馬道頭礦軸流式主通風(fēng)機(jī)變頻拖動(dòng)方案分析及應(yīng)用

王亮

1 前言

主通風(fēng)機(jī)在礦井通風(fēng)系統(tǒng)中的作用至關(guān)重要，同時(shí)也制約著煤礦的生產(chǎn)安全。首先，主通風(fēng)機(jī)能夠保障礦井內(nèi)輸入足夠量的新鮮空氣，以此滿足井下工作人員的安全生產(chǎn)需求；其次，主通風(fēng)機(jī)能夠?qū)㈤_采過程中產(chǎn)生的有毒、有害氣體進(jìn)行稀釋，達(dá)到安全生產(chǎn)的濃度標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)而將其排出礦井；再者，礦井通風(fēng)系統(tǒng)的非正常運(yùn)行很可能誘發(fā)重大安全事故。因此，礦井通風(fēng)機(jī)的正常運(yùn)行至關(guān)重要[1-3]。

在煤礦的安全生產(chǎn)過程中，主通風(fēng)機(jī)需要晝夜運(yùn)行，再加之礦山機(jī)械設(shè)備的功率相對(duì)來說也比較大，因此它所消耗的電能在整個(gè)礦山的電能消耗中占據(jù)相當(dāng)大的比重。節(jié)能減排是當(dāng)代經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主流趨勢(shì)，所以對(duì)通風(fēng)機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速控制，提高風(fēng)機(jī)工作效率，降低整個(gè)礦山的生產(chǎn)成本是所有煤礦企業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)[4,5]。

2 通風(fēng)機(jī)變頻拖動(dòng)技術(shù)

根據(jù)同煤馬道頭礦井的開拓形式，確定通風(fēng)系統(tǒng)為中央并列式，通風(fēng)方式為抽出式，副井作為進(jìn)風(fēng)口，主井作為回風(fēng)口。通過對(duì)該礦礦井的所需風(fēng)量以及負(fù)壓情況的進(jìn)行計(jì)算，再結(jié)合技術(shù)方案的經(jīng)濟(jì)對(duì)比，最終決定該礦井的通風(fēng)設(shè)備選用軸流式通風(fēng)機(jī)，該類型通風(fēng)機(jī)能較好的適應(yīng)高負(fù)壓，同時(shí)運(yùn)行效率也比較高，型號(hào)選定為GAF20-10.6-1（GZ），數(shù)量為兩臺(tái)，一臺(tái)用于工作，另一臺(tái)留作備用，每臺(tái)風(fēng)機(jī)配一臺(tái)Y400-6型電動(dòng)機(jī)，其功率為250 kW，電壓為10 kV。

2.1 電源供電系統(tǒng)

主通風(fēng)機(jī)屬于一級(jí)負(fù)荷，主通風(fēng)機(jī)房由雙回電源供電，雙回10 kV電源電纜引自地面35/10 kV變電所10 kV不同母線段，一回運(yùn)行，一回帶電備用。當(dāng)其中一個(gè)回路電源發(fā)生故障，不能繼續(xù)供電時(shí)，另一電源能夠擔(dān)負(fù)起全部的負(fù)荷。配電室內(nèi)設(shè)KYGC-Z型高壓開關(guān)柜，以10 kV向兩臺(tái)主通風(fēng)機(jī)及兩臺(tái)變頻器供電。

2.2 反風(fēng)措施

通風(fēng)設(shè)備為軸流通風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)反風(fēng)時(shí)將動(dòng)葉調(diào)到反風(fēng)位置就可實(shí)現(xiàn)反風(fēng)，能在10 min內(nèi)改變巷道中風(fēng)流的方向，當(dāng)風(fēng)流方向改變后，反風(fēng)量不小于正常風(fēng)量的40%。

2.3 變頻拖動(dòng)方案

機(jī)械調(diào)節(jié)和電氣調(diào)節(jié)是調(diào)節(jié)主通風(fēng)機(jī)的兩種方式，而以節(jié)能、安全可靠、適應(yīng)力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)著稱的變頻調(diào)速則是電氣調(diào)節(jié)的主要形式，并逐步發(fā)展為主通風(fēng)機(jī)的重要調(diào)節(jié)方式。每臺(tái)GAF20-10.6-1（GZ）軸流式主通風(fēng)機(jī)配置有一臺(tái)電動(dòng)機(jī)，故在進(jìn)行變頻調(diào)速時(shí)，探究的拖動(dòng)方案主要三種。

3 變頻拖動(dòng)方案對(duì)比

方案一設(shè)計(jì)主要是利用一臺(tái)變頻裝置拖動(dòng)一臺(tái)電動(dòng)機(jī)，形成一套完整的通風(fēng)機(jī)變頻拖動(dòng)系統(tǒng)（如圖1所示）。兩臺(tái)通風(fēng)機(jī)形成兩套系統(tǒng)，一套用于工作，一套留作備用。主通風(fēng)機(jī)房?jī)?nèi)的兩回10 kV電源電纜引自不同的母線段，房?jī)?nèi)主接線采用單母線分段的形式，并設(shè)置有聯(lián)絡(luò)、隔離柜。每段母線設(shè)置一臺(tái)高壓出線柜（內(nèi)含有斷路器QF1、QF2），為每套主通風(fēng)機(jī)的電機(jī)變頻設(shè)備（VFD1、VFD2）提供電源。圖中M1、M2分別為兩臺(tái)主通風(fēng)機(jī)的電動(dòng)機(jī)。

