礦井主通風機上變頻調速節能技術的應用

宋瑞軍

（山煤集團霍爾辛赫煤業有限公司， 山西 長治 046600）

引言

主通風機是煤礦采礦業中不可或缺的部分，同時也是煤礦采礦作業中的耗電大戶。我國的煤礦采礦作業中，主通風機占據了整個采礦作業中將近1/3的耗電量，而由此帶來的經濟成本則占據了采礦總成本的1/4。但主通風機大多數情況下其工作功率與實際負載并不相符，存在嚴重的功率浪費現象，而研究變頻節能技術在主通風機上的應用，可以提升主通風機的工作效率，降低其耗電量與經濟成本[1]。

1 變頻節能技術的原理

1.1 變頻調速技術

為確保礦井下空氣質量，一般的煤礦礦井中會配備兩臺主通風機，其中一臺用于日常工作，另一臺則在第一臺無法工作時臨時發揮作用。為確保礦井下空氣得到有效流通，主通風機的工作功率一般為最大功率，但礦井實際的空氣質量往往會隨時間發生變化，當礦井下空氣質量較好時，主通風機仍然滿功率工作會導致功率的浪費。而主通風機的特殊結構使得其難以通過常規的調速裝置實時調整風機轉速，調整所需的成本與技術要求都很高。而變頻節能技術可以使主通風機在無需停機的前提下實時調整風機工作功率，根據礦井下方空氣質量對風機功率進行動態調整，這種調整方式精確度更高，可在保證礦井下方空氣質量的前提下節省風機用電量。

1.2 主通風機的能耗

主通風機中，對電能的消耗主要來自電動機，電動機將電能轉化為機械能，而機械能中的大部分轉化為風扇旋轉的風壓能，一部分轉化為摩擦熱能，少部分在電動機工作中耗散掉。其中：ηd代表電動機轉換熱能的效果，即電動機的工作效率；ηt代表電動機耗散熱能的效果，即傳動效率；ηm代表電動機轉換風壓能的效果，即全壓效率。由于風機的出風量Q與出口風壓H也會對主通風機的耗電量產生影響，因此降低主通風機耗電量的思路為降低Q與H，提升ηd、ηt與ηm[2]。

1.3 變頻調速原理

主通風機的電動機轉速是影響其耗電量的關鍵，在不更換主通風機電動機的前提下，即ηd、ηt與ηm無法改變的前提下，可以通過改變Q與H實現對風機耗電量的調整。而這需要通過調整電動機轉速實現，電動機轉速越低，Q與H的值就越低，風機工作時耗電量就越小。而變頻節能技術的關鍵就在于在風機工作中實時調整電動機的轉速，在確保礦井通風質量的前提下減小電動機的轉速，從而節省風機用電。

相較于傳統的調整電動機轉速的方式，變頻節能技術可以實現對多臺風機的調整，操作簡單便捷，調節精度較高，可以最大限度地提升主通風機的工作效率。在下文中，我們將以某煤礦礦井為例，對其主通風機應用變頻節能技術，并對應用前后的耗電效果進行測評[3]。

2 主通風機變頻節能技術應用工況及效果

2.1 工程概況

該煤礦礦井屬于雙突礦井，礦井中瓦斯含量較高，建設規模為650 萬t/年。該礦井中的通風方式為對角式通風，對角中的兩臺風機送風，中央處的風機抽風。根據計算，該礦井主通風機所產生的風量為95 m3/s，礦井空氣質量較好時，風機所產生的平均負壓為830 Pa，空氣質量較差時的風壓為2 100 Pa。為滿足該礦井的通風以及應用變頻節能技術的需求，為該礦井選擇了型號為FBCDZ-8-24B 型風機共兩臺，其中一臺為備用風機，該型號風機的工作電壓為10 kV，額定功率為240 kW，最大轉速為760 r/min。

一般來說，按照煤礦礦井中風機的設置條件，在礦井下空氣質量較差時，風機的工作效果較好，此時成為風機工作的高效區；而礦井下空氣質量較好時，風機的工作效果較差，此時成為風機工作的低效區。根據統計，大部分風機在低效區時的資源利用效率只有高效區時的50%左右，而井下處于低效區的時間明顯比高效區更長，因此造成了嚴重的電量浪費。而通過變頻節能技術實時改變風機轉速，可以確保其始終在高效區工作，降低因低效區導致的電量損耗。

2.2 變頻調速方案

主通風機中的變頻器除了需要帶動風機工作以及調整其轉速外，還需要在風機工作時抵消其所產生的諧波，諧波會對風機的轉速調整造成影響，進而影響變頻器的工作。因此選擇了型號為RHVC-A10的變頻器，此變頻器對電動機轉動時的諧波有較好的防護能力，可以在電動機高速轉動時起到實時調整其轉速的作用。

為確保主要風機以及備用風機都能正常工作，在變頻器線路上安裝有調控線路，當主要風機因故障無法正常工作時，通過調控線路可立即切換到備用風機的變頻器上使之工作，這一操控流程完全自動進行，可避免因主要風機故障導致備用風機無法工作。變頻器與礦井下方的氣體濃度檢測裝置連接，通過氣體濃度檢測裝置反饋的結果，將變頻器按照預定的程序實時調整風機的轉速，在保證礦井下方空氣質量達標的前提下使風機始終工作在高效區內，從而提升其工作效率。

在安裝好變頻調速系統后，對風機的工作效率以及礦井下方的空氣質量的關系進行了研究。當礦井內空氣質量最好時，變頻器會將風機的轉速調整為550 r/min，根據測算，在此速度下風機的工作效率為80%，相比之前為安裝變頻器時提升了24%。

3 主通風機變頻技術節能效果

3.1 節電量

在未安裝變頻器之前，風機的電源頻率為50 Hz，最大轉速為740 r/min，供風量96 m3/s，按照工作低效區工作效率0.56 計算，風機每年將消耗3.24×106kWh。而安裝變頻器后，風機在礦井通風良好時的轉速為550 r/min，按照效率0.80 計算，年耗電量為2.25×106kWh，可得出安裝變頻技術后風機省電效率為25.02%，省電效果較為顯著。

3.2 經濟效益

以電費計算，電費為每0.5 元/kWh，按照改造后的年均省電量來看，每年可節省電費約39 萬元，而為風機所安裝的變頻器價格為50 萬元，合計安裝費用共計105 萬元，在第三年時便可通過節省的電費收回安裝成本，而變頻器的實際工作壽命遠超過此時間，因此安裝變頻器是非常劃算的。以其他經濟效益來看，安裝變頻器后，可以通過實時調整技術實現風機的功率調整，避免風機因始終工作在最大功率導致壽命快速降低，預計可延長工作壽命約30%，同時，風機的穩定運行使得維修與養護的成本大幅降低，同時還降低了因風機宕機期間對采礦工作的影響所帶來的成本，這些成本雖無法測算，但也是相當可觀的一部分。

4 結論

通過實時調整風機電動機轉速實現對風機工作效率的提升和耗電量的下降，以對某煤礦礦井的實驗來看，使用變頻器后可節省電量25%，而煤礦企業收回成本的速度也很快，可以認為變頻節能技術對于降低主通風機耗電量和為煤礦生產帶來較為顯著的經濟效益。