煤礦主通風機變頻節能技術的應用

牛志寶

（同煤集團四老溝礦綜合管理區， 山西 大同 037000）

1 案例概述

本次研究以同煤集團四老溝礦作為案例。2009年8月期間，集團為了優化自身資源，設計在下屬煤礦開鑿中型煤炭生產礦井，礦井結構由主斜井、副斜井以及一個回風立井組成。為了確保煤礦生產的安全性，企業為礦井安裝了2臺通風機，其在正常運作期間，最大風量達到11 200 m3/min，而該機械設備的額定轉速則為580 r/min。兩臺通風設備中的一臺用于日常煤礦生產工作，另一臺則作為備用通風設備，避免由于通風設備故障而影響煤礦生產的正常進度。煤炭企業為每臺通風機都配備了電壓為10 kV的供電設備，并且安裝了防爆電機。

2 變頻調速節能構想

煤炭生產期間，礦井處于初期開采階段，井下需要不斷通風才能夠獲取新鮮空氣。根據礦井對于風量的需求來看，其所需要的額定風量小于現在通風機所供給的額定風量[1]。因此，技術人員需要改變通風機的扇葉來調整通風角度，并且安排通風障礙來調節井下接受通風的狀態，從而達到需求平衡。但盡管技術人員按照傳統的調解方式對通風系統做出調整，卻沒有從根本上轉變通風機設備的運作狀態，其依然保持超出井下工作需求風量的運作狀態，消耗著額外的電能資源。原本礦井處于生產初期，其能夠為煤炭企業帶來的經濟收益就相對較少，而耗費多余的電能則在無形中增加了礦井的開采成本。而在高速運作狀態下的通風機設備由于長期連續工作，其對設備的內部機械零件損傷嚴重。如果在開工之前以直接啟動的形式進行運作，不僅需要花費大量的時間，需要的起動電流也相對較大，可能會影響到電動機的絕緣性能，甚至對電動機造成損傷。從目前通風機的運作情況不難看出，該種電動機設備幾乎不具備自動化功能，無論是調節空氣狀態還是調節運行狀態都需要人工操作完成，該種情況會加大工人的工作負擔，影響煤礦生產效率[2]。

為了改善通風機設備的運行調節方式，需要應用先進的變頻調速技術，以自動化技術來代替通風機設備的人工設置，從而降低設備對資源的消耗。

3 變頻調速節能技術原理

3.1 基本原理

變頻調速節能技術的基本原理其實就是調節通風機設備的轉速。而通風機的轉速可以用公式：n=來表示。其中公式中的f代表的是通風機的電源頻率，而s則代表通風機的轉差率，p則代表通風機的電機極對數。以變頻調速節能技術來轉變通風機設備的轉速，也就是說要轉變n，需要先轉變s、p或者是f。通常最有效的方式就是轉變f來實現對整個通風機設備的運行狀態調節。

3.2 節能原理

變頻調速主要節能原理是根據流體力學的定律公式來完成對機械設備運行頻率的調解。該公式表示為

由上式可知，當風機轉速由額定轉速調節時，其風量Q、風壓H以及功率P與轉速n之間的關系：風量正比于轉速的一次方，風壓正比于轉速的二次方，軸功率正比于轉速的三次方。由此可知，在較小風量需求下，降低風機轉速，其功率將按轉速的三次方顯著下降。因此變頻調速技術應用于主通風機具有顯著節能效果。

3.3 系統結構

同寶煤礦中的通風機設備所采用的變頻調解器內含的控制系統主要為高壓變頻設備，該設備由三個部分組成，分別為功率單元、移相變壓器以及控制器。在該種結構下的變頻器調解中，系統對通風機設備進行功率控制，形成完善的變頻調速節能系統[3]，如圖1所示。

4 變頻調速節能技術在煤礦主通風機設備中的應用效果

圖1 變頻器系統結構

煤礦在對通風機設備提出運行系統改造之前每臺通風機設備的額定功率為P0=2×250 kW，而其原本的額定轉速為580 r/min。為了符合礦井內部的施工要求，工作人員將設備的葉片角度調整到-9°的位置。兩臺設備的最大風量都在11 200 m3/min左右。在改造之前，機械設備的工作頻率是50 Hz，在額定的功率下運行，將會產生最大的風量。但經過安裝變頻器設備以后，其頻率已經受到控制和調整。當礦井的工作環境處于容易通風的狀態下，工作中所需求的風量如果為7 284 m3/min，在保持風門全開的情況下，那么按照比例定律得出，當變頻器對通風設備進行調整，變動其實際功率，將其調整為2×P1=2×68.8 kW，那么在設備的轉速達到377 m3/min的時候，其就已經能夠滿足礦井工作的需求。

在上述調節狀態下，可以得出，通風設備如果在全年運行的狀態下，按照每年365天進行計算，其可以節省用電量為：ΔA=2×（250-68.8）×24×365≈3.17×106kWh。如果每年的電費價格為0.7元/kWh，那么煤炭企業將會在該處煤礦中每年節省222.2萬元的電費。可見，將變頻調速節能技術引入到煤礦的通風機設備中具有很明顯的經濟效益。除此之外，在該變頻調節器的控制下，通風機設備的運行根據礦井工作環境而發生變化，減少了超負荷現象出現，在設備起動機運行階段使設備機械性能的消耗相對減少，延長了機械設備的使用壽命，也降低了設備維修的頻率。可見，該種變頻調速節能技術在煤礦通風設備中的應用符合可持續原則，能夠為煤炭企業獲取長遠經濟利益。

5 結論

1）將變頻調速節能技術應用到通風系統當中，不僅提升了煤礦企業的經濟效益，也提升了對通風系統設備的維護效果。

2）將變頻調速節能技術應用到通風系統當中，不再以人工形式直接啟動設備，而是以軟啟動的方式啟動設備，避免了過大電流對機械設備所造成的損害，減少了啟動的時間，提升工作效率。

3）運用變頻調解器，能夠計算出通風設備需要運行的功率，以避免消耗過多能源帶動輕負荷生產作業。

4）將變頻調速節能技術應用到通風系統當中，不僅提升了系統的功率因素，也使通風機系統實現自動化控制。