LOGO分時段變頻控制井下主風機轉速及輸出風量

袁梅芳

(湖南有色冶金勞動保護研究院)

經對湖南省18個有色金屬、黃金礦山的井下通風系統測定和統計，通風系統能耗占整個礦井能耗的24.4%～40.5%。近幾年來部分礦山通風節能效果雖有一定改善，但通過復雜的控制系統，要實現自動控制主風機轉速及輸出風量，需要增加前期較大的投資和維護成本。因此，研究一種適合于各礦山采掘作業時間安排、并且控制簡單、維護量少的控制系統，在不同作業時段調節主風機轉速及輸出不同風量，既能保證良好的通風效果，又能達到在變頻調速的基礎上進一步節能的目的，是我國采礦界面臨的一個具有現實意義的課題。

1 變頻器控制通風系統主風機節能機理

(1)主風機轉速與風量的關系。風機屬平方轉矩負載，轉速n的變化，將引起電機轉矩T和功率P的變化。由流體力學理論可知，在只改變風機轉速的條件下，風機轉速與風量一次方成正比［1］:式中，n1為風機的轉速，m/s;n2為風機變速后的轉速，m/s;Q1為風機的風量，m3/s;Q2為風機變速后的風量，m3/s。

由式(1)可見，使用變頻器改變主風機轉速，其風量成正比例的變化。

(2)風機轉速與風壓的關系。風機的轉速平方與風壓成正比［1］:

式中，Pst1為風機的靜壓，Pa;Pst2為風機變速后的靜壓，Pa。

(3)風機轉速與功率的關系。風機轉速三次方與風機輸出功率成正比［1］:

式中，N1為風機的輸出功率，kW;N2為風機變速后的輸出功率，kW。

從式(3)清楚地看出，采用變頻器降低主風機的轉速，則風機的輸出功率將以三次方量級減少，體現出顯著的節能效果［2］。

2 變頻器控制主風機與礦井通風網絡匹配節能分析

2.1 礦井通風系統主風機選型的依據

目前國內工程技術人員設計礦井通風系統在主風機選型的依據是:

(1)主風機風量的確定是根據礦井開采中期最大年產量和生產特點，按礦井同時作業的各工作點需要的最大風量和需要獨立通風硐室(水泵房、炸藥房、提升機房等)的風量之總和，同時還要考慮礦井漏風，生產不均衡及風量調節的難易程度等因素，再乘以1.1～1.5的風量備用系數之后所得的風量作為選取主風機型號的依據［3］。

(2)主風機風壓的確定原則:在確定風量的基礎上，計算礦井通風總阻力時是選擇一條摩擦阻力最大的通風線路，同時考慮通風局部阻力、風機裝置阻力、風流流到大氣的出口動壓損失及與風機風向相反的自然風壓之總和，作為選取主風機的風壓。

(3)一般是按主風機使用10～20 a服務年限選取。一個礦井從最初開始投產到開采至中期最大產量是要經過調試和多年發展過程的，而設計人員選擇主風機的服務年為10～20 a。主風機一經投入運行均在工頻50 Hz條件運轉，在開采初期產量小、風量過剩，如果不對主風機進行變頻器控制，則主風機在10～20 a的時間內，其轉速、風量、風壓、功率均不變，勢必造成很大的能源浪費。

2.2 改變主風機頻率與不同生產時期通風網絡匹配

使用變頻器調整主風機的電機轉速，則風機的風量、風壓、輸出功率均發生相應的變化。在礦井生產系統建成的初期，通風網絡簡單需風量少:當礦井開采到中期產量大、通風網絡也較復雜、需風量也增大;當礦井進入深部開采時，通風網絡的阻力大需風量更大，所以對主風機進行變頻調速，使主風機與3個不同開采時期的通風網絡實現真正的匹配，既能滿足各開采時期的風量、風壓要求，又能在10～20 a內節約大量的能源消耗。

3 LOGO分時段控制主風機轉速節能效果

3.1 礦山井下采掘作業的時間安排

大多數礦山井下工作的實際情況是白班多，晚班少。這一方面是隨著物質和文化生活水平的提高，井下工人更加注重身體健康，都不愿意上晚班，另一方面是經統計，晚上從事采、掘、爆破等主要作業發生事故的概率特別高，所以現在大部分礦山井下主要采、掘、爆破等作業都是安排在白天上班，而且作業人員多需風量大，晚上只是安排少部分放礦、設備維修等輔助作業，并且晚上井下作業人員少需風量也小。

3.2 根據不同的作業時段自動控制主風機轉速

LOGO是一種微型可編程序控制模塊，其特點是:體積小，性能價格比高、編程方便簡單(適用于控制不是很復雜的場合)。將LOGO與變頻器組合形成對主風機進一步調速節能的控制系統，由LOGO來實現對主風機分晝夜時段不同轉速控制比較簡單，如選用一個8入4出230PC本機模塊直接輸出，對時間進行編程控制變頻器的兩檔輸出速度，根據各礦山采掘爆破作業具體時段設置，實現白天、晚上自動調整主風機的轉速，使主風機晝夜以不同的轉速運行，從而達到比單一的變頻器調速更加節能的目的。

3.3 LOGO分時段控制變頻主風機轉速節能應用

水口山有色金屬有限責任公司康家灣礦采用斜坡道開采，采礦量45萬t/a，井下通風系統是中央進風兩翼對角軸出式通風，即新鮮空氣從斜坡道和豎井進入井下，污風從1#、2#回風井排到地表。

井下工人白天是兩班6 h工作制，即從8:00～20:00之間是采礦、掘進、爆破、汽車運礦、并且井下工作人員多需風量大，晚上20:00至次日早晨8:00之間井下只有少量設備檢修和排水人員作業需風量小。根據井下的作業工種和人員多少的實際情況，為了節約能源，對1#回風井DK40－6－No21－2×220 kW主風機采用LOGO分時段調速，即8:00～20:00時段，2×220 kW主風機電機轉速由980 r/min(額定轉速)調到850 r/min時運行功率為288.5 kW(能滿足生產需要)，晚上20:00至次日早晨8:00主風機的轉速由850 r/min降到500 r/min，運行功率65.8 kW，采用LOGO分時段調整的節能效果見表1。

4 結語

(1)將DK40－6－No21－2×220 kW主風機變頻后，每年節電950 460 kWh，節約電費80.79萬元。既取得了第一步節能效果，又能使主風機與通風網絡達到良好的匹配。

表1 主風機變頻及LOGO分時段調速前后年耗能比較

(2)在對主風機變頻的基礎上，使用LOGO在20:00至次日早晨8:00時段再將主風機轉速調到500 r/min，每年節電975 426 kWh，節約電費82.91萬元。解決了非主要作業時段主風機“大馬拉小車”的能源浪費問題，達到了第二步良好的節能效果。

(3)使用LOGO在8:00～20:00時間段又可以使主風機轉速由500 r/min自動升到850 r/min運轉，繼續滿足井下主要采掘爆破作業的通風要求。

(4)將LOGO與變頻器組合實現對主風機分時段節能控制，節能效果顯著，控制系統簡單，投資少，是目前礦山主風機節能的有效途徑，具有廣泛的推廣前景和實用價值。

［1］ 商景泰.通風機手冊［M］.北京:機械工業出版社，1996.

［2］ 潘永沛，赫崇俊.用變頻裝置控制拖動電機轉速調節風機風量［J］.本鋼技術，1996(5):52-55.

［3］ 盧義玉，等.礦井通風與安全［M］.重慶:重慶大學出版社，2006.