變頻調速技術在對旋式軸流通風機節能中的應用

李逍遙

（華陽集團泊里公司安監通風部，山西 晉中 032700）

1 概 況

主扇風機是煤礦企業為井下送風的主要設備，設備性能的優劣與安全生產和經濟效益緊密相關。對旋式軸流通風機具有高效、高壓、低噪音、安裝簡單等優點，在煤礦井下開采中廣泛應用。受傳統研發局限性和設計、選型等因素影響，泊里煤礦對旋式軸流通風機設備效率不高、能耗較大，存在“大馬拉小車”的現象。為解決這一問題，擬該礦對旋式軸流通風機進行變頻改造，以降低能耗。

2 對旋式軸流通風機的結構

泊里煤礦對旋式軸流通風機結構如圖1 所示。可以看出，對旋式軸流通風機有2 個直徑、輪轂比、轉速形同，但旋向相反的葉輪，由2 個電機分別進行驅動，可根據需求的風壓、風量的不同，進行前置葉輪、后置葉輪同時運轉；前置葉輪運轉、后置葉輪停止；后置葉輪運轉、前置葉輪停止。通常后兩種運行方式效率低、噪音大，一般不選用。

圖1 礦用對旋式軸流局部通風機結構示意圖Fig.1 Structure diagram of mine counter-rotating axial flowlocal fan

傳統軸流風機的核心部件是葉輪，近些年對軸流風機的改造基本都在葉輪上，如增加葉輪、改變葉片形狀、增設導葉片等，均未能大幅度提高風機效率，其根本原因在于無法降低風流在風機中的流動阻力，而對旋式軸流風機可以解決這一問題。對旋式軸流風機結構中無導葉片，風流運動阻力大幅下降，風機效率提升，而且在相同的通風要求條件下，風機尺寸可以做的更小，同時，雙電機驅動可以降低電控系統的單機最大負荷，對電控系統的技術等級要求也隨之下降，減少風機供電和電控設備的成本投入。

3 變頻調速節能原理

隨著電子技術、信息技術、現代控制理論的發展，變頻調速系統得到越來越廣泛的應用，是節能降耗的重要舉措。對泊里煤礦對旋式軸流風機進行變頻改造，將電機調速、計算機控制等技術進行有機結合，當工作面用風需求變化時，可以自動調速，將電機轉速控制在合理范圍內，減少耗電量。變頻調速技術具有調速效率高、可調范圍廣、調節精度高、啟動電流小、易于進行閉環控制等特點。變頻改造過程中，不需要更換原有電機，既減少的改造費用投入，同時又減少了改造工作量，是一種理想的調速改造技術。

交流異步電機轉速公式：

式中：n 為電機轉速；s 為轉差率；p 為定子磁極對數；f 為電源頻率。

p、s 是電機的固有參數，由式（1）可知，n和f 呈正比例關系，電源頻率改變，則電機轉速隨之發生變化。

當工作面用風量減少時，降低電源頻率，可以將低耗電量。根據泊里煤礦對旋式軸流風機現場測試，風量和轉速均為90%時，實際功率為額定功率的73%；風量和轉速均為80%時，實際功率為額定功率的51%；風量和轉速均為70%時，實際功率為額定功率的34%；風量和轉速均為60%時，實際功率為額定功率的21%。由此可知，電機轉速降低，其耗電量明顯下降。對旋式軸流通風機節能調節原理，如圖2 所示。

圖2 對旋式軸流通風機節能調節原理Fig.2 Energy saving regulation principle of counter-rotating axial flowfan

風機處在管道阻力最小工作狀態A 點時，對應的流量、壓力、轉速分別為Q1、p1、n1。該狀態下風機功率與Q1×p1的乘積呈正比例關系。當生產所需風量減少，由Q1減小到Q2時，進行風門開度調整，提高管道風阻，降低通風量。此時風機工作狀態由A 點轉至B 點，對應的流量、壓力、轉速分別為Q2、p2、n1。此時風量減少（Q2＜Q1），風壓有所增加（p2＞p1）。該狀態下風機功率與Q2×p2的乘積呈正比例關系。此時風機消耗功率無明顯變化，調節風門控制通風量，顯然不利于節能。

采用變頻器進行電機調速，風機轉速由n1降低至n2，管道阻力未發生變化，此時風機工作狀態由A 點轉至C 點，對應的流量、壓力、轉速分別為Q2、p3、n2。風量未發生改變（Q2），風壓有所下降（p3＜p1）。該狀態下風機功率與Q2×p3的乘積呈正比例關系，風機所需功率明顯下降。

4 對旋式軸流通風機節能的計算

查閱GB12497-2006《三相異步電動機經濟運行》，對電機經濟運行管理的規定有如下的計算公式。

調節流量對應電動機輸入功率P1V與流量Q 的關系，見式（2）。

式中：P1e為額定流量時電機輸入功率，kW；QN為額定流量，m3/s。

節電率為：

泊里煤礦對旋式軸流通風機型號為FBDCZ(A)No18，風量為21.4～67.4 m3/s，配套電機Y315M2-6，功率185 kW×2。

取Q/QN=0.65，由式（3）計算可得：

由式（2）計算可得

采用風門進行風量調節時的消耗功率為126.24 kW，變頻器調節風量相對風門調節的節電率為0.6。

年節約用電量（以300 d 工作日計算）=年工作日×小時數×功率×節電率=300×24×126.24×0.6=545 356.8 kW·h；年節約電費（以0.5 元/度計算）=電費單價×電量=0.5×545 356.8=272 678.4 元。

改造設備資金投入。變頻調速柜1 臺、內置森蘭BT40S80kW 變頻器1 臺、電表、熔斷器、指示燈等，合計9.7 萬元。投資回報期=改造資金投入/年節約電費=97 000/194 558.76=0.36 a，即4個月。

上述計算可知，泊里煤礦對旋式軸流通風機經變頻改造后，每年可節約電費27.27 萬元，變頻改造投入資金9.7 萬元，投資回報周期為4 個月，經濟效益可觀。

5 實踐應用

該通風機變頻改造在泊里煤礦實際應用后，消耗功率明顯下降，具體數據見表1。

由表1 可知，前置、后置葉輪同時進行變頻調速耗電量得到大幅下降。頻率為50 Hz 時，功率為181.38 kW，頻率為40 Hz 時，功率為95.96 kW，年節約電量615 024 kW·h，節省電費約30.85 萬元，與理論計算27.26 萬元基本吻合，投資回報期為4 個月。

6 結 語

對旋式軸流通風機變頻調速，是通過改變電機頻率實現電機轉速的改變，從而控制通風機風量輸出，變頻調速效率高、無轉差損耗、調速范圍廣、精度高，能夠實現無極調速，易于進行閉環控制。實踐表明，泊里煤礦對旋式軸流通風機經過變頻改造后，節電效果顯著，能較好的適應生產需求，風機轉速下降，風阻降低，減少了設備的磨損，延長了設備使用壽命，減少了設備維護工作量，取得了良好的經濟效益。