圖1 方案一設(shè)計(jì)圖

方案二設(shè)計(jì)主要是利用一臺(tái)帶工頻旁路的變頻裝置拖動(dòng)一臺(tái)電動(dòng)機(jī)，形成一套完整的通風(fēng)機(jī)變頻拖動(dòng)系統(tǒng)（如圖2所示）。兩臺(tái)通風(fēng)機(jī)形成兩套系統(tǒng)，一套用于工作，一套留作備用。以工作的一回路通風(fēng)系統(tǒng)為例，工頻旁路柜內(nèi)含有隔離開關(guān)QS11、QS12、QS13，以此來實(shí)現(xiàn)變頻狀態(tài)和工頻狀態(tài)的切換；閉合開關(guān) QF1、QS11、QS12、QS14，啟動(dòng)變頻器運(yùn)行電動(dòng)機(jī)M1；當(dāng)變頻器發(fā)生故障時(shí)，閉合開關(guān)QF1、QS13、QS14，啟動(dòng)工頻來運(yùn)行電動(dòng)機(jī)M1，這樣主通風(fēng)機(jī)得以連續(xù)性工作。主通風(fēng)機(jī)的反風(fēng)可以利用正反轉(zhuǎn)切換開關(guān)QS14來調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的反轉(zhuǎn)，另外，在變頻運(yùn)行狀態(tài)下，還可利用變頻裝置來實(shí)現(xiàn)反風(fēng)。備用回路同樣以此來實(shí)現(xiàn)變頻狀態(tài)和工頻狀態(tài)的切換。

方案三設(shè)計(jì)主要是利用一臺(tái)帶工頻旁路的變頻裝置同時(shí)拖動(dòng)兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)，形成兩套拖動(dòng)系統(tǒng)（如圖3所示）。一套用于工作，一套留作備用。其中QF1、QF2為每套主通風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)上所設(shè)置的工頻出線柜，QS12和QS13、QS22和QS23是雙刀雙擲隔離開關(guān)，自然機(jī)械互鎖；QS11和QS21、QS12和QS22不能同時(shí)閉合，實(shí)現(xiàn)電氣互鎖；閉合QF1、QS11、QS12，則可通過變頻器VFD運(yùn)行電動(dòng)機(jī)M1，此時(shí)QS13、QS21、QS22呈現(xiàn)斷開狀態(tài)，避免反送電和拖動(dòng)兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)；當(dāng)變頻器VFD在工作過程中出現(xiàn)故障時(shí)，閉合QF2、QS23即可通過工頻直接運(yùn)行電動(dòng)機(jī)M2，實(shí)現(xiàn)變頻和工頻的相互切換。同理，閉合QF2、QS21、QS22，即可通過變頻器VFD啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)M2，當(dāng)變頻器VFD出現(xiàn)故障時(shí)，閉合QF1和QS13，通過工頻啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)M1，保障主通風(fēng)機(jī)能夠正常工作。

圖2 方案二設(shè)計(jì)圖

圖3 方案三設(shè)計(jì)圖

以上所述的三種變頻拖動(dòng)方案中，主通風(fēng)機(jī)的變頻拖動(dòng)系統(tǒng)都是一套用于工作，一套用于備用，符合電控系統(tǒng)的備用要求。但在實(shí)際生產(chǎn)過程中，如果工作變頻器出現(xiàn)故障無法正常運(yùn)行時(shí)，啟用備用變頻器，這只是理想狀態(tài)，由于變頻器本身的質(zhì)量問題，也存在兩臺(tái)變頻器同時(shí)出現(xiàn)問題的狀態(tài)，所以這種情況下就有必要增加一個(gè)工頻旁路，在變頻器出現(xiàn)問題的情況下切換至工頻狀態(tài)運(yùn)行。在早期投資經(jīng)費(fèi)充足下，可考慮帶旁路的變頻拖動(dòng)方案。

根據(jù)馬道頭礦井風(fēng)量與風(fēng)壓的變化情況，加之早期的投資預(yù)算概況，及以長(zhǎng)期低耗節(jié)能為出發(fā)點(diǎn)，最終選用方案三，用一臺(tái)帶工頻旁路的高壓變頻器，拖動(dòng)兩臺(tái)功率為250 kW的Y400-6型電動(dòng)機(jī)，利用高壓變頻調(diào)速技術(shù)，風(fēng)機(jī)的工作效率可提高12%，節(jié)能功率可達(dá)39.7 kW，按電費(fèi)0.56元/（kW?h）計(jì)算，每年可節(jié)省電費(fèi)約19.4萬元。

4 結(jié)語

主通風(fēng)機(jī)通過變頻器進(jìn)行調(diào)速之后，實(shí)現(xiàn)了風(fēng)機(jī)的軟啟動(dòng)，延長(zhǎng)了設(shè)備的使用壽命，同時(shí)風(fēng)機(jī)的工作效率也得到提高，電能損耗得到降低。同煤馬道頭礦井在采用方案三設(shè)計(jì)的的變頻拖動(dòng)方案之后，通風(fēng)機(jī)工作狀態(tài)下最高效率能達(dá)到84.5%，風(fēng)機(jī)效率得到極大的提高，也為企業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

[1]郝文科.變頻調(diào)速技術(shù)在煤礦通風(fēng)機(jī)節(jié)能的應(yīng)用研究[J].煤炭與化工,2017,40(9):141-142+145.

[2]楊志林.高壓變頻技術(shù)在煤礦主通風(fēng)機(jī)上的應(yīng)用[J].機(jī)械工程與自動(dòng)化,2017,(3):183-185.

[3]陳一兵.煤礦對(duì)旋軸流式主通風(fēng)機(jī)高壓變頻拖動(dòng)方案的設(shè)計(jì)及應(yīng)用[J].煤礦機(jī)電,2013,(6):24-27+31.

[4]李永剛.基于PLC控制的變頻調(diào)速通風(fēng)機(jī)系統(tǒng)[D].太原理工大學(xué),2012.

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