LOGO分時(shí)段變頻控制井下主風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速及輸出風(fēng)量

袁梅芳

(湖南有色冶金勞動(dòng)保護(hù)研究院)

經(jīng)對(duì)湖南省18個(gè)有色金屬、黃金礦山的井下通風(fēng)系統(tǒng)測(cè)定和統(tǒng)計(jì)，通風(fēng)系統(tǒng)能耗占整個(gè)礦井能耗的24.4%～40.5%。近幾年來(lái)部分礦山通風(fēng)節(jié)能效果雖有一定改善，但通過(guò)復(fù)雜的控制系統(tǒng)，要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制主風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速及輸出風(fēng)量，需要增加前期較大的投資和維護(hù)成本。因此，研究一種適合于各礦山采掘作業(yè)時(shí)間安排、并且控制簡(jiǎn)單、維護(hù)量少的控制系統(tǒng)，在不同作業(yè)時(shí)段調(diào)節(jié)主風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速及輸出不同風(fēng)量，既能保證良好的通風(fēng)效果，又能達(dá)到在變頻調(diào)速的基礎(chǔ)上進(jìn)一步節(jié)能的目的，是我國(guó)采礦界面臨的一個(gè)具有現(xiàn)實(shí)意義的課題。

1 變頻器控制通風(fēng)系統(tǒng)主風(fēng)機(jī)節(jié)能機(jī)理

(1)主風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速與風(fēng)量的關(guān)系。風(fēng)機(jī)屬平方轉(zhuǎn)矩負(fù)載，轉(zhuǎn)速n的變化，將引起電機(jī)轉(zhuǎn)矩T和功率P的變化。由流體力學(xué)理論可知，在只改變風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的條件下，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速與風(fēng)量一次方成正比［1］:式中，n1為風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，m/s;n2為風(fēng)機(jī)變速后的轉(zhuǎn)速，m/s;Q1為風(fēng)機(jī)的風(fēng)量，m3/s;Q2為風(fēng)機(jī)變速后的風(fēng)量，m3/s。

由式(1)可見(jiàn)，使用變頻器改變主風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，其風(fēng)量成正比例的變化。

(2)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速與風(fēng)壓的關(guān)系。風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速平方與風(fēng)壓成正比［1］:

式中，Pst1為風(fēng)機(jī)的靜壓，Pa;Pst2為風(fēng)機(jī)變速后的靜壓，Pa。

(3)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速與功率的關(guān)系。風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速三次方與風(fēng)機(jī)輸出功率成正比［1］:

式中，N1為風(fēng)機(jī)的輸出功率，kW;N2為風(fēng)機(jī)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(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，則風(fēng)機(jī)的輸出功率將以三次方量級(jí)減少，體現(xiàn)出顯著的節(jié)能效果［2］。

2 變頻器控制主風(fēng)機(jī)與礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)匹配節(jié)能分析

2.1 礦井通風(fēng)系統(tǒng)主風(fēng)機(jī)選型的依據(jù)

目前國(guó)內(nèi)工程技術(shù)人員設(shè)計(jì)礦井通風(fēng)系統(tǒng)在主風(fēng)機(jī)選型的依據(jù)是:

(1)主風(fēng)機(jī)風(fēng)量的確定是根據(jù)礦井開(kāi)采中期最大年產(chǎn)量和生產(chǎn)特點(diǎn)，按礦井同時(shí)作業(yè)的各工作點(diǎn)需要的最大風(fēng)量和需要獨(dú)立通風(fēng)硐室(水泵房、炸藥房、提升機(jī)房等)的風(fēng)量之總和，同時(shí)還要考慮礦井漏風(fēng)，生產(chǎn)不均衡及風(fēng)量調(diào)節(jié)的難易程度等因素，再乘以1.1～1.5的風(fēng)量備用系數(shù)之后所得的風(fēng)量作為選取主風(fēng)機(jī)型號(hào)的依據(jù)［3］。

