煤礦推廣使用變頻調(diào)速帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益分析

王克宣 鄭加財(cái) 宋合義

(1.義煤集團(tuán)永興公司，河南 義馬 472300;2.河南大有能源常村煤礦，河南 義馬 472300)

隨著我國(guó)對(duì)環(huán)境污染及節(jié)能減排的目標(biāo)推動(dòng)之下，煤礦的節(jié)能降耗、降低設(shè)備功耗成本提效被提到了重要地位，設(shè)備節(jié)能改造勢(shì)在必行。一些列大型用電設(shè)備占到企業(yè)噸煤開(kāi)采成本的比重約65% ～85%，流體負(fù)載運(yùn)轉(zhuǎn)效率20% ～50%，許多負(fù)載都是運(yùn)行過(guò)程中所需要的功率是在時(shí)刻都是在變化的，但是在工頻運(yùn)行情況下，電動(dòng)機(jī)始終以額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行，其輸出功率幾乎不變。在絕大多數(shù)的時(shí)間里，電動(dòng)機(jī)的輸出功率比負(fù)載實(shí)際消耗的功率大得多，這就構(gòu)成了功率的浪費(fèi)。變頻調(diào)速技術(shù)憑借其優(yōu)越性能和節(jié)能效果很值得在煤礦企業(yè)大力推廣使用。

1 工頻系統(tǒng)的使用效果與節(jié)能空間分析

1.1 礦使用的空氣壓縮機(jī)在工頻運(yùn)行情況下，當(dāng)儲(chǔ)氣罐的壓力由于用戶(hù)用氣量減小而偏高時(shí)，必須通過(guò)泄載閥泄放掉部門(mén)壓縮空氣以維持儲(chǔ)氣罐內(nèi)的壓力比較穩(wěn)定，這泄放掉的壓縮空氣實(shí)際上就構(gòu)成了能源的浪費(fèi)，拖動(dòng)系統(tǒng)就存在著節(jié)能空間。也就是說(shuō)如果通過(guò)調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)調(diào)節(jié)壓縮空氣的能力，被泄載伐泄放掉的壓縮空氣就可以省下來(lái)了。

1.2 提升絞車(chē)調(diào)速系統(tǒng)為轉(zhuǎn)子串電阻交流調(diào)速電氣傳動(dòng)。采用繞線電機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻的調(diào)速方式，此調(diào)速方式存在轉(zhuǎn)子回路串接電阻，消耗電能造成能源浪費(fèi)。因?yàn)榻g車(chē)上升與下降的過(guò)程中都需要電機(jī)驅(qū)動(dòng)，而變頻電控只需要在絞車(chē)上升過(guò)程中進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，而在下降過(guò)程中由于慣性的原因，電機(jī)則變成了一臺(tái)發(fā)電機(jī)，它所發(fā)的電經(jīng)過(guò)濾波處理，又可回饋至電網(wǎng)繼續(xù)使用，安全性能更高。

1.3 主通風(fēng)機(jī)由于受大采深、地質(zhì)構(gòu)造、巷道層位布置的影響，巷道整修反復(fù)性大。隨著采區(qū)、多水平的延伸接替，通風(fēng)系統(tǒng)的巷道斷面的變化將是一個(gè)動(dòng)態(tài)反復(fù)的過(guò)程。風(fēng)機(jī)與通風(fēng)系統(tǒng)匹配的好壞程度也將是一個(gè)動(dòng)態(tài)反復(fù)的長(zhǎng)期過(guò)程。由于風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)選型考慮到煤礦的安全生產(chǎn)留有較大余量，風(fēng)機(jī)運(yùn)行在礦井壽命的前期、中期乃至后期風(fēng)機(jī)不能達(dá)到滿(mǎn)負(fù)荷，相對(duì)運(yùn)行在小角度、小風(fēng)量、低效率區(qū)域，風(fēng)機(jī)整體機(jī)組效率實(shí)際僅為70%。建礦初期我們一般采用調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)葉片角度來(lái)實(shí)現(xiàn)通風(fēng)量，但風(fēng)機(jī)輸出風(fēng)量仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于實(shí)際工礦所需要的風(fēng)量。這樣不但造成大量不必要的能源浪費(fèi)，而且使風(fēng)機(jī)長(zhǎng)期在低效區(qū)內(nèi)運(yùn)行，造成設(shè)備無(wú)法經(jīng)濟(jì)、合理運(yùn)行，電能浪費(fèi)驚人。

