朱燕婷
(山西霍寶干河煤礦有限公司, 山西 洪洞 041600)
主通風(fēng)機(jī)是煤礦井下開采不可缺少的主要大型設(shè)備之一,它將地面的新鮮空氣吹入煤礦井下作業(yè)區(qū),保證井下操作人員不會因缺少氧氣而無法工作。傳統(tǒng)的主通風(fēng)機(jī)都存在啟動沖擊、噪音大、耗能高等問題。作為煤礦井下主要的耗電設(shè)備,通風(fēng)機(jī)控制的合理性及其工作效率直接反映了全礦的電能利用水平,根據(jù)《煤炭工業(yè)節(jié)能減排工作意見》的相關(guān)內(nèi)容,明確了煤礦井下通風(fēng)主機(jī)節(jié)能改造對煤礦的降本增效具有重大意義。噪音低、耗能少、容量大、效率高的節(jié)能防爆型通風(fēng)機(jī)不斷涌現(xiàn),傳統(tǒng)的落后機(jī)型逐漸被改造、更換和淘汰,使用高科技促進(jìn)煤礦井下大型設(shè)備不斷發(fā)展、進(jìn)步,使其與國際先進(jìn)設(shè)備接軌已經(jīng)勢在必行[1]。
在國家政策的號召下,某煤礦引進(jìn)安裝了一臺1 250 kW 主通風(fēng)機(jī),其型號為FBCDZ-10-NO38/2×1 250 kW,主要控制元件為變頻控制器。該設(shè)備無論是機(jī)械機(jī)構(gòu)還是控制系統(tǒng)與傳統(tǒng)風(fēng)機(jī)相比都有很大優(yōu)勢:
1)綜合提高熵增能力的理論基礎(chǔ)之上,使用最優(yōu)集中控制理論,壓力梯度在準(zhǔn)正交風(fēng)向得到確認(rèn)的基礎(chǔ)上,對動葉片和靜葉片的曲線設(shè)計進(jìn)行了優(yōu)化,葉輪直徑、輪轂比、葉柵稠度、流線型等重要參數(shù)都進(jìn)行了最優(yōu)設(shè)計;葉柵翼型的加載規(guī)律采用分布參數(shù)控制理論進(jìn)行計算,以達(dá)到最理想的工作狀態(tài);采用全三維法夫拉平均N-S 方程求解葉片曲面的氣動正交、幾何正交相關(guān)條件及其準(zhǔn)則,得出彎掠量的最佳分布形式;采用計算機(jī)平面輔助設(shè)計和三維建模分析,優(yōu)化元件的加工工藝。對風(fēng)機(jī)各個部件進(jìn)行多次坐標(biāo)測量,根據(jù)每次測量結(jié)果不斷修正,使其氣動性和工作效率大幅度提升[2]。
2)變頻控制的引用,可以使用高壓變頻軟啟動的控制方式,根據(jù)葉片角度進(jìn)行控制調(diào)節(jié),隨時根據(jù)井下環(huán)境的需要對風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)整,使通風(fēng)效果達(dá)到最佳,使得通風(fēng)機(jī)工況點處于高效區(qū)運行,同時實現(xiàn)通風(fēng)機(jī)電機(jī)的軟起動及軟停車[3]。
3)風(fēng)機(jī)葉片材質(zhì)選用復(fù)合型鑄鋁合金,結(jié)合彎掠組合正交型三維扭曲葉型技術(shù),該技術(shù)降低了葉片的厚度,降低了自身負(fù)荷,同時葉片自身強(qiáng)度卻更高,這使得整體技術(shù)參數(shù)可以進(jìn)一步優(yōu)化,提升風(fēng)機(jī)工作效率;葉片剛度增大,更不容易產(chǎn)生形變,其他部件也更容易組合搭配,提升了風(fēng)機(jī)運行的穩(wěn)定性;葉片材質(zhì)選用特殊的鑄鋁材料,這種材質(zhì)非常耐磨并且不會被氧化腐蝕,與其他零件和物體發(fā)生摩擦?xí)r不會產(chǎn)生靜電和火花,所以運行無損耗、使用壽命長、防爆性極強(qiáng);在葉輪轉(zhuǎn)軸位置安裝了護(hù)圈,避免雜物進(jìn)入葉輪筒,與附件摩擦產(chǎn)生火花,再次增加了防爆性能。
4)采用雙變頻器控制模式。由于井下工況環(huán)境惡劣,變頻器極易出現(xiàn)故障,當(dāng)一臺變頻器發(fā)生故障,系統(tǒng)將自動無差別地切換到備用變頻器進(jìn)行接替控制,并對人機(jī)控制界面發(fā)出控制器故障代碼,提醒工作人員及時做好維修工作。
本次控制所采用的主要元件是變頻器,可以采用一臺控制器對多臺風(fēng)機(jī)進(jìn)行控制的工作模式,變頻器可以根據(jù)需要隨意轉(zhuǎn)換控制所有風(fēng)機(jī),與改造前一臺變頻器智能控制一臺風(fēng)機(jī)的運轉(zhuǎn)模式相比,可以解決單臺風(fēng)機(jī)長時間運轉(zhuǎn)的狀態(tài),可以保證供風(fēng)的穩(wěn)定性,兩臺風(fēng)機(jī)可以工作、備用,按照一定的設(shè)定頻次相互轉(zhuǎn)換,提高了供風(fēng)系統(tǒng)的可靠性,使煤礦井下生產(chǎn)工作現(xiàn)場持續(xù)獲得新鮮空氣。變頻器可以通過調(diào)節(jié)電源頻率來改變電動機(jī)的轉(zhuǎn)速,所以通過變頻控制可以實現(xiàn)電機(jī)從零速逐漸啟動,逐漸加速至風(fēng)機(jī)的工作轉(zhuǎn)速,這個控制過程與改造前相比,大大減小了啟動沖擊,節(jié)省了電能,簡化了控制流程。