(2)主風(fēng)機(jī)風(fēng)壓的確定原則:在確定風(fēng)量的基礎(chǔ)上，計(jì)算礦井通風(fēng)總阻力時(shí)是選擇一條摩擦阻力最大的通風(fēng)線路，同時(shí)考慮通風(fēng)局部阻力、風(fēng)機(jī)裝置阻力、風(fēng)流流到大氣的出口動(dòng)壓損失及與風(fēng)機(jī)風(fēng)向相反的自然風(fēng)壓之總和，作為選取主風(fēng)機(jī)的風(fēng)壓。

(3)一般是按主風(fēng)機(jī)使用10～20 a服務(wù)年限選取。一個(gè)礦井從最初開(kāi)始投產(chǎn)到開(kāi)采至中期最大產(chǎn)量是要經(jīng)過(guò)調(diào)試和多年發(fā)展過(guò)程的，而設(shè)計(jì)人員選擇主風(fēng)機(jī)的服務(wù)年為10～20 a。主風(fēng)機(jī)一經(jīng)投入運(yùn)行均在工頻50 Hz條件運(yùn)轉(zhuǎn)，在開(kāi)采初期產(chǎn)量小、風(fēng)量過(guò)剩，如果不對(duì)主風(fēng)機(jī)進(jìn)行變頻器控制，則主風(fēng)機(jī)在10～20 a的時(shí)間內(nèi)，其轉(zhuǎn)速、風(fēng)量、風(fēng)壓、功率均不變，勢(shì)必造成很大的能源浪費(fèi)。

2.2 改變主風(fēng)機(jī)頻率與不同生產(chǎn)時(shí)期通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)匹配

使用變頻器調(diào)整主風(fēng)機(jī)的電機(jī)轉(zhuǎn)速，則風(fēng)機(jī)的風(fēng)量、風(fēng)壓、輸出功率均發(fā)生相應(yīng)的變化。在礦井生產(chǎn)系統(tǒng)建成的初期，通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)簡(jiǎn)單需風(fēng)量少:當(dāng)?shù)V井開(kāi)采到中期產(chǎn)量大、通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)也較復(fù)雜、需風(fēng)量也增大;當(dāng)?shù)V井進(jìn)入深部開(kāi)采時(shí)，通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)的阻力大需風(fēng)量更大，所以對(duì)主風(fēng)機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速，使主風(fēng)機(jī)與3個(gè)不同開(kāi)采時(shí)期的通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)真正的匹配，既能滿足各開(kāi)采時(shí)期的風(fēng)量、風(fēng)壓要求，又能在10～20 a內(nèi)節(jié)約大量的能源消耗。

3 LOGO分時(shí)段控制主風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速節(jié)能效果

3.1 礦山井下采掘作業(yè)的時(shí)間安排

大多數(shù)礦山井下工作的實(shí)際情況是白班多，晚班少。這一方面是隨著物質(zhì)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(jīng)統(tǒng)計(jì)，晚上從事采、掘、爆破等主要作業(yè)發(fā)生事故的概率特別高，所以現(xiàn)在大部分礦山井下主要采、掘、爆破等作業(yè)都是安排在白天上班，而且作業(yè)人員多需風(fēng)量大，晚上只是安排少部分放礦、設(shè)備維修等輔助作業(yè)，并且晚上井下作業(yè)人員少需風(fēng)量也小。

3.2 根據(jù)不同的作業(yè)時(shí)段自動(dòng)控制主風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速

LOGO是一種微型可編程序控制模塊，其特點(diǎn)是:體積小，性能價(jià)格比高、編程方便簡(jiǎn)單(適用于控制不是很復(fù)雜的場(chǎng)合)。將LOGO與變頻器組合形成對(duì)主風(fēng)機(jī)進(jìn)一步調(diào)速節(jié)能的控制系統(tǒng)，由LOGO來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)主風(fēng)機(jī)分晝夜時(shí)段不同轉(zhuǎn)速控制比較簡(jiǎn)單，如選用一個(gè)8入4出230PC本機(jī)模塊直接輸出，對(duì)時(shí)間進(jìn)行編程控制變頻器的兩檔輸出速度，根據(jù)各礦山采掘爆破作業(yè)具體時(shí)段設(shè)置，實(shí)現(xiàn)白天、晚上自動(dòng)調(diào)整主風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，使主風(fēng)機(jī)晝夜以不同的轉(zhuǎn)速運(yùn)行，從而達(dá)到比單一的變頻器調(diào)速更加節(jié)能的目的。