2 調(diào)速的方法與節(jié)能效果分析

電動(dòng)機(jī)的輸出功率和轉(zhuǎn)速有關(guān):

式中Pm—電動(dòng)機(jī)的的軸上輸出功率(KW);Tm—電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩(M·m);nM—電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。

這個(gè)公式表明電機(jī)的轉(zhuǎn)速下降了，系統(tǒng)消耗的功率也就下降了，所以，能否拖動(dòng)系統(tǒng)的平均速度下降，便是系統(tǒng)能否具有節(jié)能空間的基本標(biāo)志。當(dāng)電動(dòng)機(jī)在額定轉(zhuǎn)速下運(yùn)行時(shí)，如果負(fù)載轉(zhuǎn)矩等于額定轉(zhuǎn)矩的話，則電動(dòng)機(jī)的輸出功率等于額定功率，如果平均速度下降至電動(dòng)機(jī)的相對(duì)值為0.6的話，則輸出功率絕對(duì)值為0.6，與額定轉(zhuǎn)速時(shí)相比，節(jié)約電能達(dá)到40%。當(dāng)電動(dòng)機(jī)在額定轉(zhuǎn)速下運(yùn)行時(shí)，負(fù)載轉(zhuǎn)矩等于額定轉(zhuǎn)矩，風(fēng)機(jī)所消耗的電功率等于額定功率，如果平均速度下降至0.7的話，則負(fù)載轉(zhuǎn)矩減小為0.72為0.49，而輸出功率則減小為0.73 為0.35，與額定轉(zhuǎn)速相比，節(jié)約電能約為1.0 －0.35=0.65，即，節(jié)約電能65%。所以，變頻調(diào)速在調(diào)速過(guò)程中，并未增加額外損失，是最節(jié)能的一種調(diào)速方式。

3 變頻器節(jié)能效果分析

變頻器節(jié)能主要表現(xiàn)在風(fēng)機(jī)、水泵的應(yīng)用上。為了保證生產(chǎn)的可靠性，各種生產(chǎn)機(jī)械在設(shè)計(jì)配用動(dòng)力驅(qū)動(dòng)時(shí)，都留有一定的富余量。當(dāng)電機(jī)不能在滿(mǎn)負(fù)荷下運(yùn)行時(shí)，除達(dá)到動(dòng)力驅(qū)動(dòng)要求外，多余的力矩增加了有功功率的消耗，造成電能的浪費(fèi)。風(fēng)機(jī)、泵類(lèi)等設(shè)備傳統(tǒng)的調(diào)速方法是通過(guò)調(diào)節(jié)入口或出口的擋板、閥門(mén)開(kāi)度來(lái)調(diào)節(jié)給風(fēng)量和給水量，其輸入功率大，且大量的能源消耗在擋板、閥門(mén)的截流過(guò)程中。當(dāng)使用變頻調(diào)速時(shí)，如果流量要求減小，通過(guò)降低泵或風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速即可滿(mǎn)足要求。

變頻不是到處可以省電，有不少場(chǎng)合用變頻并不一定能省電。作為電子電路，變頻器本身也要耗電(約額定功率的3－5%)。一臺(tái)1.5匹的空調(diào)自身耗電算下來(lái)也有20－30W，相當(dāng)于一盞長(zhǎng)明燈.變頻器在工頻下運(yùn)行，具有節(jié)電功能，是事實(shí)。但是他的前提條件是:一是大功率并且為風(fēng)機(jī)/泵類(lèi)負(fù)載;二是裝置本身具有節(jié)電功能(軟件支持)三是長(zhǎng)期連續(xù)運(yùn)行。這是體現(xiàn)節(jié)電效果的三個(gè)條件。

