煤礦對旋主扇風(fēng)機(jī)調(diào)速節(jié)能的改造

王志堅(jiān)

（山西大土河能源科技有限公司，山西 呂梁 033000）

引言

煤炭作為我國的主要能源，工業(yè)重要性一直穩(wěn)居前列，然而隨著市場超產(chǎn)能現(xiàn)象日趨嚴(yán)重，由來已久能耗問題也引起了相關(guān)單位的重視，如何實(shí)現(xiàn)節(jié)能達(dá)產(chǎn)成為眾多煤企的共性目標(biāo)。

生產(chǎn)初期，主扇風(fēng)機(jī)的選型配置均有較大的余量，尤其是現(xiàn)有高壓主扇風(fēng)機(jī)通常在工頻運(yùn)行時(shí)，均只能以電機(jī)負(fù)荷運(yùn)行工況段工作，而不能隨著井下需風(fēng)量的變化而變化，此時(shí)，調(diào)節(jié)風(fēng)量只有通過控制風(fēng)門蝶閥縫隙大小、調(diào)整主扇葉片角度等來控制風(fēng)量，以便達(dá)到適合井下生產(chǎn)的風(fēng)量。這種情況會造成主扇運(yùn)行時(shí)，主扇運(yùn)行阻力增大，效率只能達(dá)到正常運(yùn)行的若干分之一，并伴隨有大量電能的消耗，按日常機(jī)電部門相關(guān)統(tǒng)計(jì)，主扇風(fēng)機(jī)的電費(fèi)占生產(chǎn)用電費(fèi)的25%左右［1］。

1 設(shè)備調(diào)節(jié)簡述

常規(guī)的礦用主扇分主、備2臺，一般為每個(gè)月倒換一次，在調(diào)節(jié)風(fēng)量時(shí)，通常采取3種手段：

1）通過電控閥控制風(fēng)門蝶閥縫隙的大小來控制風(fēng)量的大小，投產(chǎn)初期，需要風(fēng)量較小時(shí)，將風(fēng)門蝶閥打開一半或更小部分，降低風(fēng)量。

2）按主扇葉片軸上標(biāo)的固定刻度調(diào)整主扇葉片角度，需要風(fēng)量較大時(shí)，將主扇葉片旋轉(zhuǎn)到數(shù)字較大的刻度處；需要風(fēng)量較小時(shí)，將主扇葉片轉(zhuǎn)至相反刻度處，這樣做的缺點(diǎn)是，主扇電機(jī)的能耗大大增加，反而起不到相應(yīng)能耗所做功帶來的效益。

3）配有變頻電機(jī)的主扇，可采用調(diào)整電機(jī)運(yùn)行頻率控制電機(jī)的速度，需要多少風(fēng)量，按頻率進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，從而滿足礦井的供風(fēng)量，也可以實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗的目的。

礦用主扇風(fēng)機(jī)變頻器控制方式一般是通過硬接線和用戶的DCS（或PLC）系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和信息處理。主扇作業(yè)司機(jī)可以按照通風(fēng)部門技術(shù)人員測定的需風(fēng)量，通過調(diào)整DCS組態(tài)王操作界面對主扇電機(jī)頻率進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，從而調(diào)整主扇電機(jī)的轉(zhuǎn)速，達(dá)到礦井生產(chǎn)所需的風(fēng)量，以滿足生產(chǎn)所需。

2 礦用對旋主扇風(fēng)機(jī)工頻運(yùn)行時(shí)存在的問題

目前，煤礦使用的主扇風(fēng)機(jī)系統(tǒng)，按井下生產(chǎn)需風(fēng)量進(jìn)行風(fēng)量調(diào)節(jié)時(shí)，一種是通過電控閥控制風(fēng)門蝶閥縫隙的大小來控制風(fēng)量的大??；另一種是按主扇葉片軸上標(biāo)的固定刻度調(diào)整主扇葉片角度，來調(diào)整風(fēng)量的大小。

從礦用主扇風(fēng)機(jī)在初步設(shè)計(jì)時(shí)選型參數(shù)配置和井下實(shí)際生產(chǎn)時(shí)所需的實(shí)際風(fēng)量可以看出，主扇風(fēng)機(jī)工頻勻速作業(yè)時(shí)會有以下幾個(gè)方面的缺陷：

1）電能的嚴(yán)重浪費(fèi)。按照當(dāng)前煤礦整合后的煤企年產(chǎn)能均在90萬t以上，生產(chǎn)年限均在30年左右，而煤礦在剛投產(chǎn)時(shí)到達(dá)到設(shè)計(jì)產(chǎn)能均需10年左右的時(shí)間，而煤礦用主扇風(fēng)機(jī)在按初步設(shè)計(jì)選型配置時(shí)，均比設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力要高5%的余量，因此，在生產(chǎn)初期產(chǎn)量達(dá)不到生產(chǎn)設(shè)計(jì)能力時(shí)，礦用主扇的功能余量相當(dāng)大，在10年左右的時(shí)間內(nèi)，礦用主扇風(fēng)機(jī)均處在較輕負(fù)載下運(yùn)行。再加上井下所需風(fēng)量需調(diào)整時(shí)，主扇風(fēng)機(jī)通常會通過控制主扇風(fēng)門蝶閥大小來實(shí)現(xiàn)控制風(fēng)量，這樣就會造成電能的極大浪費(fèi)，從而增加了電費(fèi)消耗成本。

