華陽一礦主扇風機高效運行的應用研究

李鑫

（華陽一礦 機電工區，山西 陽泉 045000）

1 概況

煤礦井下開采作業中，礦井通風是保障安全生產的重要方面。巷道的風量和通風網絡阻力時常發生變化，須根據實際工況進行通風機轉速調整以滿足生產需要。因此為確保安全生產，大多礦井在實際選配風機時，會提高風機的富余量，然后再依靠不同的調節措施進行風量調節，例如軸流風機改變葉片安裝角度、離心式風機改變前導器葉片轉角、調節風門閘板等。但這一做法不僅風機成本較高，配套的調節措施也較為機械化，存在調節范圍窄、能耗高等問題，運行效率不高。

目前大部分煤礦采用的軸流式風機在啟動時，風門處于全開狀態，啟動負荷較大，啟動過程中飛輪慣性大、啟動轉矩大、啟動電流高、啟動困難，不利于通風機的安全運行。

對上述礦井風機普遍存在的運行效率不高和啟動不穩定的問題進行分析研究。依照風機特性，優化通風機的效率可采取2 種途徑實現：合理布局巷道通風網絡，最大限度降低風阻（此非本文研究內容，不做贅述）；選用適當的風量調節模式，讓通風機和通風網絡匹配合理，確保通風機在高效區間內運轉。諸多實踐表明，轉速調整是通風機高效運行的最佳模式，而變頻技術的快速發展，是電動機轉速調節的一大助力，其調速性能優越，兼具軟啟性能，在通風機應用具有較大前景。

2 風機調速節能原理及啟動特性分析

2.1 風機調速節能原理

風機運行工況點曲線如圖1所示。

圖1 風機運行工況點比較Fig.1 Comparison of fan operating point

由圖1可知，曲線1 為通風機在全速運行情況下的風壓—風量特性，曲線2 為風門全開情況下的管網特性。曲線1、2 的交點A 表示自然運行工況點，此時風壓為H1、風量為Q1。若井巷所需通風量為Q2，采用風門控制管道風阻達到所需風量，得到特性曲線3，曲線3 和曲線1 相交于B點，此時風量為Q2，該狀態下風壓增加到H2。通過對電動機轉速的控制進行風量調整，得出特性曲線4，曲線4、2 相交于C 點，也可獲得所需風量Q2，此時風壓下降至H3。假設通風機在A、B、C 各工況點工作時，機械和電氣方面的效率相等，3 個工況點消耗電量和對應工況點的風量及風壓的呈正比例關系，即和矩形AH10Q1、BH20Q2、CH30Q2的面積呈正比關系。由此可見，通過對電動機轉速調整的方式調節風量，其節能效果優于風門控制風量的方式。

2.2 風機啟動特性分析

太宰治：我的不幸，恰恰在于我缺乏拒絕的能力。我害怕一旦拒絕別人，便會在彼此心里留下永遠無法愈合的裂痕。

車間中3種待加工工件的加工批量、到達時間、交貨期、在搬運設備上的額定容量如表2所示，所有工序完工后需搬運至車間質檢中心進行人工質檢，質檢完成后搬運至下一工序所選機床處。車間機床的型號、功率以及與質檢中心的距離如表3所示，搬運設備額定功率及運輸速度如表4所示，輔助物料能耗相關系數如表5所示，工序加工所用刀具的質量信息如表6所示，工件所有工藝路線下每個工序的可選機床、刀具集、夾具集以及工序加工能耗、工序加工時間等信息如表7所示。

圖2 風機半S 形啟動速度Fig.2 Semi-S-shaped starting speed of fan

3 常用調速方式比較

雪落得最密的那年冬天，我生了一場大病。父親卻跟一幫人去了南方做生意。我躺在床上，人燒得迷糊，一個勁兒地叫：“爸爸，爸爸……”母親求人捎了口信去，說我病得很重，讓父親快回家，但父親沒有回。

通過對上述3 種調速方式進行比較，可以看出變頻調速技術綜合效果最佳，具有良好的調速性能、兼容性好，并且可以進行軟啟動，一套裝置可同時解決設備調速及設備軟啟，應用于主扇風機是一種可行性較好的調速方案。本文據此對華陽一礦MAF-3000/1700-1G 型風機進行變頻優化改進。

焦坤向記者解釋說，倍豐農資集團在當前階段進駐農業肥領域，就行業整體發展趨勢而言稍顯晚了一些，但又不太晚。首先，兩大集團公司強強聯手，雙品牌站臺撐腰，其信譽保證與綜合實力的優勢自不必多說。

（2） 串級調速。該調節方式的特點是調速平滑、調節效率高，并且資金投入較少。通常采取高壓調速、低壓控制的方式，一旦調速設備出現異常時，可及時調整為全速運行。不足之處在于可調節范圍區間小（70%～95%），諧波污染較為嚴重，功率因數不高，維護難度系數大，不能進行軟啟動。

