離心式通風機變頻技術在煤礦的應用實踐

閆彩虹

(西山煤電股份公司 鎮城底礦，山西 古交 030203)

現階段，高壓變頻技術已經成功應用于國內外各個行業，并在西山煤電集團公司得到了廣泛的推廣和使用，通過采用變頻技術可以為用戶提供完善的高壓(異步、同步)交流電動機軟啟動、調速、節能和智能控制解決方案。

眾所周知，煤礦通風系統是礦井生產系統的重要組成部分，對保證礦井安全生產發揮著關鍵的作用。通過對風機特性的分析可知，提高風機的運行效率可采用兩個手段:一是礦井斷面適應風機，通過整修井下巷道，擴大斷面，減少管網阻力來實現。由于井下地質條件復雜多變，巷道整修實踐證明，管網阻力難以降到理想要求。二是風機適應礦井斷面，通過改變風機風葉角度或調整風機轉速的方式主動與礦井風阻系數相匹配，在滿足生產需求的前提下，使風機運行在最高效區。

西山煤電股份公司鎮城底礦西風井采用的是G4－73型離心式通風機，配置電機功率400 kW。通風容易時期的風量:4 444 m3/min，通風阻力:1 822 Pa;通風困難時期的風量:5 108 m3/min，通風阻力:2 451 Pa，主要依靠的是調節風門的開合程度來進行風量的調節，而風機轉速無法調節，只能在工頻(50 Hz)下運行。在通風容易時期，由于井下需風量不是很大，高轉速和大功率的運行造成風機振動和噪聲非常大，設備磨損嚴重，同時耗能量也非常大，電機實際運行功率350 kW 左右，實際輸出的功率只有約200 kW，浪費了很多電能，功率因數也較低。人工調節內門的開度，不但強度大，而且風量不易控制，同時采用的繞線式電機是通過串級調速起動，起動不平穩，故障較多，多數情況下采用的是直接起動，對電網的沖擊較大，降低了電網的運行質量，一旦電機的保護功能不齊全，會對電機造成嚴重損壞，該礦曾更換過兩次電機。因此，在2010年初，該礦提出了在對西風井電控系統改造的基礎上，再對通風機進行變頻改造，利用變頻技術調整風機運行到最高效率區，通過改變供電頻率調節電機和風機的轉速，實現變頻軟起動，實現風壓、風量的調節。同時最大限度地達到節能降耗及延長設備使用壽命的目的。

1 技術方案

由于該礦西風井通風系統運行方式為一運一備，雙回路設備對稱。因此，采用了兩套高壓變頻系統:高壓變頻器型號:HIVERT－ Y06/048，容量:500 kVA，輸入電壓等級6 kV，輸出電壓等級(可調頻)6 kV，輸出頻率:0～50 Hz。配置手動旁路柜兩套:型號XGNP01－7.2。可方便地實行變頻和工頻運行的切換。雙路供電電源和兩臺電機可進行切換。系統變頻運行為主，工頻運行作為備用，增加了系統的安全冗余系數。供電系統示意圖見圖1。

圖1 供電系統示意圖

由圖1 可知，該礦采用的是手動旁路系統方案，在旁路柜中K1、K2、K3 是3 個隔離刀閘，其中K2、K3為雙刀投的隔離刀閘。采用雙刀投的隔離刀閘的目的是實現機械互鎖，防止誤操作將工頻電源反送到變頻器輸出側而導致變頻器的損壞，其特點是兩個方向只能合其一。

1.1 運行方式

1.1.1 變頻運行

此時K1、K2 閉合狀態，K3 斷開狀態，斷路器DL合閘狀態，為變頻器供電，再通過變頻器本地或遠程起動電機實施變頻運行。

1.1.2 工頻定速運行

此時K1、K2 斷開狀態，K3 閉合狀態，斷路器DL合閘狀態，直接啟動電機定速運行。

1.2 維護、檢修方式

K1、K2 斷開狀態，使變頻器和高壓電源完全隔離，保證檢修人員的安全。同時，因旁路柜和上一級高壓斷路器DL 具有閉鎖關系，在旁路柜隔離開關未合到位時，斷路器DL 合不上閘，在斷路器DL 合閘時，絕對不允許進行隔離開關的操作，以防止因拉弧對操作人員和設備造成安全影響。通過操作手柄上的電磁鎖實現隔離開關與斷路器DL的閉鎖，在斷路器DL 合閘狀態下，操作手柄被鎖死。