2）啟動困難，機(jī)械損傷嚴(yán)重。礦用主扇風(fēng)機(jī)目前大部分采用的是高壓電控柜直接點(diǎn)動式啟動運(yùn)行。啟動前，需關(guān)閉運(yùn)行主扇電機(jī)，葉輪剎車，關(guān)閉風(fēng)門蝶閥，打開啟運(yùn)側(cè)主扇蝶閥，再點(diǎn)動式啟動運(yùn)行主扇，由此可見，啟動程序較多，啟動時(shí)間均在5～10min之間，這種硬啟動對電機(jī)的損傷較重，啟動時(shí)電流一般達(dá)到運(yùn)行電流的5～8倍，每啟動一次，都會對電機(jī)的絕緣造成不同程度的損傷。每個(gè)月倒切換主扇時(shí)，若當(dāng)月對電機(jī)保養(yǎng)不到位時(shí)，有可能會燒壞電機(jī)。主扇風(fēng)機(jī)的電機(jī)在對旋啟動運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)會產(chǎn)生頻率較高的軸向X側(cè)振動和軸向Y側(cè)振動，這種高頻率的振動很容易對主扇風(fēng)機(jī)其他部件產(chǎn)生共性振動，從而直接降低主扇風(fēng)機(jī)的使用期限［2］。

3）自動化程度低?，F(xiàn)大多數(shù)礦用主扇風(fēng)機(jī)仍延用舊式礦用主扇風(fēng)機(jī)，該類型主扇風(fēng)機(jī)的的風(fēng)量調(diào)節(jié)或依靠調(diào)節(jié)風(fēng)門蝶閥，或改變?nèi)~片角度，這類風(fēng)機(jī)自動化程度普遍較低，在使用過程中，機(jī)械故障較多，且維修保養(yǎng)工序復(fù)雜，部分關(guān)鍵部位存在保養(yǎng)死角，無法人工保養(yǎng)到位，諸如此類的問題會直接導(dǎo)致主扇運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)緊急停機(jī)故障，耽誤生產(chǎn)。

3 礦用對旋主扇風(fēng)機(jī)變頻運(yùn)行時(shí)的優(yōu)點(diǎn)

1）維護(hù)量減少。礦用主扇風(fēng)機(jī)在選用變頻控制系統(tǒng)后，可隨時(shí)根據(jù)礦井井下采掘工作面的掘進(jìn)進(jìn)度所需風(fēng)量，通過變頻柜控制電機(jī)頻率降低或升高電機(jī)轉(zhuǎn)速，以保證主扇風(fēng)機(jī)在額定工況下工作。電機(jī)的轉(zhuǎn)速降低后，相應(yīng)的共性振動會降低，從而減少對主扇配件的機(jī)械性損傷，一方面延長了主扇風(fēng)機(jī)的附件、配件的使用期限，另一方面，合適的井下風(fēng)量不僅降低了不必要的能耗浪費(fèi)，也適應(yīng)了煤企經(jīng)營困難時(shí)期亟待解決的節(jié)能增效目的。

2）工作強(qiáng)度降低。采用變頻調(diào)速的礦用主扇風(fēng)機(jī)，其電控系統(tǒng)除高壓系統(tǒng)外，控制系統(tǒng)均采用PLC終端計(jì)算機(jī)進(jìn)行信息聯(lián)鎖控制，主扇和備扇之間通過多種傳感器進(jìn)行保護(hù)，主扇運(yùn)行過程中，一旦有隱患故障，傳感器通過監(jiān)控線傳給PLC終端計(jì)算機(jī)，PLC經(jīng)過信息轉(zhuǎn)換，將故障畫面顯示在計(jì)算機(jī)桌面上，形成報(bào)警點(diǎn)提醒主扇作業(yè)司機(jī)進(jìn)行故障匯報(bào)或處理。這與以前的人為查隱患、除故障作業(yè)方式相比，節(jié)省了大量的人工勞動，安全系數(shù)更高［3］。

3）減少了對電網(wǎng)的沖擊。礦用主扇在變頻調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用過程當(dāng)中，全程均為軟啟動作業(yè)模式，高壓電機(jī)從啟動瞬間到運(yùn)行穩(wěn)定，電流均不會有大的波動，運(yùn)行電流是從小到大按頻率逐步增高至電機(jī)所需轉(zhuǎn)速。

