主通風(fēng)機(jī)變頻器在新義煤礦的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

摘 要：利用高壓變頻調(diào)速技術(shù)改變設(shè)備的運(yùn)行工況，實(shí)現(xiàn)不停機(jī)調(diào)節(jié)礦井所需風(fēng)壓、風(fēng)量，提高了系統(tǒng)的自動(dòng)化程度。

關(guān)鍵詞：風(fēng)機(jī)；變頻；礦井

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.24.054

1 應(yīng)用高壓變頻器的必要性

在煤炭企業(yè)的主通風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)選型時(shí)有一定富裕度，電動(dòng)機(jī)的選型一直存在“大馬拉小車”的現(xiàn)象，而電動(dòng)機(jī)自身只能工頻運(yùn)行，不能跟隨負(fù)荷波動(dòng)進(jìn)行自我調(diào)節(jié)，風(fēng)機(jī)只有通過改變?nèi)~片的角度來調(diào)整，這導(dǎo)致了設(shè)備的運(yùn)行效率較低，并且有浪費(fèi)大量電能。

礦井風(fēng)機(jī)的選型一般是按煤礦開采過程中通風(fēng)阻力最大階段來選擇風(fēng)機(jī)型號(hào)的。按實(shí)際通風(fēng)參數(shù)配備主扇風(fēng)機(jī)電機(jī)功率，其計(jì)算方法為：

N-所需功率，指1、2級(jí)電機(jī)的總功率（kW）

Pst-煤礦通風(fēng)阻力最大階段總阻力（Pa）

Q-煤礦通風(fēng)阻力最大階段總風(fēng)量（m3/s）

ηst-按Pst、Q參數(shù)查本樣本的實(shí)際運(yùn)行工況效率

K-功率富裕系數(shù)，一般取K=1.1～1.15

按上述求出總功率N，根據(jù)N/2的值，并參考電機(jī)功率等級(jí)系列，選配兩臺(tái)同功率電機(jī)，必須使N1+N2≥N，作為對旋風(fēng)機(jī)額定功率的選型依據(jù)。

傳統(tǒng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)是根據(jù)所需風(fēng)量，靠調(diào)節(jié)葉片角度和風(fēng)門開度來實(shí)現(xiàn)。從主扇風(fēng)機(jī)選型的過程和煤炭生產(chǎn)的實(shí)際情況中可以看出，主扇風(fēng)機(jī)工頻運(yùn)行存在以下幾個(gè)問題： （1）電能浪費(fèi)嚴(yán)重，大型煤礦的服務(wù)年限大多在幾十年以上，從初建到井田穩(wěn)定開采一般在十年以上，一般主扇風(fēng)機(jī)余量特別大，因此它相當(dāng)長的時(shí)間處在較輕負(fù)載下運(yùn)行。通過風(fēng)葉和調(diào)節(jié)板調(diào)節(jié)只能大致調(diào)整負(fù)載，不能微調(diào)，從而造成能源浪費(fèi)，增加了生產(chǎn)成本。（2）啟動(dòng)困難，易造成機(jī)械損壞，主風(fēng)機(jī)由直接起動(dòng)或降壓起動(dòng)，起動(dòng)時(shí)間長，啟動(dòng)電流大，容易導(dǎo)致電機(jī)絕緣降低，甚至燒壞電機(jī)。在啟動(dòng)過程中，電機(jī)產(chǎn)生的單軸扭矩使風(fēng)機(jī)產(chǎn)生更大的機(jī)械振動(dòng)應(yīng)力，嚴(yán)重影響電機(jī)、風(fēng)機(jī)等的使用壽命。 （3）自動(dòng)化程度低，沒有實(shí)時(shí)自動(dòng)調(diào)節(jié)功能。

2 新義煤礦主通風(fēng)機(jī)概況

（1）主通風(fēng)機(jī)參數(shù)（共2臺(tái)，一用一備），設(shè)備型號(hào)：FBCDZ№34/2×630；

電機(jī)型號(hào)：YBF450M1-8；額定功率（kW）：2*630kW；額定流量 （m3/h）：468000-1116000m3/h；

額定電壓（kV）：6 kV；額定電流（A）：82.7A；轉(zhuǎn)速（ r/min）：590；壓力 （kPa）：250-4500kPa；功率因數(shù)：0.87；效率：0.89。

