薛淑杰

(潞安化工集團(tuán)有限公司古城煤礦，山西 長治 046000)

0 引言

礦用主通風(fēng)機(jī)是煤礦安全生產(chǎn)的根本保障，“不間斷運(yùn)行”是對(duì)通風(fēng)機(jī)系統(tǒng)最根本的要求。目前國內(nèi)礦井煤炭產(chǎn)量激增，通風(fēng)不但是煤礦安全生產(chǎn)的保證也是產(chǎn)量的保證[1-2]。通風(fēng)設(shè)備大型化是必然的發(fā)展趨勢(shì)，到2008年底，國內(nèi)大功率通風(fēng)機(jī)配套電機(jī)最大已達(dá)到5 000 kW，從電控系統(tǒng)的角度來講，大功率電機(jī)在國內(nèi)多數(shù)煤礦采用降壓軟起動(dòng)方式，而在國外同領(lǐng)域基本都采用變頻驅(qū)動(dòng)方式。采用變頻驅(qū)動(dòng)方式最突出的特性就是節(jié)能，同時(shí)“零速度”起動(dòng)方式可以大幅度降低對(duì)機(jī)械系統(tǒng)的沖擊[3-4]。

某煤礦對(duì)舊井主通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行改造投運(yùn)，礦井主通風(fēng)機(jī)為FBCDZ-6-NO18 2×132 kW型主扇風(fēng)機(jī)，驅(qū)動(dòng)采用同步電動(dòng)機(jī)，電源由10 kV開閉所雙回路供電，經(jīng)KBSG-500/10干式變壓器降壓、KBZ16-400饋電開關(guān)直接起動(dòng)投網(wǎng)運(yùn)行。根據(jù)礦井120萬t設(shè)計(jì)年產(chǎn)量要求、礦井生產(chǎn)風(fēng)量需要、瓦斯?jié)舛扔绊?，現(xiàn)有的風(fēng)機(jī)無法滿足整體要求，且試驗(yàn)礦井被認(rèn)定為煤與瓦斯突出礦井。為保證礦井安全生產(chǎn)，響應(yīng)公司以風(fēng)定產(chǎn)的號(hào)召，改善舊井風(fēng)量不足的現(xiàn)狀，在公司協(xié)助下開始對(duì)新井主通風(fēng)機(jī)進(jìn)行改造設(shè)計(jì)，將變頻控制運(yùn)用到主通風(fēng)機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)研究，證明風(fēng)機(jī)變頻控制的可行性。

1 主通風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)與性能參數(shù)

以FBCDZ系列通風(fēng)機(jī)為研究對(duì)象，其采用機(jī)電一體化組裝結(jié)構(gòu)電動(dòng)機(jī)直聯(lián)方式，具有結(jié)構(gòu)緊湊、自重小、運(yùn)輸和拆裝方便等特點(diǎn)。與市場(chǎng)上眾多通風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)類似，其主要部件包含電機(jī)、一級(jí)、二級(jí)主風(fēng)機(jī)、消音器、風(fēng)筒等組成。其中葉片為通風(fēng)機(jī)的主要部件之一，其采用三維扭曲結(jié)構(gòu)，彎掠正交型，可以使通風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)氣流保持平穩(wěn)，振動(dòng)現(xiàn)象微弱，具有很高的運(yùn)行效率，通風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 通風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)Fig.1 Fan structure drawing

FBCDZ系列煤礦地面用防爆抽出式對(duì)旋軸流通風(fēng)機(jī)主要參數(shù)見表1。

表1 主通風(fēng)機(jī)主要參數(shù)Table 1 Main parameters of main fan

主通風(fēng)機(jī)所需的正常工作條件見表2。

表2 主通風(fēng)機(jī)所需的正常工作條件Table 2 Normal working conditions required for the main fan

2 變頻控制系統(tǒng)簡(jiǎn)析

2.1 主通風(fēng)機(jī)變頻控制系統(tǒng)構(gòu)成

對(duì)旋式風(fēng)機(jī)：FBCDZNo36-B 2×900 kW

電機(jī)：YBF800S2-900 kW(山西防爆)