4 節(jié)能降耗對比

現(xiàn)場工況及負(fù)載技術(shù)數(shù)據(jù)，見表1。

表1 主扇風(fēng)機(jī)運(yùn)行參數(shù)

1）以表1煤礦主扇風(fēng)機(jī)為例：井下生產(chǎn)的需風(fēng)量通常是按生產(chǎn)采掘作業(yè)面需配風(fēng)量來調(diào)整礦用主扇的送風(fēng)量，當(dāng)通風(fēng)系統(tǒng)負(fù)責(zé)人確定風(fēng)量大小后，需對主扇風(fēng)機(jī)電機(jī)功率進(jìn)行計(jì)算，公式如下：

式中：N為實(shí)際所需風(fēng)量匹配的兩臺電機(jī)總功率，kW；Pst為礦井最困難時(shí)期總阻力，Pa；Q為礦井最困難時(shí)期總風(fēng)量，m3／s；ηst為按Pst、Q參數(shù)查本樣本的實(shí)際運(yùn)行工況效率；K為功率貯備系數(shù)，一般取K＝1.1～1.15。

根據(jù)以上公式計(jì)算出總功率N，按2臺對旋電機(jī)均值N／2，以主扇運(yùn)行曲線圖為依據(jù)，再按照N1＋N2≥N計(jì)算出對旋風(fēng)機(jī)的額定功率。

2）工頻運(yùn)行的主扇風(fēng)機(jī)電能、電費(fèi)計(jì)算。

電機(jī)耗電功率計(jì)算公式：

累計(jì)年耗電量公式：

式中：Pd為電動機(jī)功率；Cd為年耗電量值；U為電動機(jī)輸入電壓；I為電動機(jī)輸入電流；cos為功率因子；T為年運(yùn)行時(shí)間；δ為單臺電機(jī)啟運(yùn)時(shí)間百分比。

按照公式（1）、（2）的算法，就能算出工頻運(yùn)行時(shí)單臺電機(jī)的年耗電量、電費(fèi)。

3）變頻狀態(tài)下的年耗電量計(jì)算。

對于風(fēng)機(jī)負(fù)載，變頻狀態(tài)下的計(jì)算如下：

電機(jī)耗電功率計(jì)算公式：

累計(jì)年耗電量公式：

由軸功率：

式中：Pd為電動機(jī)軸功率；P′為風(fēng)機(jī)軸功率；Q為風(fēng)機(jī)出口流量，H為風(fēng)機(jī)出、入口壓力差；λ為管網(wǎng)特性系數(shù)。

將礦用主扇風(fēng)機(jī)的參數(shù)代入公式，計(jì)算出λ。

按照井下需風(fēng)量的不同，將不同風(fēng)量需求下的λ、壓力、流量值分別代入公式，計(jì)算求出P′軸功率。

對主扇風(fēng)機(jī)的電動機(jī)效率ηd和變頻器的效率ηb進(jìn)行詳細(xì)評估計(jì)算后，用查圖表法算出如下結(jié)論，見表2。

表2 電動機(jī)效率值與變頻器效率值 %

則網(wǎng)側(cè)消耗功率：

累計(jì)年耗電量公式：

按照上述公式，將相應(yīng)參數(shù)值套入公式，算出變頻工況時(shí)，單臺電機(jī)運(yùn)行時(shí)的耗電情況和電費(fèi)情況，見表3。

表3 單臺電機(jī)運(yùn)行的耗電量和電費(fèi)表

4）節(jié)能計(jì)算。

變頻改造后，將主扇相應(yīng)參數(shù)套入上述公式，算出單臺電機(jī)運(yùn)行時(shí)變頻改造后與工頻相比每年的能耗現(xiàn)狀，見表4。

表4 變頻改造后的能耗量

由于現(xiàn)場為一組對旋風(fēng)機(jī)的兩臺電機(jī)同時(shí)運(yùn)行，因此改造變頻后整個(gè)系統(tǒng)的年節(jié)電費(fèi)為196 323×2＝392 645元。

5 結(jié)語

現(xiàn)如今，追求內(nèi)部成本管理已成為各大煤企的核心任務(wù)，而礦用主扇作為主要高耗能設(shè)備之一，挖掘其經(jīng)濟(jì)效益有相當(dāng)大的空間，礦用主扇風(fēng)機(jī)進(jìn)行變頻改造是有效的節(jié)能增效手段之一。

［1］ 廖名鋒.大型風(fēng)機(jī)的高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的選型及其應(yīng)用［J］.變頻器世界，2011（1）：25－26.

［2］ 張皓，續(xù)明進(jìn)，楊梅.高壓大功率交流變頻調(diào)速技術(shù)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

［3］ 竺偉，陳伯時(shí).高壓變頻調(diào)速技術(shù)［J］.電工技術(shù)，1999（3）：30－31.