煤礦通風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)的研究與應(yīng)用

李瑋璐

（晉能控股集團(tuán)有限公司王村煤業(yè)有限公司， 山西 大同 037003）

引言

礦井空氣通風(fēng)機(jī)系統(tǒng)是保證煤礦安全清潔生產(chǎn)的重要關(guān)鍵設(shè)備, 礦井空氣通風(fēng)控制系統(tǒng)為綜采礦井工作區(qū)表面的“肺”，將新鮮空氣送到工人工作區(qū)，并將有害粉氣體排出，從而快速高效地降低有害氣體的濃度。由于因井下空間密閉通風(fēng)條件差，為了一線礦工的身體健康，通風(fēng)機(jī)必須24 h 連續(xù)作業(yè)，所以大負(fù)荷裝備必然會(huì)導(dǎo)致電能的大量損耗[1]。

因此，需要控制通風(fēng)機(jī)來(lái)把控風(fēng)量，通過(guò)不斷提高通風(fēng)機(jī)的自動(dòng)化工作程度，來(lái)實(shí)現(xiàn)節(jié)能降噪。

1 通風(fēng)機(jī)調(diào)速技術(shù)方案

1.1 手動(dòng)操作調(diào)速

1.1.1 恒速改變?nèi)~扇風(fēng)門角度調(diào)節(jié)風(fēng)量

對(duì)于雙軸流式葉扇通風(fēng)機(jī)來(lái)說(shuō)，通過(guò)轉(zhuǎn)速增大葉扇通風(fēng)機(jī)構(gòu)和葉片的旋轉(zhuǎn)角度大小來(lái)同時(shí)調(diào)整葉扇風(fēng)壓，也就是能夠通過(guò)轉(zhuǎn)速改變?nèi)~片和輪片的齒數(shù)大小來(lái)同時(shí)調(diào)節(jié)葉扇風(fēng)量。但是需要通風(fēng)機(jī)停機(jī)后才能夠進(jìn)行調(diào)整設(shè)備，需要長(zhǎng)時(shí)間的調(diào)整才能實(shí)現(xiàn)，沒辦法實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)節(jié)的通風(fēng)量，也不能隨時(shí)隨地根據(jù)通風(fēng)狀況進(jìn)行改變。

離心式的通風(fēng)機(jī)指的是通過(guò)手動(dòng)調(diào)節(jié)整個(gè)通風(fēng)機(jī)口的整體形狀及其通風(fēng)道口的大小，或調(diào)節(jié)通風(fēng)機(jī)管道里手動(dòng)開關(guān)的風(fēng)口開啟關(guān)閉程度，手動(dòng)調(diào)節(jié)減小了通風(fēng)道的流動(dòng)橫斷面，以直接增加風(fēng)道通風(fēng)的流動(dòng)阻力，從而直接改變了整個(gè)通風(fēng)機(jī)組管網(wǎng)系統(tǒng)的性能特性變化曲線，最后再用來(lái)直接改變整個(gè)通風(fēng)機(jī)組在生產(chǎn)工作時(shí)的狀態(tài)，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)整機(jī)風(fēng)量的自動(dòng)調(diào)節(jié)，這種手動(dòng)調(diào)節(jié)風(fēng)量方法其實(shí)是一非常不利的符合市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)性和缺乏可操性[2]。

1.1.2 變速調(diào)節(jié)風(fēng)量

通過(guò)變速改變驅(qū)動(dòng)通風(fēng)機(jī)的橫向轉(zhuǎn)軸角和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)速度，改變驅(qū)動(dòng)通風(fēng)機(jī)自身的各種特性運(yùn)動(dòng)曲線從而調(diào)整了通風(fēng)量的大小，有效地調(diào)節(jié)通風(fēng)機(jī)性能。