高壓配電系統(tǒng)：KYN28A-12(正泰電器)

整流變壓器：ZTSFG-1400/10(保定天威)

變頻器：ACS5000(ABB)

低壓配電系統(tǒng)：MNS抽屜柜(正泰電器)

直流屏：GZDW-38 Ah(正泰電器)

UPS柜：APC-2200U-24Ah

PLC柜：DK-01(環(huán)能興業(yè))

風(fēng)機(jī)簡(jiǎn)易設(shè)備布置圖及結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 風(fēng)機(jī)設(shè)備布置Fig.2 Fan equipment layout

如圖3所示，18臺(tái)高壓開關(guān)柜與6臺(tái)變頻器置于高壓配電室，3臺(tái)PLC柜、1臺(tái)UPS柜、2臺(tái)直流屏、3臺(tái)低壓柜、1臺(tái)低壓進(jìn)線柜與1臺(tái)輔助系統(tǒng)低壓柜置于低壓配電室，操作臺(tái)、風(fēng)機(jī)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)置于監(jiān)控室。

圖3 變頻裝備布置Fig.3 Frequency conversion equipment layout

2.2 主通風(fēng)機(jī)快速起動(dòng)及切換控制研究

風(fēng)機(jī)切換時(shí)間不多于10 min是“煤礦安全規(guī)程”中嚴(yán)格規(guī)定的，各礦根據(jù)實(shí)際情況不同還有更高的要求，主通風(fēng)機(jī)采用的雙極軸流式靜葉可調(diào)式的風(fēng)機(jī)，該風(fēng)機(jī)的輪轂直徑較大加之電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量非常大，這些因素給停車造成了一些影響，最初的系統(tǒng)方案中擬采用機(jī)械抱閘的方式解決這一問題，但由于抱閘系統(tǒng)對(duì)風(fēng)機(jī)機(jī)械系統(tǒng)的沖擊較大，后經(jīng)反復(fù)論證利用ACS 5000變頻器的DTC控制技術(shù)采用“磁通制動(dòng)方式”。電機(jī)轉(zhuǎn)速下降對(duì)比如圖4所示。

圖4 電機(jī)轉(zhuǎn)速下降對(duì)比Fig.4 Comparison of motor speed decline

磁通制動(dòng)方式不同于標(biāo)量或矢量控制方式“直流制動(dòng)”，若采用直接轉(zhuǎn)矩控制(DTC)的方式便可實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)矩與勵(lì)磁電流獨(dú)立運(yùn)行，此時(shí)ACS 5000變頻器在設(shè)備停車時(shí)可通過給電機(jī)輸出一定頻率的勵(lì)磁電流在定子上產(chǎn)生不同的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。通過阻尼磁場(chǎng)的影響大幅降低電機(jī)停車時(shí)間，這種方式相對(duì)于直流制動(dòng)來說，不僅減少了電機(jī)的發(fā)熱還提高了停車的效率。

2.3 主通風(fēng)機(jī)變頻驅(qū)動(dòng)失電跨越功能的研究

當(dāng)電壓出現(xiàn)瞬間閃斷時(shí)，原主通風(fēng)機(jī)電機(jī)因采用同步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)在這種狀態(tài)下無法確保不間斷運(yùn)行，新系統(tǒng)采用異步電動(dòng)機(jī)但針對(duì)這一問題也無法徹底解決，為改善這一問題，在變頻驅(qū)動(dòng)設(shè)備的功能設(shè)置上選擇了“失電跨越”功能，該功能源于直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)，其根本在于變頻器可獨(dú)立控制輸出電流的I勵(lì)磁和I轉(zhuǎn)矩的2個(gè)分量，如圖5所示。

