控平臺或變頻器操作面板給定。遠程監(jiān)控平臺可以監(jiān)控風機的運行狀態(tài)，但不能操作風機。本模式多用于設備檢修，在這種模式下，如果設備發(fā)生故障，需要手動切換運行模式。

（3）本地操作柜手動控制模式。風機不在同一作業(yè)平面時，就需要在風機本地安裝一個操作柜。由于控制系統(tǒng)故障導致風機不能正常運行，當本地操作柜本地/遠程開關轉換至本地位置，電控箱本地/遠程開關無論在本地還是遠程位置，都會激活本地操作箱手動控制模式。在此種模式下，470風機只接受本地操作箱控制，但遠程監(jiān)控平臺仍然可以監(jiān)控所有風機運行狀態(tài)，如果電控柜本地/遠程開關處于遠程位置，遠程監(jiān)控平臺可以操作490風機，但不能操作470風機。在這種模式下，如果電控柜本地/遠程開關處于本地位置，在電控柜上可以操作490風機，但不能操作470風機。本模式多用于設備檢修，在這種模式下，如果設備發(fā)生故障，需要手動切換運行模式。

圖3為系統(tǒng)框架控制原理圖，在保留原有降壓啟動柜的同時，對 470，490風機都增加一套變頻控制柜，通過PLC控制柜對變頻控制柜進行指令的下發(fā)及狀態(tài)的上傳，保證風機能及時接收終端服務器指令及風機的運行狀態(tài)能及時得到反饋，從而能更好地保護風機。

3 系統(tǒng)主要功能

主扇在線監(jiān)控系統(tǒng)主要分為主扇控制部分、系統(tǒng)監(jiān)測部分、故障檢測及報警部分，而系統(tǒng)監(jiān)測部分主要對風機系統(tǒng)設備運行狀態(tài)和通風狀態(tài)兩部分進行監(jiān)測，如圖4所示。

（1）系統(tǒng)控制部分。系統(tǒng)的控制模式分為兩部分：遠程監(jiān)控控制的全自動程序控制模式和本地控制模式。

在主回路的切換方面，為了更好地適應井下特殊情況下的運行，系統(tǒng)主回路之間可切換，即變頻狀態(tài)/降壓啟動狀態(tài)切換。

在變頻控制部分，針對風機各自特點和工作情況，變頻柜的上電/斷電，啟動/停止都進行單獨控制，并對風機運行變頻時間段也進行控制。

圖4 在線監(jiān)控系統(tǒng)

（2）系統(tǒng)在線監(jiān)測部分。監(jiān)測部分主要針對環(huán)境參數(shù)、風機參數(shù)、電氣參數(shù)、系統(tǒng)狀態(tài)、視頻監(jiān)控幾大方面進行監(jiān)測。

（3）故障監(jiān)測與預警。故障和預警主要針對變頻器運行故障、電機所有電氣參數(shù)故障、風機軸溫過溫、繞組過溫、風機振動超限等情況進行監(jiān)測與預警。

4 結論

通過對柿竹園多金屬采場西口風機進行變頻改造，現(xiàn)已建設完成和驗收通過，并投入到實際應用中，取得了良好的應用效果。

（1）運行 1 a多來，每年為公司節(jié)約成本751 200元（一度電按0.5元計算）；同時減少了人工成本并使得人力得到了有效再次分配。

（2）風機智能變頻節(jié)能遠程控制系統(tǒng)的投入使用，為進一步打造智能礦山奠定了基礎，積累了經(jīng)驗，培養(yǎng)了人才。

（3）通過風機的變頻改造，解決了能耗高、維修量大的問題。