變頻調(diào)速在降低通風(fēng)機(jī)能耗中的應(yīng)用

殷基林，劉德成，廖松保，程小偉

（永城煤電控股集團(tuán)有限公司陳四樓煤礦，河南永城 476600）

0 引言

礦井通風(fēng)機(jī)是煤礦的主要耗能設(shè)備之一，據(jù)有關(guān)資料顯示，在煤炭行業(yè)，通風(fēng)機(jī)的能耗占其總能耗的35%左右。目前，我國煤炭行業(yè)使用通風(fēng)機(jī)的數(shù)目較多，且普遍存在運(yùn)行效率低下的問題，在實際的生產(chǎn)運(yùn)行中效率很少達(dá)到70%，一般的只在50%左右，從而造成能源的巨大浪費(fèi)。當(dāng)前，我國的經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，對能源的需求大大增加，煤礦風(fēng)機(jī)作為耗能大戶，降低其能耗不僅能降低煤礦生產(chǎn)成本產(chǎn)生直接經(jīng)濟(jì)效益，而且對整個國民經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展和環(huán)境保護(hù)也具有深遠(yuǎn)的意義。

1 通風(fēng)機(jī)調(diào)速節(jié)能分析

1.1 風(fēng)機(jī)參數(shù)及特性曲線

通風(fēng)機(jī)的主要參數(shù)有五個：風(fēng)量（Q）、風(fēng)壓（H）、功率（P）、效率（ η）、轉(zhuǎn)速（N），其中風(fēng)量、風(fēng)壓和功率與轉(zhuǎn)速有如下制約關(guān)系[1]：

上式表明：風(fēng)量Q 與轉(zhuǎn)速N 的一次方成正比；風(fēng)壓H 與轉(zhuǎn)速N 的平方成正比；功率P 與轉(zhuǎn)速N的三次方成正比。

將通風(fēng)機(jī)主要參數(shù)之間的關(guān)系用圖形表示，即風(fēng)機(jī)的特性曲線（Q-H曲線），如圖1所示。

圖1 變頻調(diào)速節(jié)能原理示意圖

圖1 中：R1、R2表示井下通風(fēng)網(wǎng)阻力特性曲線；N1、N2表示轉(zhuǎn)速為N1、N2時的Q－H曲線；η為風(fēng)機(jī)效率。

1.2 變頻調(diào)速技術(shù)介紹

變頻調(diào)速技術(shù)是通過改變電動機(jī)工作電源而改變電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。其理論依據(jù)是[2]：

其中：N 為電機(jī)轉(zhuǎn)速；s 為電機(jī)轉(zhuǎn)差率；p為電機(jī)磁極對數(shù)；f 為輸入電源頻率。

可以看出當(dāng)轉(zhuǎn)差率s和磁極對數(shù)p一定時，改變輸入電源的頻率f就可以調(diào)節(jié)電動的轉(zhuǎn)速n。風(fēng)機(jī)調(diào)速就是用變頻調(diào)速器來調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)的電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。采用變頻技術(shù)后電機(jī)輸入功率與輸入電流頻率之間關(guān)系如圖2所示。

圖2 電機(jī)輸入功率與頻率關(guān)系圖

1.3 變頻調(diào)速節(jié)能分析

風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)是由于井下不同生產(chǎn)時期需風(fēng)量不同，為了滿足井下風(fēng)量的要求必須要調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)的工況點(diǎn)。從理論上可以從以下三個方面實現(xiàn)風(fēng)機(jī)工況點(diǎn)的改變：改變風(fēng)機(jī)自身的特性曲線、改變通風(fēng)網(wǎng)路的風(fēng)阻特性曲線以及兩者相結(jié)合。具體的方法有兩種：（1）風(fēng)機(jī)恒速調(diào)節(jié)，這種方法主要是調(diào)節(jié)通風(fēng)網(wǎng)路的風(fēng)阻；（2）風(fēng)機(jī)變速調(diào)節(jié)，該方法主要是改變風(fēng)機(jī)自身的特性來實現(xiàn)工況點(diǎn)的改變。