圖5 轉(zhuǎn)矩分量Fig.5 Torque component diagram

當(dāng)遭遇雷擊或主系統(tǒng)變壓器切換時(shí)電網(wǎng)短時(shí)掉電或閃斷，變頻裝置能夠在保證電機(jī)持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的情況下，不斷地把勵(lì)磁電流施加給電機(jī)但沒有轉(zhuǎn)矩電流，由于給電機(jī)施加了一定的勵(lì)磁電流，電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量可轉(zhuǎn)化為電能并向變頻裝置直流側(cè)反饋，變頻裝置直流電壓可以保持在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)，這樣就保證了變頻裝置在電網(wǎng)閃斷時(shí)仍能對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行持續(xù)控制，變頻裝置還可在電網(wǎng)恢復(fù)正常時(shí)根據(jù)電機(jī)運(yùn)行的實(shí)時(shí)狀況控制電機(jī)轉(zhuǎn)速回到原先設(shè)定的值，這種功能在實(shí)際生產(chǎn)中很大的提高了井下通風(fēng)安全性及持續(xù)性[5-8]。

2.4 主通風(fēng)機(jī)變頻控制對(duì)改善礦井通風(fēng)狀況分析

一般的通風(fēng)機(jī)動(dòng)力源多為工頻電動(dòng)機(jī)，所以主通風(fēng)機(jī)風(fēng)量為固定數(shù)值，抽出風(fēng)量不管何時(shí)均為定值，即使出現(xiàn)特殊情況，諸如部分掘進(jìn)頭面瓦斯涌出量突然增大現(xiàn)象時(shí)，主通風(fēng)機(jī)卻無法在短時(shí)間內(nèi)很快將涌出瓦斯疏散，進(jìn)而引發(fā)瓦斯超限、報(bào)警斷電、甚至更為嚴(yán)重的問題；而采用變頻控制系統(tǒng)的主通風(fēng)機(jī)則不會(huì)出現(xiàn)此類問題，無論井下各工作面瓦斯含量涌出多或少，都可以通過調(diào)節(jié)主通風(fēng)機(jī)頻率，增減主通風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，進(jìn)而達(dá)到改變抽出風(fēng)量，增大或減少風(fēng)壓的目的，保證井下通風(fēng)一切正常，避免出現(xiàn)由于風(fēng)量不足導(dǎo)致的瓦斯超限或其他安全問題[9-12]。

2.5 主通風(fēng)機(jī)變頻控制節(jié)能試驗(yàn)

采用變頻控制方式最直接的效果就是節(jié)能。常村礦原先選用的主通風(fēng)機(jī)是動(dòng)葉可調(diào)式的風(fēng)機(jī)，由功率為2 000 kW的同步機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，風(fēng)機(jī)動(dòng)葉的角度能夠根據(jù)井下通風(fēng)量需求的變動(dòng)進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，但在實(shí)際運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)風(fēng)機(jī)的運(yùn)行效率較低。基于此，本文針對(duì)AGF37.5-22.4-1FB型通風(fēng)機(jī)進(jìn)行改造，通風(fēng)機(jī)的運(yùn)行效率高達(dá)85%，根據(jù)礦井通風(fēng)要求選擇了2個(gè)工況點(diǎn)，這2個(gè)工況點(diǎn)是原風(fēng)機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行的工況點(diǎn)，通風(fēng)參數(shù)見表3。

表3 工況點(diǎn)通風(fēng)參數(shù)Table 3 Ventilation parameters table at working points

對(duì)常村煤礦的節(jié)能效果進(jìn)行分析，在礦井通風(fēng)容易的時(shí)候軸功率為1 440 kW，在采用變頻調(diào)速度的方式時(shí)能夠把風(fēng)機(jī)的效率提高到85%，因此風(fēng)機(jī)的軸功率為1 204 kW，按每度電費(fèi)為0.5元計(jì)算，一年能夠節(jié)省電費(fèi)103.368萬元，在礦井通風(fēng)困難的時(shí)候節(jié)省的電費(fèi)可達(dá)141.5萬元。

