煤礦主通風機變頻節能技術的研究

任 慧

（山西霍爾辛赫煤業有限責任公司， 山西 長治 046600）

引言

通風機作為煤礦生產所需的主要機械設備之一，對礦井的安全生產起著決定性的作用。因此，煤礦在考慮生產成本的基礎上，會選用風量較大而且節能的通風機作為主要通風設備。但由于以前的通風機噪聲大、運行效率低，而且在連續工作的狀態下損耗嚴重，給礦井的安全生產和利益帶來不便。因此，本文以同煤集團四老溝礦所用通風機為研究對象，對通風機采用變頻器或調整電極來控制通風機，通過提高風機轉速的方式來增大風量，可以有效地降低企業的生產成本，為礦井的安全生產提供相關參考。

1 工程背景

同煤集團四老溝礦礦井結構由主斜井、副斜井和回風井組成，為使礦井安全生產，集團擬為礦井安裝2 臺通風機供風，以保證礦井的正常開采。兩套通風設備一套正常運行，但轉速為620 r/min，產生的風量僅為12 200 m3，運行效率低[1]，消耗能量較大。另一套通風設備作為備用，以防止風機發生故障而停止工作，影響煤礦的正常開采。同時煤礦為每臺風機配備9.8 kV 供電設備，并安裝防爆電機。

2 高能耗運行原因分析

為了更多的了解通風機能量損耗情況，列舉了部分煤礦的風機及運行參數如表1 所示。

由表1 可以看出，風機能量損耗大有以下幾點原因：第一，由于開采初期的礦井難以實現主通風機的高效運，而礦井選擇的電機額定功率大、電機負荷率普遍偏低，形成“大馬拉小車”現象；第二，煤礦企業的采掘設備實現了一井一面高產高效生產模式，造成風機與配套電機的性能超過系統實際需要，運行效率比風機樣本提供的偏低很多；第三，風機在運行時由于機械振動造成離心式通風機葉輪、外殼、引風道不在同一軸線，形成風機低效運轉，降低了通風性能。

針對以上問題，煤礦企業在進行合理選型的基礎上，對風機的不足之處進行了切合實際的改進，從而在降低企業生產成本的同時，保證礦井的安全生產。

表1 主要風機運行參數

3 變頻節能技術

在煤炭開采過程中，煤礦井下需要足夠多的新鮮空氣來供工作人員作業、排放有毒氣體并且調節礦井氣候，這就使得礦井對風量有一定的需求，當通風機所供應的風量不能滿足礦井安全生產，同時風機在高速運轉的情況下連續工作，不僅對電流造成損耗，還會對風機內部構件造成嚴重損壞，這就使得礦井的生產成本增加。因此，設計人員需要對通風設備進行一定的改造，比如增設變頻調節系統來控制風機的轉速，使得風機在不同的時間產生不同的風量，從而保證礦井生產的正常運行。

3.1 變頻器的特點

變頻調速技術主要是通過對變頻器對風機的控制系統增加一個反饋裝置。隨著風機的正常運行，主機在摩擦的情況下產生熱能，使得風機內的溫度升高，當溫度超過風機所能承載的最大溫度差時，變頻器會自動調整風機的轉速，使得主機穩定散熱，提高了工作效率的同時[2]，有效地降低l 主機的磨損程度，延長了風機的使用壽命，保證了礦井安全生產的進行。

3.2 變頻節能原理

1）變頻調速技術主要是通過變頻器調整通風機的轉速，使得通風機在不同的時間產生不同的風量，轉速可以用以下公式來表示：

式中：a為風機的頻率；b為風機的轉差率；c為電機極對數。由公式（1）可以看出，當改變風機的頻率a、風機的轉差率b或者電機的極對數c時，風機的轉速隨之改變，其中最容易實現的是改變電機的頻率，從而使得礦井風量達到平衡[3-4]。

2）變頻節能技術主要是電機轉速提高的情況下產生了更多的風量，減少了電能的損耗，從而達到增速節能的效果。節能可以用以下公式來表示：

式中：Q為風機產生的風量；H為風機的風壓；n為風機的轉速；P為風機的功率。由公式（2）可以看出，風機的風量、功率和風壓隨著風機的額定轉速的改變而改變。礦井在應用變頻裝置，風機可以根據需風量的不同而實現不同的轉速，節約了電能的損耗，減少了風機的磨損，從而降低了企業的生產成本，使煤炭企業的利益最大化。

3）由于風機參數規格的不同，在運行過程中需要消耗的電能也不同，能耗可用式（3）計算：

式中：W為風機消耗的電能，kWh；Q為風機風量，m3/s；H為風機風壓，Pa；η 為風機效率；T為風機工作時間，h。

由公式（3）可以看出，在風壓和進風量不變的情況下，降低風機的轉速，可以提高風機的運行效率，從而較少能量的損耗，為礦井的生產節約成本。

4 應用效果

為檢驗變頻節能技術的合理性，根據礦井目前的實際情況通風機安裝變頻器前后的能耗進行校核，計算結果如表2 所示。

表2 風機變頻前后參數表

由表2 可以看出，未安裝變頻裝置之前，通風機的轉速為728 r/min，額定功率為58 Hz，每秒可提供97.6 m3的風量，平均風壓為1 937.32 Pa，效率為η=0.66，根據年度365 d，風扇工作一整天24 h,計算出風機變頻調速前的能耗為2.51×106kWh；安裝變頻裝置后，通風機電機的轉速n降低為525 r/min，在所需風量及平均風壓不變的情況下，風機的工作效率n=0.84，計算出年耗電量為1.97×106kWh，得出礦井通風機的年節電率高達21.5%。

綜上所述，通對對通風機安裝變頻器可以調節電機的轉速，提高了風機的工作效率，降低了能量的損耗。說明此方案是合理的、科學的，為類似礦井的節能減耗提供有益參考和指導價值。

5 結論

1）根據同煤集團四老溝煤礦實際概況，通過分析通風機高能耗的原因，選用HTVC-A15/8200-F 型號的風機作為主要供風設備，有效地保障了煤礦所需的風量，為礦井的安全生產提供了保障。

2）通過調節風機的轉速可以提高風機的運行效率，有效的降低能量的損耗，年節電率可達21.5%。

3）通過本次對變頻器在主通風機中的應用研究，說明對通風機進行合理的改進后，可以有效地提高工作效率，降低企業的生產成本，并為類似礦井的風機改進提供技術支持。