軟啟動實質是啟動過程中讓電動機緩慢加速，直至達到工作需求，實現啟動過程的平穩過渡、平滑加速，減少對設備的沖擊；并且降低電機的起動電流，防止電機絕緣損壞、沖擊電網。

4 變頻調速在煤礦主扇風機中的應用

以華陽一礦陽坡堰MAF-3000/1700-1G 型風機為研究對象，該風機主要參數見表1。

表1 MAF-3000/1700-1G 通風機主要參數Table 1 MAF-3000/1700-1G fan main parameters

（3） 具有就地、遠程、上位機3 種控制模式，可任意切換，用戶根據需要自行選擇。在風機運行平穩的狀態下，用戶優先將變頻器控制模式切換到遠程或上位機狀態，在集控室進行操控；當現場需要進行手動控制變頻器或系統調試時，將變頻器切換至就地控制模式，然后進入人機界面進行相應操作。

4.1 變頻器主要技術特點

（1） HIVERT-YK06 130 型高壓變頻器為寬電壓設計，允許電壓存在一定的波動，一般在電網電壓額定值的80%～115%均可正常工作。該變頻器具備電網掉電狀態下的保護設置，斷電時間小于1 s 時，變頻器可持續運行；當斷電時間過長后恢復供電時，具有高壓失電自啟功能。

（1） 液力耦合器。液力耦合器又稱液力聯軸器，是一種以液體作為工作介質的非剛性聯軸器，其特點是可實現無極調速、可調節范圍廣，適用于大容量風機的轉速調整。液力耦合器可以實現電機的空載啟動，為柔性啟動方式。在高速運轉的設備上應用液力耦合器較節流調節的節能效果更加顯著。液力耦合器不足之處在于設備體積相對較大，發熱量高；低速運行過程中轉差損耗偏大，傳動效率、調節精度不高。

此方法需要把各方面變動所形成的差距聯系到一起，然后再逐一進行分析，整個過程的關鍵點在于需要確定“虧損邊界點”，然后在對其展開工作，需要注意的是，動態上所出現的變動因素與單位的盈虧是存在一定關聯的，而這對單位從經營決策中采取相應措施有很大的幫助。

（4） 具有電機過流、變頻器限流及過流、單元過壓、過熱保護等功能，為電氣設備的安全運行奠定基礎。

（5） 采用空間矢量控制正弦波PWM 技術，響應速度快、調節精度高，輸出的正弦波形完美，有效減少諧波輸出。

4.2 風機高效運行的調節

按照華陽一礦陽坡堰日常生產通風量、負壓和現階段風機工作狀態，結合設備不同葉片安裝角度下的性能曲線，讓各個工況點應位于高效區（系統效率≥80%）；若工況點位于低效區，則調整葉片安裝角度，使得工況點處于高效區。

通風機進行變頻改造后，先將通風機葉片角度微調，讓工況點處于高效區，然后在滿足安全生產風量要求的前提下，降低風機轉速。華陽一礦根據實際情況，不斷優化調整風機葉片角度和轉速的組合，最終讓風機效率基本處于82%左右，實現了有效風量和高效率的雙重目標。針對高速低效風機運行狀態，可通過增大風葉安裝角度、降低轉速的方式達到使用需求。

變頻器設定為開環定速運行，依照現場通風需求隨時調節電機轉速。頻率調整范圍0～60 Hz，分辨率0.01 Hz，調速平穩、易于操作、效率高。

4.3 穩定的軟啟特性

HIVERT-YK06 130 型高壓變頻器帶有軟啟特性，具有多種啟動曲線，根據上文研究，通風機最適合半S 形加速曲線，加速時間在2～1 600 s 連續可調，最大啟動電流為額定電流的1.3 倍左右，對電網的沖擊較小，確保了電網的安全穩定性。采取低速轉矩補償技術，使其低速狀態下仍然具有較好的轉矩輸出，且穩定性也較好。

改造后的變頻通風機可平穩啟動風機，風機噪音、振動顯著下降，減少了檢修維護作業量，延長了設備使用壽命，提高了風機的安全性和可靠性。

5 結語

根據礦井主扇風機高效運行和穩健啟動這兩個基本要求，對礦井風機調速原理和方式，以及風機啟動特性進行研究，表明變頻調速方式是目前最適合的調速方式，以半S 形速度曲線進行啟動加速度的控制相對合理。根據這些研究對華陽一礦陽坡堰MAF-3000/1700-1G 型風機進行變頻改造，選用HIVERT-YK06 130 型高壓變頻器。改造后的變頻通風機效率可長期保持在82%左右，有效提高了風機運行效率，同時可平穩啟動風機，風機噪音、振動顯著下降，減少了檢修維護作業量，延長了設備使用壽命，提高了風機的安全性和可靠性。