安素娟

（晉能控股煤業(yè)集團永定莊煤業(yè)公司通風(fēng)區(qū)， 山西 大同 037000）

引言

煤礦開采中不可避免地會涌出大量的瓦斯及其他有毒有害氣體，對井下工作人員的身體健康甚至生命安全構(gòu)成了嚴(yán)重威脅[1]。針對該問題，利用通風(fēng)機系統(tǒng)向井內(nèi)輸入新鮮空氣將井內(nèi)受污染的氣體排出，是確保井下人員身體健康和生命安全的最有效和簡單的手段[2]。通風(fēng)機分為主通風(fēng)機和局部風(fēng)機，其中主通風(fēng)機的作用是向整個礦井內(nèi)部輸入空氣，對其運行的可靠性和功率要求更高[3]。為了保障井下安全，主通風(fēng)機通常要求24 h 不間斷連續(xù)運轉(zhuǎn)，會消耗大量的能源。隨著變頻技術(shù)的發(fā)展，目前很多煤礦已經(jīng)在主通風(fēng)機中成功運用了變頻技術(shù)，大幅度降低了主通風(fēng)機的能耗[4]。本文主要介紹了變頻器在主通風(fēng)機運行中的應(yīng)用情況，對于提升主通風(fēng)機運行穩(wěn)定性、降低能耗具有一定的現(xiàn)實意義。

1 傳統(tǒng)主通風(fēng)機運行中存在的問題

礦井主通風(fēng)機在未使用變頻技術(shù)之前，在實踐應(yīng)用中暴露出了很多問題，主要表現(xiàn)在以下幾個方面[5]：

1）當(dāng)需要根據(jù)礦井實際情況對主通風(fēng)機風(fēng)量進行調(diào)節(jié)時，主要是通過調(diào)整風(fēng)門的開度大小實現(xiàn)風(fēng)道斷面面積的控制，從而達到調(diào)整風(fēng)量的效果，耗時長、效率低。

2）主通風(fēng)機在啟動瞬間會產(chǎn)生非常大的電流，該電流通常是電機額定電流的5～7 倍，不僅對礦井的電網(wǎng)造成了很大沖擊，還對電機設(shè)備造成了不良影響，縮短電機使用壽命。

3）主通風(fēng)機一直以額定功率運行，但主要通過外界物理措施來改變通風(fēng)量，意味著只有一部分電力能源被真正利用起來，大量的電力能量被浪費，不利于煤礦企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

2 基于變頻器的主通風(fēng)機控制系統(tǒng)方案

主通風(fēng)機系統(tǒng)通常會配備兩臺風(fēng)機，其中一臺作為主用風(fēng)機，另外一臺作為備用風(fēng)機。每臺風(fēng)機內(nèi)包含有兩臺電機，所以整個主通風(fēng)機系統(tǒng)包含有四臺電機，針對每臺電機都配備一臺變頻器[6]。礦井主通風(fēng)機變頻控制方案的示意圖，如圖1 所示。變頻器與控制器連接并接收控制器的指令，根據(jù)礦井的實際需要將50 Hz 的電壓調(diào)整成為其他頻率的電壓，實現(xiàn)對電機輸出轉(zhuǎn)速的控制，進而實現(xiàn)風(fēng)機輸出風(fēng)量和風(fēng)壓的控制。利用傳感器對通風(fēng)機的風(fēng)壓、風(fēng)量以及礦井內(nèi)的溫度、濕度等進行檢測。根據(jù)檢測結(jié)果，PLC 控制器下達指令，對風(fēng)機電機旋轉(zhuǎn)速度進行控制，從而達到自動化調(diào)整主通風(fēng)機運行效率的目的。

圖1 主通風(fēng)機變頻控制方案示意圖

3 變頻器的選型及其工作原理

3.1 變頻器型號選擇

根據(jù)礦井實際情況，選用的是日立公司生產(chǎn)研制的SJ700 系列變頻器，考慮到通風(fēng)機每臺電機的額定功率為200 kW，所以使用的變頻器具體型號為SJ700-3150HFE2，該型號變頻器的額定電壓、額定電流以及額定功率分別為380 V、600 A 和315 kW。完全可以滿足主通風(fēng)機的實際使用需要，且預(yù)留有一定余量。