尤其是此次改造還采用了直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù),使整個起動過程都進(jìn)行了量化處理。在建立的轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中有自適應(yīng)控制模塊,該模塊是讓異步電機(jī)隨著實際工況進(jìn)行自動調(diào)節(jié)。因為異步電機(jī)在實際的工況中結(jié)構(gòu)特性并不明顯,所以使用數(shù)學(xué)模型進(jìn)行表達(dá)是一個比較復(fù)雜的計算過程,與接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)對應(yīng)的數(shù)學(xué)模型是離散法,需要將電流的矢量輸出進(jìn)行分解為轉(zhuǎn)矩和勵磁做功,再使用系統(tǒng)內(nèi)調(diào)節(jié)器進(jìn)行調(diào)節(jié),通過以上過程就可以實現(xiàn)對電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩進(jìn)行控制,也就是變頻控制器對異步電機(jī)的自動調(diào)節(jié)控制,這可以有效提高通風(fēng)主機(jī)在工作狀態(tài)下的穩(wěn)定性和安全性[4]。
使用變頻控制還可以解決兩臺電機(jī)做功不平衡的問題,一臺風(fēng)機(jī)中同時需要安裝一級電機(jī)和二級電機(jī),兩臺電機(jī)做功一致的情況下,風(fēng)機(jī)的排風(fēng)效果最佳,變頻器與控制程序的調(diào)節(jié)下,可以將轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩兩個變量中的一個作為輸出的基準(zhǔn),對另一個變量進(jìn)行微調(diào)。例如,將轉(zhuǎn)矩作為基準(zhǔn),電機(jī)的轉(zhuǎn)矩將會保持穩(wěn)定,而轉(zhuǎn)速則會圍繞一定的數(shù)值上下浮動;反之,轉(zhuǎn)速保持穩(wěn)定,轉(zhuǎn)距則會圍繞一定的數(shù)值上下浮動,這樣就可以保證兩個風(fēng)機(jī)運行參數(shù)完全被可控,將一級電機(jī)的基準(zhǔn)參數(shù)作為二級電機(jī)的調(diào)整基準(zhǔn),二級電機(jī)的參數(shù)調(diào)整就會圍繞一級電機(jī)的參數(shù)變化得以調(diào)整,這樣就完全實現(xiàn)了兩個電機(jī)的做功一致性[5]。
在兩個風(fēng)機(jī)供電線路上接入電功率測量表以及綜合自動化單元,通過這兩種儀表可以測量兩個主通風(fēng)機(jī)工作狀態(tài)下的電流、電壓等功率參數(shù)。同時需要對兩個風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的負(fù)壓值進(jìn)行檢測,采用的是U型玻璃管以及4 個煤礦用壓力傳感器,4 個傳感器分別測量兩個通風(fēng)主機(jī)的全壓和負(fù)壓。
1)改造前使用的是4 臺YBF560M-8F 風(fēng)機(jī),兩個風(fēng)機(jī)工作,另兩個風(fēng)機(jī)備用,其性能參數(shù)見表1、表2。
ACS5000 變頻器性能參數(shù)如表3 所示。
表1 改造前風(fēng)機(jī)性能參數(shù)表
表2 改造后風(fēng)機(jī)性能參數(shù)表
表3 變頻器性能參數(shù)
由于改造前后風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的風(fēng)量和消耗的電功率都是不同的,所以不能直接以消耗電能的多少直接進(jìn)行比較,需要轉(zhuǎn)換成一個統(tǒng)一能量參數(shù)進(jìn)行比較,本次對比實驗采用的是年用電量與年產(chǎn)風(fēng)量的比值作為對比參數(shù),年用電量為Y、年產(chǎn)風(fēng)量為Q,則節(jié)能量E=(Y舊/Q舊-Y新/Q新)×Q新,改造前后年產(chǎn)風(fēng)量和用電量見表4。
表4 改造前后年產(chǎn)風(fēng)量和用耗電量
節(jié)能量計算如下:
因此,改造后相對改造前每年節(jié)能為311×104kW·h,能量與標(biāo)準(zhǔn)煤的折合系數(shù)為3.4,所以折合節(jié)約標(biāo)煤311×3.4=1 057.4 t。
改造后對通風(fēng)主機(jī)采用了變頻自動控制,不僅在結(jié)構(gòu)和材質(zhì)上進(jìn)行了改善,而且使用了變頻軟起動、一對多控制、備用控制無差別接替等多項先進(jìn)技術(shù),使通風(fēng)系統(tǒng)更穩(wěn)定、安全,而且節(jié)省了相當(dāng)可觀的電力能源,對井下煤炭開采的安全生產(chǎn)和抗災(zāi)能力的提升具有重要意義。