若每臺(tái)變頻器的投資為400萬元，在礦井通風(fēng)容易的時(shí)候收回成本的周期為3.86 a，在礦井通風(fēng)困難的時(shí)候收回成本的周期則為3.04 a。因此，變頻調(diào)節(jié)技術(shù)對(duì)于礦井節(jié)能有著重要幫助。

3 主通風(fēng)機(jī)變頻控制引發(fā)問題及防范措施

3.1 主通風(fēng)機(jī)變頻控制引發(fā)的問題

主通風(fēng)機(jī)采用變頻控制系統(tǒng)后各方面效果均很好，但也有個(gè)別問題存在，簡(jiǎn)單分為2種：①倒風(fēng)機(jī)過程中存在風(fēng)量短路，井下很短時(shí)間無風(fēng)或微風(fēng)；②風(fēng)門帶壓開啟或關(guān)閉困難。

3.2 防范措施

針對(duì)主通風(fēng)機(jī)變頻控制引發(fā)的幾個(gè)問題，分析原因并提出相應(yīng)措施進(jìn)行防范。通過風(fēng)阻控制系統(tǒng)在倒風(fēng)機(jī)過程中出現(xiàn)問題時(shí)進(jìn)行控制。通過風(fēng)門打開的大小，控制通風(fēng)網(wǎng)格阻力，使得工況改變，從而使得雙風(fēng)機(jī)倒換過程中系統(tǒng)過渡平穩(wěn)。多臺(tái)風(fēng)機(jī)相互交替工作時(shí)，需要考慮在關(guān)聯(lián)時(shí)段風(fēng)機(jī)的不穩(wěn)定工作區(qū)，不穩(wěn)定區(qū)段內(nèi)風(fēng)機(jī)容易發(fā)生喘振現(xiàn)象，能夠防止喘振的方法主要有：①關(guān)閉轉(zhuǎn)運(yùn)風(fēng)與開啟備用風(fēng)門同時(shí)進(jìn)行，備用風(fēng)門開啟到可保證風(fēng)機(jī)分量的百分之三十時(shí)再啟動(dòng)備用風(fēng)機(jī)，這樣操作可保證倒風(fēng)過程中不出現(xiàn)無風(fēng)或微風(fēng)現(xiàn)象。②在喘振發(fā)生不可避免時(shí)，風(fēng)門盡可能快速動(dòng)作啟閉，縮短喘振工作時(shí)間，減少喘振帶來的損害。因此，雖然主通風(fēng)機(jī)通過變頻控制系統(tǒng)操控，但是仍然會(huì)出現(xiàn)一些不可控的現(xiàn)象，不單單依靠設(shè)備的控制，同時(shí)人員的操作也同樣得具有較高的業(yè)務(wù)水平及操作技巧，這樣在利用變頻控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)風(fēng)速或是倒風(fēng)機(jī)過程中，才會(huì)有效的避免風(fēng)機(jī)出現(xiàn)喘振現(xiàn)象的發(fā)生，杜絕出現(xiàn)井下部分區(qū)域無風(fēng)或微風(fēng)現(xiàn)象。

4 結(jié)論

(1)通過對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行變頻控制設(shè)計(jì)改造，以及對(duì)風(fēng)機(jī)變頻驅(qū)動(dòng)失電跨越功能進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)的變頻裝置在電網(wǎng)閃斷時(shí)仍能對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行持續(xù)控制，在實(shí)際生產(chǎn)中很大程度地提高了井下通風(fēng)安全性及持續(xù)性。

(2)通過風(fēng)機(jī)變頻控制系統(tǒng)節(jié)能實(shí)驗(yàn)，表明在2種不同的工況下，變頻器的節(jié)能效率在3～4年內(nèi)即可收回成本。

(3)分析變頻控制系統(tǒng)相對(duì)于普通電機(jī)控制的優(yōu)勢(shì)，提出主通風(fēng)機(jī)變頻控制可能引發(fā)的問題以及相應(yīng)的防范措施。