圖1中曲線a為通風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)道的調(diào)節(jié)閥門全開時通風(fēng)網(wǎng)路的風(fēng)阻特性曲線，c為電動機(jī)轉(zhuǎn)速為N1時風(fēng)機(jī)的Q-H 曲線，Q1為風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)前的風(fēng)量；曲線b 為通風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)道的調(diào)節(jié)閥門關(guān)小時通風(fēng)網(wǎng)路的風(fēng)阻特性曲線，c 為電動機(jī)轉(zhuǎn)速為N2時風(fēng)機(jī)的Q-H 曲線，Q2為根據(jù)井下生產(chǎn)調(diào)節(jié)后的風(fēng)量。將風(fēng)量從Q1調(diào)到Q2有兩種方案：方案一采取措施增大通風(fēng)網(wǎng)路的風(fēng)阻使風(fēng)阻特性曲線從R1變到R2；方案二網(wǎng)路的風(fēng)阻不變使電動機(jī)的轉(zhuǎn)速從N1調(diào)到N2。這兩種方法都可以滿足生產(chǎn)的要求，但是二者之間存在很大的差別。采用第一種方案調(diào)節(jié)后風(fēng)機(jī)的工況點(diǎn)位B 點(diǎn)；采用第二種方案后風(fēng)機(jī)的工況點(diǎn)變成C點(diǎn)。

本文設(shè)工況點(diǎn)B 和C 的參數(shù)分別為（Q2，HB，ηB）、（Q2，HC，ηC）?？梢钥闯鯤B＞HC、ηB＞ηC，它們的風(fēng)量相等。根據(jù)通風(fēng)機(jī)軸功率計算公式：

p=λQH/η

其中：λ—流體的容重。

從上式可以得出：風(fēng)機(jī)的軸功率與Q、H 的乘積成正比，風(fēng)機(jī)在工況點(diǎn)A 運(yùn)行時，軸功率與四邊形AHA0Q1的面積成正比，當(dāng)通過改變通風(fēng)網(wǎng)路的風(fēng)阻特性曲線后，風(fēng)機(jī)的工況點(diǎn)為B，該點(diǎn)壓力HB較A 點(diǎn)反而增大了，其軸功率與四邊形BHB0Q2的面積成正比，從圖1中可以明顯地看出兩點(diǎn)的軸功率變化不大；通過變頻調(diào)速后，風(fēng)機(jī)的工況點(diǎn)為C，該工況點(diǎn)的壓力HC明顯的降低了，其軸功率與四邊形CHC0Q2的面積成正比，可以看出四邊形CHC0Q2的面積明顯比四邊形BHB0Q2的面積小，圖1中所示陰影部分的面積就是采用變頻調(diào)速技術(shù)所節(jié)約能耗的比例，因此節(jié)能效益相當(dāng)顯著。也就是說在輸出風(fēng)量一定的情況下，通過變頻調(diào)速的方式可以降低軸功率的消耗。

在實際現(xiàn)場應(yīng)用中常用下面的近似計算公式[3]計算軸功率：

P=QH/102，

則：

C點(diǎn)的軸功率與B點(diǎn)的軸功率之差為：

該計算結(jié)果表明：在獲得同樣風(fēng)量的條件下，采用變頻調(diào)速技術(shù)調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)的工況點(diǎn)比采用傳統(tǒng)的增大通風(fēng)網(wǎng)路風(fēng)阻的辦法少耗電△p，這與前面對圖1的分析結(jié)果保持一致。同時，從圖1上還可以看出：調(diào)節(jié)后的風(fēng)量越小，采用網(wǎng)路調(diào)節(jié)時風(fēng)阻越大，損失的軸功率就越大；而采用變頻調(diào)速所消耗的軸功率就越小，就越體現(xiàn)了變頻調(diào)速技術(shù)的優(yōu)勢[4]。

2 變頻調(diào)速的應(yīng)用及優(yōu)點(diǎn)

