局部通風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速裝置在大柳塔煤礦的應(yīng)用

侯建發(fā)

（國家能源集團(tuán)神東煤炭集團(tuán)公司， 陜西 神木 719315）

引言

大柳塔煤礦是國家能源集團(tuán)神東煤炭集團(tuán)公司的生產(chǎn)主力礦井，也是自動化、信息化水平最高的礦井。保證井下作業(yè)人員安全，杜絕安全生產(chǎn)事故也是大柳塔煤礦工作的重中之重。為了保障礦井安全生產(chǎn)，改善掘進(jìn)隊井下作業(yè)環(huán)境，保證通風(fēng)安全，大柳塔煤礦在大柳塔井52煤探水巷掘進(jìn)工作面首次采用了局部通風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速裝置，為煤礦安全生產(chǎn)提供安全、高效、節(jié)能的新舉措。

1 變頻調(diào)速裝置概述

局部通風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速裝置是一種用于控制井下連采工作面變頻局部通風(fēng)機(jī)的自動化設(shè)備。大柳塔煤礦選用遼寧榮信公司生產(chǎn)的雙變頻雙電源且能夠在兩臺通風(fēng)機(jī)之間自動切換的雙變頻調(diào)速裝置，它采用了先進(jìn)的控制理論、數(shù)控技術(shù)，用絕緣柵雙極性晶體管（IGBT）作為功率輸出器件，技術(shù)處于行業(yè)領(lǐng)先水平，自動化水平極高。當(dāng)連采工作面出現(xiàn)掌子頭瓦斯異常涌出，造成瓦斯積聚超限后，為確保工作面人員安全，及時調(diào)節(jié)通風(fēng)機(jī)風(fēng)量大小，以便迅速排出瓦斯，可提前對調(diào)速裝置設(shè)置混合風(fēng)流處瓦斯?jié)舛劝踩担龅教崆邦A(yù)防。此外，調(diào)速裝置通過調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)風(fēng)量大小還可以避免工作面因風(fēng)速過大導(dǎo)致煤塵飛揚(yáng)，對改善作業(yè)環(huán)境優(yōu)化通風(fēng)系統(tǒng)也有重要意義[1]。

同時，變頻調(diào)速裝置還實現(xiàn)了“雙機(jī)熱備”自動切換功能，即當(dāng)主風(fēng)機(jī)工作時，一旦發(fā)生主風(fēng)機(jī)電源斷電或開關(guān)控制回路發(fā)生故障等情況時，調(diào)速裝置可自動切換至備用風(fēng)機(jī)工作，確保掘進(jìn)工作面不間斷供風(fēng)[2]，此外也解決了以往工頻風(fēng)機(jī)全負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)造成的電能浪費(fèi)問題，實現(xiàn)了節(jié)能降耗。

2 工作原理

變頻調(diào)速裝置是由兩組變頻控制系統(tǒng)、雙機(jī)切換控制器、熱管自冷散熱器以及防爆殼體組成。兩組獨(dú)立的變頻控制系統(tǒng)分別安裝在防爆殼體中左、右兩個獨(dú)立的腔體內(nèi)，各自獨(dú)立的隔爆腔與輸入電源和輸出負(fù)載連接，兩組獨(dú)立的熱管自冷散熱器分別完成各自變頻控制系統(tǒng)的散熱。兩組變頻控制系統(tǒng)同步接收三只瓦斯傳感器，T1、T2、T3檢測到濃度信號，均可依據(jù)瓦斯?jié)舛茸兓詣诱{(diào)節(jié)通風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，依需供風(fēng)，保證安全的同時又可達(dá)到高效節(jié)能的目的[3]。如下頁圖1所示，雙機(jī)切換控制器用來實現(xiàn)兩組變頻控制系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)通訊，當(dāng)其中任意一組控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障不能運(yùn)行時，另一組可立即啟動，保證不間斷供風(fēng)，雙機(jī)切換控制器還帶有風(fēng)電、瓦斯電閉鎖控制接點，供工作人員選擇使用。兩組相對獨(dú)立的變頻控制系統(tǒng)通過各自的人機(jī)接口自行設(shè)定參數(shù)和數(shù)據(jù)顯示，調(diào)速裝置在井下安裝布置如下頁圖2所示。

3 變頻調(diào)速裝置智能控制及優(yōu)勢分析

3.1 自控排放

調(diào)速裝置在自控排放狀態(tài)下，根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定，瓦斯傳感器T3（以下簡稱T3，T1、T2與此相同）的設(shè)定值需小于1.5。在不同工況下，調(diào)速裝置自動控制如下：啟動時，當(dāng)T3濃度大于安全設(shè)定值時，對于工作面來說非常危險，為避免危險擴(kuò)大化，調(diào)速裝置禁止啟動運(yùn)行，只有當(dāng)T3濃度小于安全設(shè)定值時，調(diào)速裝置才允許啟動運(yùn)行。調(diào)速裝置運(yùn)行后，如果 T3 濃度（φ（CH4），以下相同）小于 0.5%CH4，混合風(fēng)流處的瓦斯?jié)舛冗h(yuǎn)小于T3安全設(shè)定值，此時可加快排瓦斯速度，調(diào)速裝置運(yùn)行在排瓦斯上限頻率。如果T3濃度介于0.5%和T3安全設(shè)定值之間，則根據(jù)混合風(fēng)流中的瓦斯?jié)舛龋谂磐咚瓜孪揞l率和排瓦斯上限頻率50 Hz之間自動調(diào)節(jié)運(yùn)行頻率，實現(xiàn)風(fēng)機(jī)調(diào)速。調(diào)速裝置運(yùn)行在自控排放狀態(tài)中，如果T1濃度和T3濃度都小于0.5%，調(diào)速裝置3 min后自動跳轉(zhuǎn)到自控通風(fēng)狀態(tài)。如果上述條件沒有滿足則調(diào)速裝置需要在排瓦斯?fàn)顟B(tài)運(yùn)行20 min后，才能跳轉(zhuǎn)到自控通風(fēng)狀態(tài)。

