礦井通風系統變頻技術的應用分析

程　君　齊華軍

(南京梅山冶金發展有限公司礦業分公司)

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礦井通風系統變頻技術的應用分析

程君齊華軍

(南京梅山冶金發展有限公司礦業分公司)

摘要為節能減排、降低原礦開采成本，梅山鐵礦結合井下礦山特點，通過對風機變頻器運行的物理環境、電氣環境以及后期維護保養等問題進行了變頻技術改造應用的可行性分析，并利用風機特性曲線與風阻特性曲線的交點與頻率的關系，計算出不同頻率下的通風能耗，為井下Ⅰ級主通風機變頻技術改造提供了可靠的依據。

關鍵詞變頻技術通風機調速節能

變頻調速器是機電一體化的高新技術產品，是國家推廣的節能技術，具有軟啟動、高效率、高功率因數、無級調速范圍廣的特點，在冶金、礦山、化工行業中得到了廣泛的應用。

南京梅山鐵礦是國內大型地下礦之一，建礦五十多年來，不斷發展壯大，采礦裝備水平和主要經濟技術指標在全國地下礦山處于領先地位。此次為了響應國家節能減排的號召，降低原礦的開采成本，將對井下-402 m通風系統Ⅰ級通風機站8臺風機進行變頻調速控制改造，通過變頻器應用的可行性分析和數據計算，為井下Ⅰ級主通風機變頻技術改造提供了可靠的依據和理論基礎。

1風機變頻控制原理及特點

20世紀70年代以來，隨著電力電子技術的發展，作為交流調速系統核心的變頻調速技術得到了顯著的發展，并逐漸進入了實用階段。變頻器技術是一門綜合性的技術，它建立在控制技術、電力電子技術、微電子技術和計算機技術的基礎之上，并隨著這些技術的發展而不斷得到發展。

1.1變頻原理

變頻器是利用電力半導體器件的通斷作用將工頻電源變換為另一頻率的電能控制裝置。大部分變頻器主要采用交—直—交方式，先將工頻交流電源通過整流器轉換成直流電源，然后將直流電源轉換成頻率、電壓均可控制的交流電源以供給電動機。

1.2井下風機變頻調速技術優點

變頻調速技術是國家推廣的節能技術，在冶金、礦山、化工行業中得到了廣泛的應用。風機變頻驅動與普通的降壓啟動相比較，在電機驅動、風量調節、節能優勢上有其突出的優點。

首先從風機驅動性能上進行比較，變頻器驅動具有軟起、軟停以及過流、電機過載、變頻器過載、欠壓、直流過壓、過熱、輸入缺相、接觸器吸合不良等保護功能，能克服普通降壓啟動對降壓啟動柜內接觸器、繼電器等電氣原件的機械磨損、啟動電流過大造成電機過熱、縮短電機使用壽命的缺陷。

其次從風量的調節性能分析，變頻是無極調節，可實現風量的連續調節，是進行風機運行工況最簡單且節能顯著的調節方式，而采用普通降壓啟動是通過開停風機調節風量，只能進行跳躍式風量調節。根據目前梅山鐵礦井下通風系統特點，因Ⅳ級回風機站已經建立，礦井通風系統總風量主要受Ⅳ級回風機站控制，可以結合Ⅳ級回風機站風機的開停組合與Ⅰ級進風機站風機開停及變頻調速相結合，實現礦井通風量的連續調節。

再次從風機通風能耗上比較，將變頻調速技術運用于大功率長期連續運行的風機負載驅動能取得顯著的通風節能經濟效益。風機設備傳統的調節方法是通過調節入口或出口的擋板調節給風量，當風機輸入功率較大，大量的電能消耗在擋板的截流過程。而使用變頻調速時，根據生產需要，當需風量減小時，通過調節風機頻率，降低風機的轉速即可滿足要求。同時，在變頻器內部濾波電容的作用下，減少了無功損耗，增加了電網的有功功率。

按照礦山通風系統設計特點，風機選型一般按照通風困難時期通風阻力、風量進行選型。一般供風能力偏大，特別是在礦井投產初期和通風系統改造后，供風余量較大。若能根據井下作業時段、作業情況進行按需供風，通過風機變頻調速控制，將取得明顯的通風節能效果。

2風機變頻可行性分析

2.1變頻器運行的物理環境

變頻器內部是大功率的電子元件，對運行環境有一定要求，工作溫度在-10～40 ℃，相對濕度 <90%，粉塵濃度相對較小[1]。對于井下變頻器應用，可通過對變頻器安裝硐室及變頻控制柜的合理設計，滿足變頻器對工作環境的要求。

(1)變頻控制柜內通風散熱、防塵。變頻器自帶冷卻風扇，變頻控制柜設置進、排氣口，頂部設排氣扇，有利于變頻器的通風散熱，發熱元件或易發熱的元件在變頻器的上部安裝。變頻控制柜柜體做好密封，進氣口安裝防塵過濾網，加強變頻控制柜的后期清灰維護工作。