1.1.3 調(diào)節(jié)風(fēng)門與變速改變風(fēng)量方法對(duì)比分析

圖1 中，曲線1 是在最大轉(zhuǎn)速時(shí)風(fēng)壓與風(fēng)量的關(guān)系曲線，曲線2 是風(fēng)門完全打開時(shí)的關(guān)系曲線。上邊的1、2 兩條曲線的相交的點(diǎn)A 代表自然工況點(diǎn)，此時(shí)的風(fēng)壓為Hl風(fēng)量為Ql。當(dāng)煤礦井下的真實(shí)通風(fēng)量為Q2，此時(shí)可調(diào)節(jié)風(fēng)門得到曲線3，與線1 的相交于B 點(diǎn)，得到風(fēng)量Q2，風(fēng)壓也就升到了H2。也能夠調(diào)整風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速特性曲線得到曲線4，曲線4 與曲線2 相交于C 點(diǎn)，得到風(fēng)量Q2，風(fēng)壓降至H3。如果假設(shè)在ABC 三個(gè)工礦點(diǎn)運(yùn)作，通風(fēng)機(jī)和相關(guān)配套機(jī)械裝配效率相等，則相應(yīng)工礦點(diǎn)運(yùn)行時(shí)的風(fēng)量與風(fēng)壓的積成正相關(guān)。從圖上可以很明顯地得出，PB比PA稍小，PA卻遠(yuǎn)大于PC?？梢缘贸觯ㄟ^(guò)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速消耗的能源比調(diào)節(jié)風(fēng)門發(fā)小消耗的小[3]。

圖1 工況性能曲線

1.2 通風(fēng)機(jī)的變頻調(diào)速原理

根據(jù)上述情況分析，本機(jī)的系統(tǒng)控制工作模式主要包括電機(jī)手動(dòng)控制兩種模式和電機(jī)全自動(dòng)控制兩種模式。在這種全自動(dòng)控制工作模式下，下頁(yè)圖2中為PLC 自動(dòng)控制變頻通風(fēng)調(diào)速原理圖如下[4]：

圖2 PLC 控制變頻調(diào)速原理圖

由于通風(fēng)機(jī)中的電機(jī)為驅(qū)動(dòng)異步電機(jī)，因此其同步轉(zhuǎn)速與電機(jī)供電驅(qū)動(dòng)電源工作頻率間的相對(duì)關(guān)系主要可以用以下幾個(gè)公式進(jìn)行表述：

式中：n 為驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)速；n0為驅(qū)動(dòng)同步轉(zhuǎn)速；s 為轉(zhuǎn)差率；f 為電源頻率；m 為電機(jī)的極對(duì)數(shù)。

由流體力學(xué)公式，推導(dǎo)出風(fēng)量、風(fēng)壓、軸功率與轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系如下[5]：

式中：Q 為通風(fēng)機(jī)輸出風(fēng)量；n 為轉(zhuǎn)速；P 為通風(fēng)機(jī)功率。

由上式計(jì)算得出，通風(fēng)機(jī)的排風(fēng)量、風(fēng)壓、風(fēng)軸功率與風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)速的平方和轉(zhuǎn)速級(jí)的三次方成正相關(guān)。當(dāng)風(fēng)機(jī)排風(fēng)量按平方減小時(shí)，轉(zhuǎn)速按平方減小，風(fēng)機(jī)風(fēng)壓軸功率按風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的三次方減小，真正達(dá)到用變頻風(fēng)機(jī)調(diào)速通風(fēng)節(jié)能的目的，降低整機(jī)的能耗。

2 通風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用及優(yōu)勢(shì)分析

為了驗(yàn)證PLC 變頻調(diào)速風(fēng)機(jī)的優(yōu)良性能，在礦井地面安裝了兩臺(tái)變頻風(fēng)機(jī)，其中一臺(tái)作為備用，當(dāng)一臺(tái)發(fā)生故障時(shí)，系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)切換到備用系統(tǒng)，保證風(fēng)機(jī)正常運(yùn)行安全性能提高。根據(jù)礦井用風(fēng)需要，可調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)不同轉(zhuǎn)速，使風(fēng)機(jī)工作點(diǎn)高效運(yùn)行，降低風(fēng)機(jī)能耗。