3.2 變頻器的外部接線

考慮到四臺變頻器控制回路端子的接線圖完全相同，以下主要根據(jù)其中一臺變頻器的接線為例進行分析，如圖2 所示為變頻控制器的外部接線圖。圖2中繼電器ZJ 的作用是利用指示燈對變頻器的運行狀態(tài)進行指示；繼電器1KA 的作用是實現(xiàn)變頻器自動和手動控制模式的切換；繼電器K1～K4 的作用是根據(jù)PLC 控制器的指令實現(xiàn)主通風(fēng)機正風(fēng)和反風(fēng)的調(diào)整；AL0 和AL1 輸出端子主要是對變頻器的故障進行報警和指示；SB1 主要是對故障問題進行復(fù)位；CM1和FM 端子的作用是接收電機的轉(zhuǎn)速并對其進行顯示；利用SP、SN 端子可以基于RS-485 通信協(xié)議實現(xiàn)與PLC 控制器之間的數(shù)據(jù)信息交互，利用OI 接口PLC 控制器可以通過DC 4～20 mA 的電流信號下達控制指令，變頻器根據(jù)指令對輸出的電壓頻率進行調(diào)整，利用AM1 端子，變頻器可以通過DC 4～20 mA 的電流信號向PLC 控制器反饋輸出的電壓頻率。

圖2 變頻器控制回路端子的接線圖

3.3 變頻器的節(jié)能工作原理

已有的理論和工程實踐經(jīng)驗表明，通風(fēng)機工作時其風(fēng)機負載屬于典型的平方轉(zhuǎn)矩負載。風(fēng)機運行功率與流量、轉(zhuǎn)速、風(fēng)壓之間的關(guān)系可以表示為：其中p 表示負載功率，Q、H、n 分別表示通風(fēng)機的流量、風(fēng)壓、轉(zhuǎn)速。當(dāng)電動機的輸出轉(zhuǎn)速n 發(fā)生變化，比如由額定轉(zhuǎn)速n1降低到n2時，流量、風(fēng)壓、負載功率的變化情況可以表述為。根據(jù)上述關(guān)系式，可以繪制如圖3 所示的壓力與流量之間的特征曲線圖，圖中R1和R2分別表示主通風(fēng)機運行阻力最小和較大時的管路特征曲線。

由圖3 可知，在未使用變頻器前，當(dāng)?shù)V井需要的通風(fēng)量由Q1降低到為Q2時，通過外部物理調(diào)節(jié)會使風(fēng)機運行阻力由R1變成R2，消耗的負載功率與圖中BH2OQ2的面積成正比。在相同的工況條件下，如果使用了變頻器，則負載功率與圖中的CH3OQ2的面積成正比。后者的面積幾乎只有前者的一半，意味著變頻器可以起到很好的降低能源消耗的效果。當(dāng)?shù)V井對風(fēng)量的需求降低時，通過調(diào)整電機輸出轉(zhuǎn)速可以同步降低風(fēng)壓大小，從而將風(fēng)機阻力控制在較低水平，主通風(fēng)機的功率損耗相應(yīng)降低。另外，風(fēng)壓降低也會降低整個通風(fēng)系統(tǒng)包括管道的故障率，提升設(shè)備運行的穩(wěn)定性。

圖3 壓力與流量之間的特征曲線圖

4 應(yīng)用效果分析

將上文所述的基于變頻器的主通風(fēng)機控制系統(tǒng)應(yīng)用到某煤礦工程實踐中，對其實際運行情況進行了一年時間的現(xiàn)場測試，對相關(guān)數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，并與未使用變頻器之前的數(shù)據(jù)進行對比。使用變頻器前后主通風(fēng)機的日耗電量和電費對比情況，如圖4 所示。在相同的工況條件下，主通風(fēng)機系統(tǒng)使用變頻器前和使用后每日消耗的電量，分別為20900.78 kW 和12980.36 kW，使用變頻器后每日消耗的電量降低幅度達到了37.4%。如果電費按照0.6 元/kW·h 的價格計算，則主通風(fēng)機系統(tǒng)使用變頻器前和使用后每日消耗的電費分別為11495.43 元和7139.20 元，使用變頻器每日可以節(jié)省電費4356.23 元。

圖4 使用變頻器前后主通風(fēng)機的日耗電量和電費對比情況

從以上分析可以看出，通過使用變頻器，可以大幅度降低主通風(fēng)機運行時的能源消耗，為煤礦企業(yè)節(jié)省大量的電費。使用變頻器的設(shè)備，在啟動階段和運行階段的穩(wěn)定性顯著提升。主站通風(fēng)系統(tǒng)的故障率降低，為企業(yè)節(jié)省了一定的設(shè)備維護和保養(yǎng)成本。

5 結(jié)語

針對礦井主通風(fēng)機傳統(tǒng)的風(fēng)量調(diào)節(jié)方法存在的問題，基于先進的變頻器技術(shù)設(shè)計了主通風(fēng)機運行控制系統(tǒng)，并在某煤礦實際應(yīng)用。經(jīng)過一年多時間的現(xiàn)場測試，在礦井主通風(fēng)機中應(yīng)用變頻器取得了很好的實踐應(yīng)用效果，值得其他煤礦企業(yè)借鑒。