(2)變頻柜安裝硐室通風散熱、排塵。根據梅山鐵礦井下通風條件、已掘進的通風變電所硐室空間結構，此次Ⅰ級進風機站的8臺風機均采用變頻器驅動，設置8臺變頻控制柜，將變頻控制柜直接安裝在通風變電所硐室內。通風變電所硐室空間較大，均有2個進出口，形成1進1出的U型式通風方式，同時，此次通風機站為進風機站，從地表直接進入南、北風井的新鮮、低溫風流經南、北進風井在風機負壓作用下直接進入-402 m水平，再經風機、進風巷沿途通過通風變電所硐室，風源風質接近地表新鮮空氣，同時新鮮風流含塵相對較少、空氣溫度及濕度較低，有利于硐室內變頻器等電氣設備的通風散熱降溫、設備的可靠運行，減少粉塵集聚。同時，設備布局同樣較為寬松，均有利于通風散熱排塵。

2.2變頻器運行的電氣環境

變頻器在工作中由于整流和變頻，周圍產生干擾電磁波，這些高頻電磁波對附近的儀表、儀器有一定的干擾。諧波干擾嚴重時，會導致有些設備不能正常運行[1]。因此，變頻控制柜內所有的元器件均應可靠接地，各電氣元件、儀器及儀表之間的連線應選用屏蔽控制電纜，且屏蔽層接地良好。

為了改善變頻器的電氣使用環境，在變頻控制柜加裝進線濾波器，既能阻止來自電網的干擾，又能減少整流單元產生的諧波電流對電網的污染，提高電網的功率因數，保證變頻器及其他負載的安全運行，確保其他設備不受諧波干擾影響；同時，加裝出線電抗器補償長線分布電容的影響，并能抑制變頻器輸出的諧波，同時起到減小變頻器噪聲的作用。

2.3變頻器后期維護保養

結合目前變頻器市場產品性能逐漸改進完善，產品對環境適應性加強?？紤]到井下變頻器安裝使用的特殊環境，為了延長變頻器的使用壽命，保證系統正常運行，對變頻器的定期檢查和保養是非常重要和有效的。使用單位必須嚴格按照產品說明書的要求，做好變頻器后期保養、維護。

3風機工況點調節及變頻調速

3.1風機工況點調節

風機在一定轉速運行時，風機特性曲線與風阻特性曲線的交點即為實際運行的工況點，風阻特性曲線由一條上凹的二次曲線，風機特性曲線(軸流式風機)為一條下凹的曲線，兩者的交點即為工況點[2]。此時，對應的風量Q、風壓H、功率N、效率η為通風主要參數。

風機工況點由風機特性曲線與風阻特性曲線共同決定，因此，工況點的調節可以從風阻特性曲線、風機特性曲線的調節著手。

(1)改變風阻特性曲線。根據風壓與風量的二次方關系式H=RQ2，可以知道改變礦井總風阻可以改變風量及風壓。如新掘進、回風井通道，與原有進回風通道構成并聯結構減少了礦井總風阻，或擴刷巷道斷面(摩擦風阻與巷道斷面的立方成反比關系)減少總風阻、或者減小局部阻力等措施均可以減少礦井總風阻。

通過改變風阻特性曲線是改變風機工況點的方法之一，見圖1。在一定風阻條件下，風阻特性曲線為R＇0，與風機特性曲線交于M0，當增加總風阻時，風阻曲線變陡峭，風阻曲線變為R＇1,與風機特性曲線交于M＇1，風量Q＇1Q0。

圖1　改變風阻特性曲線時工況點變化

(2)改變風機特性曲線。改變風機特性曲線可以根據風機的不同形式采用不同的方法，對于非煤礦山大多數選用礦用軸流式風機，對于軸流式風機可以進行葉片安裝角度以及風機變頻調速的方式改變風機特性曲線。風機經設計選型后，廠家按照設計要求的葉片安裝角度加工出廠，礦山企業在施工安裝時一般不再進行葉片安裝角度的改變，受井下粉塵、潮濕等作業環境影響，后期需要改變風量時，很難進行葉片角度的調節。因此，對于軸流式風機采用改變風機變頻轉速方式是改變風機特性曲線，成為調節工況的主要方法。風機在不同轉速時的特性曲線見圖2。

圖2　風機在不同轉速時的特性曲線

礦井某個生產期間風阻特性是基本穩定不變的，額定轉速時風機的特性曲線Ⅰ與風阻曲線的交點M0即為風機的運行工況點。根據風機功率N=HQ/η，H與Q所圍成的面積相當于風機功率大小(圖2中虛線所圍的面積)。

