施工隧道長距離掘進通風機變頻調速節能研究

王 偉，羅小佳

(湖南交通職業技術學院，湖南長沙 410004)

隧道長距離巷道掘進中，一般按隧道施工的最大通風阻力和最大風量來配備通風設備的。但隨著掘進的延深，送風風筒的長度逐漸增加，風筒的摩擦阻力和漏風量逐漸加大，這樣就要求風機所提供的壓頭和風量隨著掘進距離的增加而逐漸增加，因此風機運行工況是動態變化的。在掘進距離較短時，由于風筒的實際長度小于設計時的長度，風筒的摩擦阻力損失和漏風量都小于設計時的值，這就必然導致在掘進過程中掘進面的通風量大于設計通風量，會出現“大馬拉小車”的現象，其結果就會造成很大的能源浪費，因為不論通風距離的遠近，風機均在額定功率下運行。利用變頻器調節電機轉速以適應風機的部分負荷是一種最方便和最節能的方法，采用變頻器對風機進行變速控制，不僅可以滿足掘進工作面的通風量始終為設計值，而且風機的能耗將會顯著減少，將產生巨大的節能效益。

1 通風機變頻調節原理

風機的變頻調速是通過變頻器改變電機電源的輸入頻率，從而改變風機轉速的調節方式。根據相似律，改變風機的轉速，可改變風機的性能曲線，從而使風機運行工況點移動，風機風壓和風量均隨之改變。風機變頻調速后，在滿足相似工況的條件下，風機能耗與其轉速的三次方成正比［1］。例如，當風量與轉速均下降到80%時，風機所做的有效功率將降低到額定功率的51.2%;當風量與轉速均下降到60%時，有效功率將降低到額定功率的21.6%。

變頻調速風機系統由變頻調速器、交流電動機和風機組成。變頻調速器用來改變風機的轉速，從而改變風機的性能曲線，降低風機在部分負荷運行狀態下運行能耗，變頻調速風機功率示意見圖1［2］。

圖1 變頻調速風機系統示意圖

在圖1中，Nin為總輸入功率，Nm為電機輸入功率，Ns為風機軸功率、Nt為風機有效輸出功率。從能耗來說，這四種功率中，研究總輸入功率Nin是最有意義的。但目前對變頻調速風機功率的分析主要集中在軸功率Ns或有效功率Nt上，這是不全面的。

圖1中 ηVFD、ηm、ηp分別為變頻調速器、交流電動機、風機在部分負荷下運行時的效率。一般這些效率都不是定值，它們隨風機負荷的變化而變化。Nin與 Q 和 H 之間的關系如公式(1)所示［3，4］。

式中，Nin為總輸入功率，kW;H為風機的全壓，Pa;Q為風機的風量，m3/s;ηVFD為變頻器效率，ηm為電機效率，ηp為風機效率，ηVFD、ηm、ηp均為無量綱數。

2 掘進通風機變頻運行實例分析

2.1 工程概況

某隧道掘進工作面，計劃開挖總長度為2 400 m，掘進斷面積55.6 m2。掘進速度 6 m/d，掘進工作面需風量為588 m3/mim。采用膠皮送風風筒，風筒直徑為1.00 m，風筒摩擦阻力系數 α為0.002 25 N·s2/m4，風筒百米漏風率為2%，單位電價0.8元/(kW·h)，電機額定頻率時的效率為0.942。

2.2 掘進風機性能參數

根據掘進工作面所需風量和風筒的漏風情況，計算風機出口最大需風量為16.16 m3/s，風筒總的摩擦損失為5 878 Pa，風筒出口動壓損失94.5 Pa;集流罩阻力系數取 0.1，則集流罩阻力為 9.5 Pa［5］。因此，風機全壓損失為5 980 Pa。

選用一臺FBD№8.2/2×75 kW對旋軸流通風機。風機的實際運行工況點為Q=16.06 m3/s，H=5 980 Pa，風機設計運行工況點如圖2所示。

3 變頻調節節能效益分析

圖2 風機的設計運行工況點

為了可以直觀的認識到風機變頻調速在巷道掘進通風中的節能效率，本文以掘進距離每100 m為一個單位，分析比較了風機采用變頻調速和不采用變頻調速在整個施工期間內的運行能耗。表1為在整個施工期間內，風機在兩種不同運行方式下的能耗比較，以及采用變頻調節后的節能效益。

表1 整個施工期間內風機能耗比較

根據表1可得:不采用變頻調速控制時整個施工期間的電費為54.3萬元，采用變頻調速控制時的電費僅為28萬元，節省電費26.3萬元，節能效率為48.4%。另外，由于表1是按100 m為一掘進段的近似計算。實際上，采用變頻調速控制裝置后風機的實際能耗可能要高于該計算值，節能效率也會低于該計算值。

4 結論

1)在設計的施工距離內，安裝變頻器后，通風機的節電率從掘進距離200 m的87.00%，隨掘進延伸到2 300 m下降為1.86%;節電率隨掘進延伸而逐漸衰減，但總節電率仍達48.40%，可減少電費支出54.3萬元，有顯著的節能效益。

2)安裝變頻器后，可以有效降低風機的啟動電流，避免了大啟動電流對電網的沖擊和大啟動力矩對電動機的機械沖擊，同時可防止風機突然高風壓啟動而破壞風筒。

［1］周謨仁.流體力學泵與風機［M］.北京:中國建筑工業出版社，1994.

［2］丁云飛，江長平.變頻調速水泵的能耗分析［J］.流體機械，2001，29(3):25－26.

［3］Michel A，Bermier，Bernard Bourret.Pumping Energy and Variable Frequency Drives ［J］.ASHRAE Journal，1999(12):37－40.

［4］田效伍.交流調速系統與變頻器應用［M］.北京:機械工業出版社，2011.

［5］錢均波.軸流風機集流器阻力損失計算公式及最優結構參數的確定［J］.山東科技大學學報(自然科學版)，1986(3):72－77.