1.3 控制方式

1.3.1 本地控制

在變頻器的操作界面上完成對電機的起、停控制，并可完成對變頻器的設置等所有控制。

1.3.2 遠程控制

來自現場的開關量控制可通過I/O 接口板接受。

1.3.3 上位控制

通過采用MODBUS 通訊協議，變頻器接收上位DCS 系統的控制。

2 優點

2.1 軟啟動

變頻器具有軟啟動功能，保證電機平穩啟動，連續可調。

2.2 輸入功率因數高

無需功率因數補償裝置，降低供電容量。

2.3 適應電壓范圍較寬

變頻器工作電壓范圍在額定電壓的+15%～－20%，能更好地適應電壓波動較大的電網條件。

2.4 調速方式

具有本地、模擬、多檔、上位四種調速方式。

2.5 輸出諧波含量較低。

對電網的污染小，無需濾波器，可直接驅動普通電機，不會造成電機的溫度升高，從而引起電機容量的降低，電纜長度不會影響電機的正常運行，電機絕緣不受dv/dt 應力的損害，更不會因諧波力矩引起電機使用壽命的降低。

2.6 人機界面

全中文操作為用戶提供友好的人機界面，可利用上位監控而實現變頻器的網絡化調度控制，由上位機負責進行信息處理和與外部的通訊聯系。可對變頻運行數據進行計算，如電流、電壓、功率、運行頻率等運行參數，并提供表計功能，實現對電機的過載、過流進行預警、告警和保護。通訊方式主要是通過RS232 通訊口與主控板連接，通過RS485通訊口與I0 接口板連接，實時監控變頻器系統的運行、故障等狀態。

3 社會、經濟效益分析

1)在滿足井下風量和風壓要求的情況下，風機運行效率高，節能效果明顯。對比情況見表1。

表1 變頻改造前后對比情況表

2)原通風機電控系統電機多數情況下為直接起動，起動時間長，起動電流大，若電動機的各種保護功能不齊全，會對電機造成嚴重損壞，而且對電網也會造成較大的沖擊。改造后為變頻起動，對電網沒有任何沖擊，實現了變頻軟起動，避免了起動電流的沖擊。功率因數大幅提高到0.96 以上，電網質量明顯提高。

3)直接通過變頻調節風機轉速實現調節風量，無需使用調節風門開度來控制風量，變頻調節的范圍是0～100%，因此，可隨生產需要隨意調節風量。

4)風機轉速降低，軸溫、噪音、震動大幅降低，改善了工作環境;安全系數高;風機維護量減少，使用壽命延長。

4 結束語

通過改造，實現了主通風機的變頻調速，使風機始終保證在高效區運行，不僅減輕了風機的負荷，也節約了大量的電能，原風機運行效率低，在60%左右，采用高壓變頻調速裝置后，效率提高到90%以上，年節電120 萬kWh 左右，折合人民幣68.4 萬元。同時利用變頻調節，電機啟動實現了軟啟動，對電網的沖擊大大減輕。對風機葉片、電機的機械損傷也大大降低;風機噪音和振動明顯減輕，同時上位機可實現遠程操作，無人值守，對于改善職工工作環境，降低工人勞動強度等方面成效卓著。

目前，該變頻技術使用于該礦離心式通風機上，也可用于礦井軸流式(含對旋式)通風機上。目前，我國煤礦使用離心式通風機的還占大多數，特別是一些服務年限超過20年的礦井中，這些離心式主通風機大多存在能力富裕、長期低效運行的問題，調整風量主要是采用減少進風閘門開啟高度或者是改變葉片角度等方法，風機的實耗功率并未降低，造成大量電能的浪費，同時也損壞風機。通過對該礦離心式通風機的變頻改造實踐，利用調頻可實現通風機的調速運行，因此，可根據需要方便地改變風機運行工況點，有效地提高了主通風機的運行效率，運行穩定性和自動化程度有了進一步的提高，節能效果顯著。而且將單元裝置的IGBT 等功率元件增大后，最大可適應4 000kW的主通風機。