煤礦通風機變頻特性實驗及實例分析

郭全武

（陽泉煤業(yè)（集團）平定東升興裕煤業(yè)有限公司， 山西 陽泉 045000）

0 引言

通風系統(tǒng)的穩(wěn)定、高效運行是保證煤礦安全生產(chǎn)的重要基礎(chǔ)。通風機在礦井工作面保持持續(xù)運行狀態(tài)，而且其能耗占據(jù)所有設(shè)備能耗的15%～30%之間。目前，工作面通風機的運行效率普遍較低，主要是由于通風機的實際工況與設(shè)備的出廠設(shè)計工況偏離嚴重，而且為了滿足工作面的通風要求，通風機始終保持著困難時期的風量工作，從而導(dǎo)致其在通風“容易”時期出現(xiàn)了“大馬拉小車”的情況。通風機的變頻調(diào)速控制可以解決上述問題，但是其僅是局限于通風機某個確定葉片安裝角度開展研究的。因此，將開展通風機變頻特性實驗研究，重點對不同運行頻率下和不同葉片安裝角度下通風機的性能進行測試。

1 通風機變頻調(diào)速概述

目前，可將煤礦綜采工作面的通風機分為主通風機、局部通風機和輔助通風機三大類；根據(jù)結(jié)構(gòu)及其工作原理的不同，可將通風機分為軸流式通風機和離心式通風機[1-2]。本文以軸流式通風機為例開展研究，其基本結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 軸流式通風機基本結(jié)構(gòu)示意圖

一般情況下，通過通風機的風量、軸功率、電機轉(zhuǎn)速、風壓以及通風效率等參數(shù)對其性能進行綜合評判。關(guān)鍵的評判標準如下：通風機在工況點的靜壓效率大于其最高工作效率的70%以上；通風機的在工作中的風壓小于其最大風壓的90%；通風機的實際葉輪工作轉(zhuǎn)速不得超過其額定轉(zhuǎn)速。

目前，針對通風機變頻調(diào)速相對成熟的控制方式包括有恒壓頻比控制方式、矢量控制方式以及直接轉(zhuǎn)矩控制方式。而且，可控制的對象包括通風機的電機磁極對數(shù)、轉(zhuǎn)差率以及電機頻率等。其中，當通過控制電機磁極對數(shù)實現(xiàn)變頻調(diào)速功能時，要求所配套的電機為無極調(diào)速電機才行，且其對應(yīng)的調(diào)速效果一般；通過改變轉(zhuǎn)差率實現(xiàn)調(diào)速功能時，在實際應(yīng)用中存在調(diào)速范圍小的缺陷；因此，當前主要是對電源頻率進行調(diào)節(jié)控制，即將變頻器與電機配套使用，通過對電機運行頻率進行控制，從而實現(xiàn)對轉(zhuǎn)速的控制，繼而對其葉輪轉(zhuǎn)速進行控制，最終得到對風量、風速等指標控制的目的[3]。

2 通風機變頻特性實驗研究

以變頻調(diào)速為例，本節(jié)將對通風機變頻調(diào)速的特性開展試驗研究，為后續(xù)變頻調(diào)速的實例分析提供理論基礎(chǔ)。本次實驗的通風機即變頻器的具體參數(shù)如表1 所示。

表1 通風機變頻特性實驗通風機及變頻器參數(shù)

2.1 通風機性能測試裝置

為從理論層面對通風內(nèi)的性能進行測試分析，重點對通風機電機頻率與其工作效率之間的關(guān)系進行研究，特布置如圖2 所示的實驗裝置。

圖2 通風機變頻調(diào)速性能實驗測試裝置

由圖2 通風機變頻調(diào)速性能實驗測試裝置可知，所配套的變頻器的工作頻率范圍在0～50 Hz 之間，額定工作電壓為220 V，額定功率為3 kW。實驗中涉及到的關(guān)鍵測試儀器及參數(shù)如表2 所示。

表2 通風機性能測試儀器及參數(shù)

2.2 實驗結(jié)果分析

本次實驗重點對不同葉片角度和不同電機頻率下通風機的性能進行對比。其中，葉片角度包括-3°、0°和+3°；電機運行頻率包括50 Hz、45 Hz、40 Hz、35 Hz 和30 Hz[4-5]。在實驗測試過程中重點對通風機的通風量、風壓、軸功率以及效率等參數(shù)進行統(tǒng)計。實驗中所得的數(shù)據(jù)較多，此處僅列舉處不同葉片安裝角度和不同運行頻率下通風機工作的最高效率，結(jié)果如表3 所示。

表3 不同葉片安裝角度與運行頻率下通風機的最高效率對比

經(jīng)對所有實驗所得的數(shù)據(jù)進行分析，得出通風機變頻調(diào)速特性下的結(jié)論如下：

1）當通風機葉片安裝角度相同時，隨著運行頻率的增加，對應(yīng)通風機最高工作效率增大；當通風機運行頻率一致時，隨著葉片安裝角度的增加，對應(yīng)通風機的最高工作效率增大。

2）在同一頻率下，隨著葉片安裝角度的增加，對應(yīng)通風機的節(jié)能效果越好；同一葉片安裝角度下，通風機相鄰頻率間節(jié)能能量逐漸減小。

3 通風機變頻特性實例分析

以實踐生產(chǎn)通風為例，該煤礦的通風屬于中等容易階段。當前該煤礦通風機的葉片安裝角度為+3°，運行頻率為45 Hz。但是，通風機在當前工況下其實際排風量僅為5 016.6 m3/min 與其實際需風量5 500 m3/min 之間還存在一定的差距。因此，為了滿足工作面通風量的需求，在變頻調(diào)速的作用下，將電機運行頻率調(diào)整為50 Hz，并對50 Hz 下的通風性能進行對比，對比結(jié)果如表4 所示。

表4 通風機變頻調(diào)速性能的實例測試結(jié)果

如表4 所示，對礦井通風機采用變頻調(diào)速后排風量滿足為5 601.0 m3/min，大于實際需風量5 500 m3/min 的要求；而且，采用變頻調(diào)速后通風機的最佳工況范圍相對比在45 Hz 時增大，通風機的工作效率也從69.45%增大至70.72%。

4 結(jié)論

通風機為綜采工作面的關(guān)鍵設(shè)備，其性能直接決定工作面的通風能力，對于保證綜采工作面的安全生產(chǎn)具有重要意義。但是，通風機的實際工況需根據(jù)現(xiàn)場的通風條件實時、高效地調(diào)整才能夠滿足生產(chǎn)需求。本文重點從實驗和實例兩方面對通風機變頻調(diào)速的特性進行研究，并總結(jié)如下：

1）當通風機葉片安裝角度相同時，隨著運行頻率的增加，對應(yīng)通風機最高工作效率增大；當通風機運行頻率一致時，隨著葉片安裝角度的增加，對應(yīng)通風機的最高工作效率增大。

2）在同一頻率下，隨著葉片安裝角度的增加，對應(yīng)通風機的節(jié)能效果越好；同一葉片安裝角度下，通風機相鄰頻率間節(jié)能能量逐漸減小。

3）實踐表明，采用變頻調(diào)速后通風機的最佳工況范圍擴大，且通風機的效率也相應(yīng)增大。