2.1 變頻調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用

從圖1 中可以看出采用變頻調(diào)速后，風(fēng)機(jī)的效率較采用增加通風(fēng)網(wǎng)路的調(diào)節(jié)方法有所降低，但是現(xiàn)場的實際應(yīng)用證明：雖然調(diào)速以后效率有所降低，但是大大的減少了軸功率的消耗，節(jié)能效果仍然十分明顯。表1 是陳四樓煤礦綜掘四隊壓入式局部風(fēng)機(jī)在技術(shù)改造前后風(fēng)機(jī)運(yùn)行的性能參數(shù)，該礦在技術(shù)改造中在風(fēng)機(jī)上增加了變頻調(diào)速系統(tǒng)。

表1 輸入功率相同時的風(fēng)量比較結(jié)果

從表1 可以看出在投入變頻器后，在保證供風(fēng)量不變的情況下輸入功率減小了5.8 kW，從而降低了風(fēng)機(jī)能耗。

2.2 變頻調(diào)速技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)

（1）節(jié)能顯著，許多礦井改造中都表明使用變頻器后可以大大降低通風(fēng)耗電成本。

（2）使用變頻調(diào)速技術(shù)后可以實現(xiàn)軟啟動，啟動平穩(wěn)?，F(xiàn)場經(jīng)驗表明啟動過程中最大電流不會超過額定電流的1.2倍，而且在啟動過程中沒有噪音和劇烈振動，也沒有電流沖擊。從而可以延長電器元件的壽命。

（3）提高井下作業(yè)的安全系數(shù)，把變頻器的控制系統(tǒng)與瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)，當(dāng)井下發(fā)生瓦斯涌出時，通過瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)自動改變變頻器的工作頻率，使風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速自動提高，增大供風(fēng)量，沖淡工作面的瓦斯。

（4）變頻調(diào)速技術(shù)還有其他很多方面的優(yōu)點(diǎn)。風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速越高，風(fēng)機(jī)的啟動電流就越大，可以采用變頻技術(shù)，在低頻條件啟動，直到風(fēng)機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定后再調(diào)到所要的頻率以滿足生產(chǎn)需要。

3 結(jié)語

變頻調(diào)速技術(shù)應(yīng)用于風(fēng)機(jī)，節(jié)能效果十分顯著，如果將變頻調(diào)速系統(tǒng)在通風(fēng)機(jī)上推廣使用，將會在很大程度上降低煤炭生產(chǎn)的能耗，產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益。不僅如此，變頻調(diào)速器與煤礦上其他系統(tǒng)（如安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)）相耦合，可以根據(jù)井下的工作環(huán)境的參數(shù)實時調(diào)節(jié)通風(fēng)機(jī)的風(fēng)量，以滿足生產(chǎn)的要求。這樣不僅大大降低了風(fēng)機(jī)的能耗，給煤礦帶來了可觀的經(jīng)濟(jì)效益，還提高了井下工作環(huán)境的安全系數(shù)。同時變頻調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用可以實現(xiàn)用計算機(jī)來自動調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)風(fēng)量，實現(xiàn)風(fēng)量調(diào)節(jié)智能化，變頻調(diào)速技術(shù)把數(shù)字化礦山的建設(shè)又向前推進(jìn)了一步。

［1］王德明，周福寶.礦井通風(fēng)與安全新技術(shù)［M］.徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2002.

［2］丁斗章.變頻調(diào)速技術(shù)與系統(tǒng)應(yīng)用［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

［3］張少春，秦喜文.利用變頻技術(shù)實現(xiàn)風(fēng)機(jī)節(jié)能［J］.技術(shù)經(jīng)驗，2000（4）：44-46.

［4］吳建華.礦用通風(fēng)機(jī)變頻節(jié)能技術(shù)研究［J］.露天采礦技術(shù)，2010（4）：68-69.

［5］趙俊文.變頻調(diào)速技術(shù)在煤礦主通風(fēng)機(jī)的中應(yīng)用［J］.情報科技開發(fā)與經(jīng)濟(jì)，2007（33）：38-41.