3.3 LOGO分時(shí)段控制變頻主風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速節(jié)能應(yīng)用

水口山有色金屬有限責(zé)任公司康家灣礦采用斜坡道開(kāi)采，采礦量45萬(wàn)t/a，井下通風(fēng)系統(tǒng)是中央進(jìn)風(fēng)兩翼對(duì)角軸出式通風(fēng)，即新鮮空氣從斜坡道和豎井進(jìn)入井下，污風(fēng)從1#、2#回風(fēng)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(jìn)、爆破、汽車(chē)運(yùn)礦、并且井下工作人員多需風(fēng)量大，晚上20:00至次日早晨8:00之間井下只有少量設(shè)備檢修和排水人員作業(yè)需風(fēng)量小。根據(jù)井下的作業(yè)工種和人員多少的實(shí)際情況，為了節(jié)約能源，對(duì)1#回風(fēng)井DK40－6－No21－2×220 kW主風(fēng)機(jī)采用LOGO分時(shí)段調(diào)速，即8:00～20:00時(shí)段，2×220 kW主風(fēng)機(jī)電機(jī)轉(zhuǎn)速由980 r/min(額定轉(zhuǎn)速)調(diào)到850 r/min時(shí)運(yùn)行功率為288.5 kW(能滿足生產(chǎn)需要)，晚上20:00至次日早晨8:00主風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速由850 r/min降到500 r/min，運(yùn)行功率65.8 kW，采用LOGO分時(shí)段調(diào)整的節(jié)能效果見(jiàn)表1。

4 結(jié)語(yǔ)

(1)將DK40－6－No21－2×220 kW主風(fēng)機(jī)變頻后，每年節(jié)電950 460 kWh，節(jié)約電費(fèi)80.79萬(wàn)元。既取得了第一步節(jié)能效果，又能使主風(fēng)機(jī)與通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)達(dá)到良好的匹配。

表1 主風(fēng)機(jī)變頻及LOGO分時(shí)段調(diào)速前后年耗能比較

(2)在對(duì)主風(fēng)機(jī)變頻的基礎(chǔ)上，使用LOGO在20:00至次日早晨8:00時(shí)段再將主風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)到500 r/min，每年節(jié)電975 426 kWh，節(jié)約電費(fèi)82.91萬(wàn)元。解決了非主要作業(yè)時(shí)段主風(fēng)機(jī)“大馬拉小車(chē)”的能源浪費(fèi)問(wèn)題，達(dá)到了第二步良好的節(jié)能效果。

(3)使用LOGO在8:00～20:00時(shí)間段又可以使主風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速由500 r/min自動(dòng)升到850 r/min運(yùn)轉(zhuǎn)，繼續(xù)滿足井下主要采掘爆破作業(yè)的通風(fēng)要求。

(4)將LOGO與變頻器組合實(shí)現(xiàn)對(duì)主風(fēng)機(jī)分時(shí)段節(jié)能控制，節(jié)能效果顯著，控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單，投資少，是目前礦山主風(fēng)機(jī)節(jié)能的有效途徑，具有廣泛的推廣前景和實(shí)用價(jià)值。

［1］ 商景泰.通風(fēng)機(jī)手冊(cè)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1996.

［2］ 潘永沛，赫崇俊.用變頻裝置控制拖動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)風(fēng)量［J］.本鋼技術(shù)，1996(5):52-55.

［3］ 盧義玉，等.礦井通風(fēng)與安全［M］.重慶:重慶大學(xué)出版社，2006.