基于煤礦主通風(fēng)機(jī)中變頻調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用研究

摘要：在煤礦中，煤礦的安全生產(chǎn)直接受煤礦通風(fēng)系統(tǒng)的影響，而主通風(fēng)機(jī)是通風(fēng)系統(tǒng)的重要保障設(shè)備。作為煤礦的能耗大戶(hù)，主通風(fēng)機(jī)以其功率大、長(zhǎng)期運(yùn)行特點(diǎn)，消耗大量電能。主通風(fēng)機(jī)的運(yùn)行效率、選型合理性等對(duì)礦井能源指標(biāo)造成直接影響。因此，利用變頻技術(shù)改造煤礦主通風(fēng)機(jī)具有十分重要的意義。本文主要對(duì)煤礦主通風(fēng)機(jī)中變頻調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行研究，為主通風(fēng)機(jī)的改造提供參考。

關(guān)鍵詞：主通風(fēng)機(jī)；變頻調(diào)速；節(jié)能

目前，在我國(guó)煤礦運(yùn)行中，通風(fēng)機(jī)數(shù)量眾多，但具有較低的運(yùn)行效率。根據(jù)一些數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)可知，數(shù)萬(wàn)臺(tái)通風(fēng)機(jī)在全國(guó)煤礦運(yùn)行中使用，其功率在幾千瓦與幾百千瓦范圍內(nèi)，且最大功率的有數(shù)千千瓦[1]。然而，在通風(fēng)機(jī)的實(shí)際使用中，一般而言，其運(yùn)行效率為50%左右，少數(shù)效率為70%左右。同時(shí)，在全礦總能耗中，通風(fēng)機(jī)耗電為35%左右，其中主扇耗電最多。在我國(guó)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的環(huán)境下，各行業(yè)生產(chǎn)的用電需求增加，用電矛盾逐漸突出。因此，對(duì)于煤礦行業(yè)而言，需要采取有效措施，利用有效技術(shù)節(jié)能降耗，節(jié)約煤礦經(jīng)濟(jì)效益，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)、環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。

一、煤礦運(yùn)行中主通風(fēng)機(jī)的使用狀況

在目前的煤礦主通風(fēng)機(jī)使用中，存在工作效率低、能源消耗高等問(wèn)題，以傳統(tǒng)的降壓?jiǎn)?dòng)、直接啟動(dòng)等傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)方式將產(chǎn)生較大負(fù)載，對(duì)系統(tǒng)電網(wǎng)造成明顯沖擊，進(jìn)而影響系統(tǒng)電網(wǎng)內(nèi)的終端電器設(shè)備、供電質(zhì)量等。根據(jù)相關(guān)要求，需要定期倒換運(yùn)行主扇風(fēng)機(jī)，這樣，頻繁的停止、啟動(dòng)設(shè)備將造成單軸軸轉(zhuǎn)現(xiàn)象，進(jìn)而產(chǎn)生較大的振動(dòng)應(yīng)力，對(duì)電動(dòng)機(jī)的使用壽命造成嚴(yán)重影響。同時(shí)，由于我國(guó)主扇風(fēng)機(jī)主要通過(guò)人工調(diào)節(jié)風(fēng)葉角度調(diào)節(jié)風(fēng)量、風(fēng)壓，還未實(shí)現(xiàn)風(fēng)量、風(fēng)壓的自動(dòng)調(diào)節(jié)功能，費(fèi)工費(fèi)時(shí)影響正常安全生產(chǎn)。而在礦井基建設(shè)計(jì)中，對(duì)于通風(fēng)設(shè)備的選取，主要以礦井最大生產(chǎn)能力所需風(fēng)量為標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)系數(shù)進(jìn)行選型。這樣，在選型、設(shè)計(jì)、設(shè)備購(gòu)置過(guò)程中，層層加碼，礦井管網(wǎng)特性與通風(fēng)機(jī)的匹配性較低，具有較低的負(fù)載率[2]。

此外，在礦井開(kāi)采中，通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)處于不斷變化狀態(tài)，在投產(chǎn)初期，網(wǎng)絡(luò)較為簡(jiǎn)單、通風(fēng)距離短，具有較少的風(fēng)量需求。而在投產(chǎn)中期，需要較長(zhǎng)的通風(fēng)距離，網(wǎng)絡(luò)相對(duì)復(fù)雜，對(duì)風(fēng)量的需求增加。在礦井末期，具有更加復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)，而產(chǎn)量卻減少，減少了風(fēng)量需求。并且，在礦井老采區(qū)關(guān)閉、新采區(qū)投產(chǎn)中，通風(fēng)管網(wǎng)特性的時(shí)刻變化，需要根據(jù)需求隨時(shí)調(diào)節(jié)通風(fēng)設(shè)備。

二、變頻調(diào)速原理

在煤礦主通風(fēng)機(jī)中利用變頻調(diào)速技術(shù)，在變頻調(diào)速控制系統(tǒng)中，主要利用低壓變頻調(diào)速智能化調(diào)節(jié)風(fēng)量，一改傳統(tǒng)的控制手段，對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行性能進(jìn)行有效改善，節(jié)約電能。在調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)工況的過(guò)程中，主要利用以下兩種方法：對(duì)管網(wǎng)的熱性曲線(xiàn)進(jìn)行改變、對(duì)風(fēng)機(jī)本性性能曲線(xiàn)進(jìn)行改變[3]。相比于傳統(tǒng)的只能通過(guò)改變擋風(fēng)板的方法，利用轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)控制風(fēng)量可有效提高能源利用率，降低能源消耗。具體原理如圖1所示。