由圖3 可知，當(dāng)風(fēng)機(jī)最高轉(zhuǎn)速為764 r/min 時(shí)，排風(fēng)量是370 m3/min，運(yùn)行效率僅有60%。此時(shí)運(yùn)行效率低，經(jīng)濟(jì)效益差。要想將運(yùn)行效率提升至80%以上，就要采用PLC 變頻調(diào)速系統(tǒng)調(diào)節(jié)至最佳工況點(diǎn)。圖3-1 中M1點(diǎn)的運(yùn)行效率極低，M3點(diǎn)運(yùn)行效率很好，M2點(diǎn)運(yùn)行效率在兩點(diǎn)之間。M3點(diǎn)處轉(zhuǎn)速為450 r/min，工作頻率與風(fēng)機(jī)固有頻率接近，可能會(huì)帶來(lái)不利影響，故最佳工況點(diǎn)為M2，此時(shí)轉(zhuǎn)速為500r/min，其性能曲線為圖3-2。

圖3 通風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為764 r/min 和500 r/min 的性能曲線

當(dāng)轉(zhuǎn)速是500 r/min 時(shí)，排風(fēng)量是370 m3/min，靜壓是2 683 Pa，運(yùn)行效率是86%，葉片旋轉(zhuǎn)角是-4°?？梢?，采用智能變頻自動(dòng)調(diào)速技術(shù)，使原有普通風(fēng)機(jī)最高轉(zhuǎn)速由764 r/min 降到500 r/min，風(fēng)機(jī)運(yùn)行效率由60%提高到了86%，達(dá)到了環(huán)保節(jié)能的目標(biāo)。

煤礦采用變頻調(diào)速節(jié)能技術(shù)后，不到一年半就可收回變頻器投資，未來(lái)每年可節(jié)電200 多萬(wàn)元。使用變頻器后，在節(jié)電的同時(shí)，變頻器還能使風(fēng)機(jī)電機(jī)在起動(dòng)電流平穩(wěn)、對(duì)電網(wǎng)影響小，避免風(fēng)機(jī)起動(dòng)時(shí)對(duì)電機(jī)的損壞，延長(zhǎng)電機(jī)的使用壽命，減少了維修成本。

3 結(jié)論

對(duì)傳統(tǒng)的通風(fēng)機(jī)調(diào)速改變風(fēng)量技術(shù)進(jìn)行了對(duì)比研究，將PLC 控制變頻調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算分析，并在實(shí)際生產(chǎn)中進(jìn)行了驗(yàn)證，研究后得到以下結(jié)論：

1）手動(dòng)調(diào)速效率低下、能耗又高，經(jīng)濟(jì)效益差，因此本文采用通風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)提升運(yùn)行效率降低能耗。當(dāng)選擇風(fēng)量由最大逐漸減小，速度也就隨之減小。風(fēng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)軸功率按照轉(zhuǎn)速的三次方降低，使變頻節(jié)能通風(fēng)機(jī)組調(diào)速器得到有效控制，實(shí)現(xiàn)新型節(jié)能高效通風(fēng)機(jī)組目的, 減少采用變頻節(jié)能通風(fēng)機(jī)組的電氣能耗。

2）變頻通風(fēng)機(jī)最佳速度變頻高速工礦點(diǎn)為其最大轉(zhuǎn)速為該數(shù)值為500 r/min，風(fēng)量是370 m3/min，最大旋轉(zhuǎn)靜壓684 Pa，葉片最大旋轉(zhuǎn)提升角度-4°，運(yùn)行時(shí)節(jié)能提升效率由60%提高到86%。

3）對(duì)變頻調(diào)速技術(shù)的節(jié)能性進(jìn)行了測(cè)試，分別對(duì)節(jié)點(diǎn)數(shù)量、節(jié)能率、經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保效益進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，變頻調(diào)速技術(shù)節(jié)能效果明顯，降低了生產(chǎn)成本，提高了經(jīng)濟(jì)效益。

4）通過(guò)PLC 和變頻器為實(shí)現(xiàn)通風(fēng)機(jī)實(shí)時(shí)通風(fēng)量的自動(dòng)化變頻調(diào)速控制，在實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制需求的同時(shí)達(dá)到節(jié)能的目的。