無(wú)功功率不但增加線損和設(shè)備的發(fā)熱，更主要的是功率因數(shù)的降低導(dǎo)致電網(wǎng)有功功率的降低，大量的無(wú)功電能消耗在線路當(dāng)中，設(shè)備使用效率低下，浪費(fèi)嚴(yán)重，使用變頻調(diào)速裝置后，由于變頻器內(nèi)部濾波電容的作用，從而減少了無(wú)功損耗，增加了電網(wǎng)的有功功率。

電機(jī)硬啟動(dòng)對(duì)電網(wǎng)造成嚴(yán)重的沖擊，而且還會(huì)對(duì)電網(wǎng)容量要求過(guò)高，啟動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的大電流和震動(dòng)時(shí)對(duì)擋板和閥門(mén)的損害極大，對(duì)設(shè)備、管路的使用壽命極為不利。而使用變頻節(jié)能裝置后，利用變頻器的軟啟動(dòng)功能將使啟動(dòng)電流從零開(kāi)始，最大值也不超過(guò)額定電流，減輕了對(duì)電網(wǎng)的沖擊和對(duì)供電容量的要求，延長(zhǎng)了設(shè)備和閥門(mén)的使用壽命。節(jié)省了設(shè)備的維護(hù)費(fèi)用。從理論上講，變頻器可以用在所有帶有電動(dòng)機(jī)的機(jī)械設(shè)備中，電動(dòng)機(jī)在啟動(dòng)時(shí)，電流會(huì)比額定高5－6倍的，不但會(huì)影響電機(jī)的使用壽命而且消耗較多的電量.系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)在電機(jī)選型上會(huì)留有一定的余量，電機(jī)的速度是固定不變，但在實(shí)際使用過(guò)程中，有時(shí)要以較低或者較高的速度運(yùn)行，因此進(jìn)行變頻改造是非常有必要的。變頻器可實(shí)現(xiàn)電機(jī)軟啟動(dòng)、補(bǔ)償功率因素、通過(guò)改變?cè)O(shè)備輸入電壓頻率達(dá)到節(jié)能調(diào)速的目的，而且能給設(shè)備提供過(guò)流、過(guò)壓、過(guò)載等保護(hù)功能。

4 全面評(píng)價(jià)變頻調(diào)速的經(jīng)濟(jì)效益

4.1 故障減少的效益直流電動(dòng)機(jī)電刷和換向器是最大的薄弱環(huán)節(jié)。同步電動(dòng)機(jī)有電刷和滑環(huán)，也是薄弱環(huán)節(jié)。繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)有電刷和滑環(huán)，也是薄弱環(huán)節(jié)。電磁調(diào)速電動(dòng)機(jī)也有電刷和滑環(huán)，也是薄弱環(huán)節(jié)。

4.2 設(shè)備壽命延長(zhǎng)的效益徹底消除供水系統(tǒng)中的水錘效應(yīng)，水泵工頻起動(dòng)的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩，機(jī)械的磨損減少，易損件不再易損，卷取機(jī)械的磁粉離合器等易損件取消。起重機(jī)械的制動(dòng)閘皮、操作桿等配用件的壽命延長(zhǎng)了。

5 結(jié)束語(yǔ)

隨著科技的進(jìn)步技術(shù)的革新，國(guó)家大力開(kāi)發(fā)新能源技術(shù)，機(jī)電技術(shù)的發(fā)展也將是一個(gè)突飛猛進(jìn)的改革。煤礦企業(yè)要大膽創(chuàng)新，積極推廣新工藝、新技術(shù)、新裝備，將帶來(lái)前所未有的效益。