圖1 風(fēng)機(jī)調(diào)速原理圖

在圖1中，曲線(xiàn)1表示的風(fēng)壓-風(fēng)量特性曲線(xiàn)，即在恒速n1下H-Q的關(guān)系。曲線(xiàn)5表示恒速n2下風(fēng)機(jī)的H-Q特性曲線(xiàn)。在風(fēng)門(mén)全開(kāi)的狀態(tài)下，管網(wǎng)的風(fēng)阻特性由曲線(xiàn)3表示。這樣，在風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)中，當(dāng)A點(diǎn)為給你工作效果最高狀態(tài)時(shí)，輸出風(fēng)量（Q）則為100%，則此時(shí)軸功率P1正比于H1、Q1乘積。在這種情況下，可通過(guò)兩種方式將風(fēng)機(jī)流量調(diào)節(jié)為Q2，其一，關(guān)小風(fēng)門(mén)，保持風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速不變，此時(shí)曲線(xiàn)4為管網(wǎng)的風(fēng)阻特性曲線(xiàn)，工作點(diǎn)也隨之移至B點(diǎn)，風(fēng)量為Q2，風(fēng)壓為H2，軸功率P2則正比于H2 、Q2乘積。其二，降低轉(zhuǎn)速，曲線(xiàn)5表示H-Q特性曲線(xiàn)，C為工作點(diǎn)，風(fēng)量Q2不變，風(fēng)壓變?yōu)镠?3，軸功率P2則正比于H3 、Q2乘積。由此可知，降低風(fēng)量可有效降低風(fēng)機(jī)功率，節(jié)約電能，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。

三、變頻調(diào)速技術(shù)的具體應(yīng)用

在煤礦主通風(fēng)機(jī)中，可根據(jù)變頻機(jī)的工作原理及特點(diǎn)，利用現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)、組態(tài)監(jiān)控、可編程控制器等技術(shù)，建立完善的控制系統(tǒng)，如圖2所示。

圖2 風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)

（一）利用變頻器的PID閉環(huán)調(diào)節(jié)。在通風(fēng)機(jī)控制中，變頻器系統(tǒng)是核心，利用變頻器的頻率、啟停控制，通過(guò)PID程序?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)中的各項(xiàng)功能。同時(shí)，通過(guò)閉環(huán)調(diào)節(jié)方式，系統(tǒng)利用風(fēng)量、風(fēng)速傳感器，對(duì)風(fēng)壓、風(fēng)口風(fēng)速進(jìn)行檢測(cè)，并將檢測(cè)值作為反饋值，在風(fēng)速、風(fēng)壓不滿(mǎn)足通風(fēng)需求時(shí)，通過(guò)調(diào)整頻率給定，利用PID閉環(huán)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行改變，將風(fēng)壓、風(fēng)速調(diào)整到生產(chǎn)所需值。

（二）主、從站PLC。在整個(gè)變頻調(diào)速控制中，主站PLC是核心，其主要作為從站 PLC 的硬件冗余和信息采集配置。在系統(tǒng)運(yùn)行中，在從站 PLC 發(fā)生故障的情況下，主站 PLC仍會(huì)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)，利用遠(yuǎn)程組態(tài)監(jiān)控技術(shù)遠(yuǎn)程控制通風(fēng)系統(tǒng)，使通風(fēng)機(jī)持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。同時(shí)，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)，主站 PLC讀取變頻器的運(yùn)行參數(shù)，并在組態(tài)界面上以形象化的圖像顯示，使運(yùn)行維護(hù)人員全面、及時(shí)了解系統(tǒng)運(yùn)行狀況，為系統(tǒng)維護(hù)提供方便[4]。在從站PLC中，其主要發(fā)揮現(xiàn)場(chǎng)控制作用，利用觸摸屏控制風(fēng)機(jī)的停止、啟動(dòng)，并實(shí)時(shí)顯示變頻器的輸出電流、電壓等。

（三）、降低電動(dòng)機(jī)運(yùn)行噪音。利用變頻調(diào)速技術(shù)，在裝置啟動(dòng)時(shí)，不僅對(duì)系統(tǒng)電網(wǎng)電壓沒(méi)有沖擊，確保供電安全，并減少機(jī)械振動(dòng)應(yīng)力，降低電動(dòng)機(jī)的磨損，延長(zhǎng)電動(dòng)機(jī)、機(jī)械設(shè)備的使用壽命。同時(shí)，采用雙葉級(jí)驅(qū)動(dòng)，在部分負(fù)荷、低負(fù)荷狀態(tài)下，可實(shí)現(xiàn)約35%的節(jié)電率。此外，裝置停止平穩(wěn)、啟動(dòng)柔性，對(duì)電壓、電網(wǎng)的沖擊減少，使運(yùn)行噪音降低。

四、結(jié)束語(yǔ)

隨著變頻調(diào)速技術(shù)的逐漸完善，變頻調(diào)節(jié)技術(shù)被廣泛應(yīng)用于各種機(jī)電設(shè)備、工業(yè)企業(yè)中。在煤礦行業(yè)，在主通風(fēng)機(jī)中利用變頻調(diào)速技術(shù)，可有效降低電能消耗，提高經(jīng)濟(jì)效益，并為安全管理提供條件，提高安全管理水平，確保煤礦行業(yè)的安全、持續(xù)發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

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[4]曹世偉.煤礦風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用[J].科技研究，2014，（8）：316-316，283.