假設工頻運行時風機特性曲線與管網曲線交于M0，風量為Q0，風機特性曲線為序號0曲線，風壓為H0。通過降低頻率至f1，此時，風量為Q1，風壓為H1，風機的特性曲線形狀幾乎沒有改變，風機特性曲線為序號1曲線，與風阻特性曲線交于M1，此時工況點從M0移動至M1，繼續降低頻率至f2，此時，風量為Q2，風壓為H2，風機特性曲線為序號1曲線，與風阻特性曲線交于M2，此時工況點由M1移動至M2。

從圖2可明顯地看出，當降低頻率減少風量時，風壓隨之減少，且風壓改變速率大于風量減少，而風量與風壓所圍成的面積減少更快，風量減少時虛線所圍成的面積明顯逐漸減小，S0-Q0-M0-H0>S0-Q1-M1-H1>S0-Q2-M2-H2，所圍面積直觀地表明了風機所消耗的功率逐漸減小，達到了顯著的通風節能的效果。

綜上兩種改變風機工況的方法(實際調節時也可以同時改變風阻特性曲線和風機特性曲線)，一般要盡量利用現有通風工程，減小礦井總風阻，增大風量。當然，對于風量的增減，根據生產需要按需供風，同時提高有效風量。因此，改變風機轉速的工況點調節，是一種最為簡單且節能顯著的方式。

3.2風機并聯聯合運行工況

在礦井通風系統中，為了增加通風系統中的風量，采用風機并聯聯合運行。聯合運行的工況由風機的特性曲線與風阻特性曲線共同決定。一般說來，2臺同型號的風機并聯運行后總風量增加。

若在一條裝機巷道采用不同型號的風機并聯運行或者兩條并聯裝機巷道之間不同型號、不同數量風機并聯運行，將可能造成聯合運行工況的惡化，并聯后風機風量可能并不增加，甚至可能通過通風能力小的風機或者通風能力小的裝機巷道發生反向流動，如圖3所示1#裝機巷道為2臺同型號風機，2#裝機巷道為2臺同型號風機，但是通風能力大于1#裝機巷道通風能力。

圖3　并聯風機布置形式示意圖(不同型號、轉速風機)

如圖4所示，兩臺不同型號或轉速的1#風機(或者裝機巷道1)與2#(或者裝機巷道2)風機并聯后總性能曲線為1#+2#，當風阻曲線R較為平緩時，風阻曲線R與1#+2#性能曲線沒有交點，造成運行工況惡化，使得總流量可能通過2#風機(或裝機巷道2)反向流動。

圖4　并聯聯合運行工況(不同型號、轉速風機)

3.3風機變頻調速

根據交流異步電動機的轉速表達式：

(1)

式中，n為異步電動機的轉速；f為異步電動機的頻率；s為電動機轉差率；p為電動機極對數[3]。

改變f、s、p任何一項值都可以改變電動機的轉速，但由于在實際應用中改變s、p來實現調速的設備比較復雜，調速效率低、范圍小，而且電動機選定后一般s、p為定值。因此，改變電源頻率可以改變電動機的轉速，從而達到變頻調速，通過改變電動機電源頻率實現速度調節，是一種理想的高效率、高性能的調速手段。

根據流體力學的比例定律，從理論上分析可以得出風機風量、風壓、風機功率與頻率之間的特性關系。

風量Q等于流速V乘以斷面積S，而流速V正比于電機轉速n，電機轉速n正比于電源頻率f，得出：

Q1/Q2=V1/V2=n1/n2=f1/f2

風壓H等于風阻R與風量Q的平方之積即：H=RQ2，風阻R是空氣密度、巷道粗糙程度、斷面、周長、沿程長度參數的函數，也稱之為巷道管網系數，在礦井通風的一定時期認為不變即改變風機特性風阻R保持不變，得：

風機功率N等于風壓與流量之積，即：N=HQ/η=(RQ2)Q/η=RQ3，改變運行頻率時，效率基本保持不變，得出：

在通風網絡模擬解算中，通風網絡解算軟件自帶變頻調速下風機特性曲線計算分析過程，自動進行風機工況點的調節，并能計算出不同頻率下的通風能耗。

4結語

通過對風機變頻器運行的物理環境、電氣環境以及后期維護保養等問題的可行性分析，風機特性曲線與風阻特性曲線的交點與頻率的關系，以及計算出不同頻率下的通風能耗，可以得出風機采用變頻技術后，節能效果非?？捎^。后續在改造基礎上，可以考慮在通風巷道中安裝流量檢測裝置，將風量信號遠傳到DCS上，與變頻器構成PID調節，實現閉環控制，自動跟蹤風量，滿足生產需要，從而實現從閉環控制上達到節能的目的。

參考文獻

[1]徐海，施利春，孫佃升，等．變頻器原理及應用[M]．北京：清華大學出版社，2010．

[2]劉殿武，楊勝強．礦井通風技術[M]．北京：煤炭工業出版社，2009．

[3]戴文進，肖倩華．電機與電力拖動基礎[M]．北京：清華大學出版社，2012．

(收稿日期2015-11-27)

程君(1982—)，男，工程師，210041 江蘇省南京市雨花臺區西善橋。