3 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)說明

（1）系統(tǒng)一次回路原理。該項(xiàng)目電氣系統(tǒng)基本不改變原配電系統(tǒng)，只在原來的基礎(chǔ)上增加2臺(tái)變頻器，2套變頻器旁路柜，1套PLC控制柜，作為一個(gè)變頻運(yùn)行的子系統(tǒng)。1#變頻器采用一拖二的方式，驅(qū)動(dòng)1#風(fēng)機(jī)的1#電機(jī)和2#電機(jī)；2#變頻器以一拖二方式驅(qū)動(dòng)2#風(fēng)機(jī)的1#電機(jī)和2#電機(jī)。

工頻旁路運(yùn)行時(shí)，保持原系統(tǒng)的操作不變，系統(tǒng)原微機(jī)綜保設(shè)備和在線監(jiān)控系統(tǒng)正常使用。在變頻運(yùn)行時(shí)，屏蔽原2、4、15、17號(hào)柜微機(jī)綜保的保護(hù)功能，通過新增的霍爾傳感器采集每臺(tái)電機(jī)的運(yùn)行電流，由變頻器實(shí)現(xiàn)對兩臺(tái)電機(jī)的單獨(dú)保護(hù)；并提供可將電流信號(hào)引至原DCS的標(biāo)準(zhǔn)RS458接口。該子系統(tǒng)的高壓電源：1#變頻器和1#旁路柜的進(jìn)線引自（5）1#風(fēng)機(jī)反向柜；2#變頻器和2#旁路柜的進(jìn)線引自（14）2#風(fēng)機(jī)反向柜。

變頻器出線連接：1#變頻器出線接入原（2）1#風(fēng)機(jī)1#電機(jī)電源柜和（4）1#風(fēng)機(jī)2#電機(jī)電源柜。工頻旁路運(yùn)行時(shí)，原系統(tǒng)啟動(dòng)方式不變，原（1）1#風(fēng)機(jī)1#電機(jī)電抗器啟動(dòng)柜和（3）1#風(fēng)機(jī)2#電機(jī)電抗器啟動(dòng)柜正常使用；變頻運(yùn)行時(shí)，直接將1、3號(hào)柜的電抗器旁路即可。2#變頻器出線接入原（15）2#風(fēng)機(jī)1#電機(jī)電源柜和（17）2#風(fēng)機(jī)2#電機(jī)電源柜。工頻旁路運(yùn)行時(shí)，原系統(tǒng)啟動(dòng)方式不變，原（16）2#風(fēng)機(jī)1#電機(jī)電抗器啟動(dòng)柜和（18）2#風(fēng)機(jī)2#電機(jī)電抗器啟動(dòng)柜正常使用，變頻運(yùn)行時(shí)，直接將16、18號(hào)柜的電抗器旁路即可。一次系統(tǒng)原理圖如下所示：

（2）系統(tǒng)控制方案。I、通過對現(xiàn)有設(shè)備6kV高壓動(dòng)力系統(tǒng)和煤礦實(shí)際生產(chǎn)工藝、自動(dòng)化控制水平、DCS控制現(xiàn)狀等情況具體的分析、研究，綜合其中存在的問題，以“優(yōu)先保證系統(tǒng)安全可靠，結(jié)構(gòu)合理，提供最佳的方案”的原則，按照一拖一自動(dòng)旁路方案，結(jié)構(gòu)圖如圖3：

II、方案說明： 本方案原理是由3個(gè)真空接觸器和2個(gè)高壓隔離開關(guān)組成旁路柜。高壓開關(guān)用原有高壓開關(guān)，電動(dòng)機(jī)M（見上圖3）。要求KM4和KM3、KM1之間不能同時(shí)閉合，具有互鎖工程。工頻運(yùn)行時(shí)，QS1和QS2斷開， KM4閉合；變頻運(yùn)行時(shí)，KM4斷開，QS1和QS2閉合，KM1和KM3閉合。

III、功能： 將高壓變頻器串聯(lián)進(jìn)原有的正反轉(zhuǎn)柜和電動(dòng)機(jī)之間，正常工作采用變頻回路，KM4斷開，QS1和QS2閉合，KM1和KM3閉合；工頻運(yùn)行時(shí)，采用原有的啟動(dòng)方式。在變頻器檢修時(shí)，OF斷開，確保變頻器和原有開關(guān)柜有明顯斷開點(diǎn)，能夠提高安全系數(shù)。