圖1 變頻調(diào)速裝置的工作原理圖

圖2 變頻調(diào)速裝置在井下安裝位置圖

3.2 自控通風(fēng)

調(diào)速裝置通常正常工作時運(yùn)行在自控通風(fēng)狀態(tài)。根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定，在不同工況下，調(diào)速裝置智能控制如下：調(diào)速裝置自動檢測T3濃度，當(dāng)T3濃度超過T3的安全設(shè)定值時，調(diào)速裝置將由自控通風(fēng)自動跳轉(zhuǎn)到自控排放運(yùn)行狀態(tài)。如果瓦斯傳感器T1、T2、T3任何一個斷線或出現(xiàn)故障，由于檢測不到瓦斯?jié)舛龋罁?jù)安全運(yùn)行和混合風(fēng)流處的瓦斯?jié)舛炔怀薜脑瓌t，調(diào)速裝置自動運(yùn)行在通風(fēng)下限頻率。在瓦斯傳感器T1、T2濃度都小于各自的安全設(shè)定值時，為保證工作面有充足的新鮮風(fēng)流，且實現(xiàn)節(jié)能，調(diào)速裝置可自動降低運(yùn)行頻率直至通風(fēng)下限頻率。如果T1、T2濃度有任一個超過各自的安全設(shè)定值，調(diào)速裝置自動將運(yùn)行頻率升高，直至通風(fēng)上限頻率（上限頻率可設(shè)定）。

3.3 雙電源自動切換

主通風(fēng)系統(tǒng)故障時，調(diào)速裝置通過輸出接點自動控制備用通風(fēng)機(jī)前級開關(guān)投入使用，并控制備用通風(fēng)機(jī)啟動供風(fēng)。當(dāng)主風(fēng)機(jī)系統(tǒng)正常后，自動切斷備用通風(fēng)機(jī)前級開關(guān)并控制專線通風(fēng)。將調(diào)速裝置設(shè)定為“主從切換”模式，兩組變頻控制系統(tǒng)可分別設(shè)置為主機(jī)、從機(jī)。在自動切換狀態(tài)下，主機(jī)、從機(jī)上電后均不啟動，需由作業(yè)人員操作按下啟動鍵，主機(jī)才能啟動。調(diào)速裝置正常運(yùn)行時，都是主機(jī)在運(yùn)行，從機(jī)備用。調(diào)速裝置在“對等切換”模式下工作時，兩組變頻控制系統(tǒng)不區(qū)分主機(jī)和從機(jī)，互為備用。可通過鍵盤按鍵靈活控制主備通風(fēng)機(jī)之間的切換，是真正意義上的“雙機(jī)熱備”。

3.4 變頻調(diào)速裝置的優(yōu)勢

現(xiàn)場實際應(yīng)用表明，對比一般工頻風(fēng)機(jī)，變頻風(fēng)機(jī)可以在啟動時減少沖擊電流，啟動平穩(wěn)，能降低對電網(wǎng)的沖擊和波動影響，增加電氣設(shè)備的電器元件使用壽命。同時，調(diào)速以后可大大減少軸功率的消耗，節(jié)能降耗效果明顯，而且可以根據(jù)礦井實際需求及采高的不同調(diào)節(jié)適合的頻率，給工作面供給適宜的風(fēng)量，改善作業(yè)環(huán)境。

4 變頻調(diào)速裝置的數(shù)據(jù)上傳

伴隨區(qū)域煤礦集中控制系統(tǒng)在大柳塔煤礦的成功應(yīng)用，連采局部通風(fēng)機(jī)也實現(xiàn)了自動化數(shù)據(jù)上傳。如下頁圖3所示為該變頻調(diào)速裝置的上位機(jī)監(jiān)控組態(tài)畫面，可以實現(xiàn)遠(yuǎn)程實時監(jiān)測風(fēng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)、參數(shù)等，還可以實現(xiàn)風(fēng)機(jī)遠(yuǎn)程啟動與切換測試，避免了因故障停風(fēng)迫使送電人員長途跋涉到配電硐室送電的問題，大大縮短了停風(fēng)時間，為礦井安全生產(chǎn)提供了保障。

變頻調(diào)速裝置具備RS485通訊功能，如下頁圖4所示，通過專用屏蔽電纜將RS485信號接入串口服務(wù)器，串口服務(wù)器將RS485信號轉(zhuǎn)換成TCP/IP網(wǎng)絡(luò)接口的數(shù)據(jù)，再接入光電轉(zhuǎn)換模塊（網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)），匯入井下萬兆環(huán)網(wǎng)，上傳至調(diào)度指揮中心，通過上位機(jī)組態(tài)可以實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制及數(shù)據(jù)監(jiān)測。

5 結(jié)語

目前，各類機(jī)電設(shè)備的變頻技術(shù)已廣泛應(yīng)用到煤礦井下，但局部通風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速裝置在大柳塔煤礦的應(yīng)用還尚屬首次。應(yīng)用以來，不僅提升了礦井安全管理水平，為企業(yè)帶來了良好的經(jīng)濟(jì)效益，也改善了井下作業(yè)環(huán)境，為員工創(chuàng)造了適宜的風(fēng)量，對行業(yè)推廣具有重要意義。

圖3 變頻調(diào)速裝置上位機(jī)監(jiān)控畫面

圖4 變頻調(diào)速裝置數(shù)據(jù)上傳概覽圖