IV、控制方式：本地、遠(yuǎn)程兩種控制方式。

V、通訊聯(lián)系：RHVC高壓變頻器預(yù)留標(biāo)準(zhǔn)的RS485通訊接口，支持Profibus通訊協(xié)議，并支持以太網(wǎng)組網(wǎng)；預(yù)留模擬量AI/AO接口，可實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。

4 預(yù)期效果

（1）節(jié)能。根據(jù)采掘進(jìn)度及需求風(fēng)量，通過變頻調(diào)速，改變電機(jī)轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)高效率的供風(fēng)需求，具體節(jié)能計(jì)算如下。

風(fēng)機(jī)型號(hào)：FBCDZNo36/2×630； 風(fēng)量：Q = 223.3m3/s ；

負(fù)壓：P = 3250Pa； 安裝角0°

電機(jī)運(yùn)行參數(shù)：

Ⅰ級(jí)電機(jī)電壓：6.267kV Ⅰ級(jí)電機(jī)電流：68A

Ⅱ級(jí)電機(jī)電壓：6.255kV Ⅱ級(jí)電機(jī)電流：74A

平均電機(jī)功率因數(shù)：0.65

節(jié)能計(jì)算（電機(jī)效率按0.93計(jì)算）：

電機(jī)軸功率計(jì)算： + = 930.8321kW

風(fēng)機(jī)功率計(jì)算： = 725.725kW

風(fēng)機(jī)效率計(jì)算： = 77.96%

風(fēng)阻曲線H=R×Q2得出R=0.0652

改造后風(fēng)機(jī)效率η按80%計(jì)算，變頻器效率為96%，年運(yùn)行時(shí)間為8760h，按照風(fēng)量降低比例，節(jié)能量如下：

（2） 減少了對電網(wǎng)的沖擊，延長設(shè)備使用壽命。采用變頻調(diào)節(jié)后，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)低頻啟動(dòng)，電機(jī)啟動(dòng)電流小，啟動(dòng)時(shí)間相應(yīng)延長，降低了對電網(wǎng)的沖擊，減少了了機(jī)械振動(dòng)應(yīng)力，減輕了電機(jī)機(jī)械損傷，有效的延長了電機(jī)的使用壽命。

（3）減少維護(hù)量和降低維護(hù)成本。電機(jī)啟動(dòng)電流小，穩(wěn)定了電網(wǎng)，供電電源經(jīng)過變頻器后，減少了諧波，降低了因供電電源波動(dòng)產(chǎn)生的機(jī)械振動(dòng)對電機(jī)和風(fēng)機(jī)的損害，延長易損部件的保養(yǎng)和更換時(shí)間，減少維護(hù)量，降低維護(hù)成本，同時(shí)提高了功率因數(shù)。

（4）人性化設(shè)計(jì)，操作簡單。操作界面設(shè)計(jì)人性化，通俗易懂，調(diào)速系統(tǒng)在運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備與備用設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖控制，機(jī)組實(shí)現(xiàn)自動(dòng)運(yùn)行和相應(yīng)的保護(hù)及故障報(bào)警，操作工作由手動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)楸O(jiān)控，完全實(shí)現(xiàn)無人操作，大大降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了生產(chǎn)效率，為優(yōu)化運(yùn)營提供了可靠保證。

5 結(jié)束語

利用高壓變頻調(diào)速技術(shù)改變設(shè)備的運(yùn)行工況，實(shí)現(xiàn)不停機(jī)調(diào)節(jié)礦井所需風(fēng)壓、風(fēng)量，提高了系統(tǒng)的自動(dòng)化程度，在滿足安全生產(chǎn)的前提下，節(jié)約電能，并且減少了因調(diào)節(jié)風(fēng)葉角度導(dǎo)致風(fēng)葉連接部位松動(dòng)的概率和因調(diào)節(jié)風(fēng)葉角度導(dǎo)致啟停風(fēng)機(jī)所造成的經(jīng)濟(jì)損失，提高了設(shè)備運(yùn)行壽命，達(dá)到了節(jié)能降耗的目的。

作者簡介：高濤（1983-），男，本科，工程師，機(jī)電科副科長，研究方向：礦山機(jī)電。