節(jié)能監(jiān)控系統(tǒng)在煤礦風機上的應用

周繼松

摘 要：我國煤礦的風機主要是防爆軸流礦用大型主扇通風機，功率大，耗電多，其控制方式多為現(xiàn)場人工起停控制，人工觀察運行狀況，特別是煤礦下面通道的風量風壓等參數(shù)的監(jiān)測許多用戶還是現(xiàn)場人工監(jiān)測，地面控制室不能實時監(jiān)控。文章通過實例說明節(jié)能監(jiān)控系統(tǒng)的原理、優(yōu)點、實際應用及產生的經濟和社會效益，并推廣應用。

關鍵詞：煤礦風機；監(jiān)控系統(tǒng)；節(jié)能

1 概述

我國煤礦的風機主要是防爆軸流礦用大型主扇通風機，功率大，在工程設計時出于安全考慮，以及根據反風及開采后期風量加大等運行工況，所設計的通風量及拖動的電動機的功率，通常遠大于煤礦正常生產所需的運行功率，即選用過大的安全裕量，耗電多，其耗電量通常占企業(yè)用電量的17%左右。其控制方式多為現(xiàn)場人工起停控制，人工觀察運行狀況，特別是煤礦下面通道的風量風壓等參數(shù)的監(jiān)測大多還是現(xiàn)場人工監(jiān)測，地面控制室不能實時監(jiān)控，因此在節(jié)能的同時推廣采用監(jiān)控系統(tǒng)，可以完美解決這些問題，實現(xiàn)控制自動化，同時產生巨大的經濟效益。

2 煤礦風機的節(jié)能原理

風機在管路特性曲線工作時，所需的功率正比于壓力與流量的乘積。由于工藝要求需減小風量，實際上通過增加管網管阻，使風機的工作點移動，風壓增大。這種調節(jié)方式控制雖然簡單、但功率消耗大，不利于節(jié)能，是以高運行成本換取簡單控制方式。此類風機電機耗電功率與其轉速的三次方成正比（即與電源頻率的三次方成正比）。因此，改變其轉速就可改變耗電量。若采用變頻調速，風機轉速由n1下降到n2，流量和壓力下降很少，而功率降低很多，非常明顯。

3 節(jié)能監(jiān)控系統(tǒng)在煤礦風機上應用的優(yōu)點

（1）節(jié)約大量電能，一般節(jié)電率20-40%左右。（2）由于節(jié)約大量電能，因此減少了CO2的排放量，減緩地球的溫室效應，為保護環(huán)境做出應有的貢獻。（3）由于節(jié)約大量電能，為企業(yè)降低了運營成本，增強了企業(yè)的競爭力。（4）設備的自動化程度提高，實現(xiàn)軟起動，軟停止，沒有電流和機械沖擊，減少磨損，降低電流，延長設備的使用壽命。（5）采用監(jiān)控系統(tǒng)，風機運行的各項參數(shù)，比如：井下通道內的風量和風壓及風向，風機運行時的電流和電壓及運轉方向，風機上各個軸承的溫度等，都可在中央控制室實時監(jiān)控，為安全生產提供有力保障。

4 結合實例闡述節(jié)能監(jiān)控系統(tǒng)在煤礦風機上的應用

4.1 該礦煤礦風機的基本情況

山西長治雄山礦其中一個礦區(qū)的煤礦風機，采用的是防爆軸流礦用BDK系列大型主扇通風機，共兩組（每組兩臺電機，一用一備），功率為132KW*2臺和75KW*2臺，電壓為660V，原來是自藕降壓起動。根據實際需要，有時開兩組，有時開一組。由于四季的交替，冷熱的變化，以及開采的不斷延伸和其它情況所帶來的變化，所需的風量也將不斷調節(jié)。但煤礦原根據反風及開采后期運行工況所設計的通風及拖動的電動機的功率，遠大于煤礦正常生產所需的運行功率。針對礦井實際的風量需求，采用調節(jié)垂直風門開啟度實現(xiàn)風量調整，造成能源浪費。另外，該礦區(qū)風機的運行為現(xiàn)場人工起停控制，人工觀察運行狀況，風量風壓等參數(shù)的監(jiān)測還是現(xiàn)場人工監(jiān)測。

4.2 該礦煤礦風機進行節(jié)能監(jiān)控改造的框圖

4.3 1#風機節(jié)能控制柜介紹

4.3.1 具有節(jié)電市電轉換功能：因為煤礦風機能否正常運行直接關系到煤礦的安全生產。然而任何設備都會可能出現(xiàn)故障，所以要求在節(jié)電出現(xiàn)故障時能夠快速切換到市電運行。在這里，我們采用兩種方式進行節(jié)電和市電的轉換。

4.3.2 就地正向起停和反向起停功能。

4.3.3 就地加速和減速功能，方便現(xiàn)場調速。

4.3.4 與PLC柜的各種接口：采用無源干接點隔離信號，包括去PLC柜的運行狀態(tài)信號（電源、節(jié)電、市電、故障、運行、停止等），以及接收來自PLC柜的信號（遠程起動、停止、復位、加速、減速、正反向等）。

4.3.5 去原控制柜的連鎖信號，保證在正確選擇運行方式（節(jié)電或市電及遠程或近控）后才能起動風機。

4.3.6 去2#風機節(jié)能控制柜的連鎖信號：根據該礦區(qū)的實際情況，在原工程設計時要求，如果兩組風機都開必須同時加速或減速。

4.3.7 控制電源的轉換：將AC660V轉換為AC220V。

4.3.8 變頻節(jié)能單元的選擇：選擇AC660V級別的，同時配有相應的輸出電抗器。

4.4 2#風機節(jié)能控制柜介紹

2#風機節(jié)能控制柜控制75KW風機，其主要功能與1#風機節(jié)能控制柜基本相同。不同的是，在與1#風機節(jié)能控制柜進行連鎖時，為了同步，它只接收來自1#柜的連鎖信號（加速或減速）。

4.5 PLC控制柜介紹

關于PLC控制柜，我們選用西門子PLC，其中包括：1個主模塊和3個擴展模塊。

其輸入信號包括：1#柜的運行信號、停止信號、節(jié)電信號、故障信號、給定轉速信號、實際轉速信號，2#柜的運行信號、停止信號、節(jié)電信號、故障信號、給定轉速信號、實際轉速信號，風量傳感器信號，風速傳感器信號，正壓傳感器信號，負壓傳感器信號，各類溫度傳感器信號等。

其輸出信號包括：起動信號、停止信號、正向信號、反向信號、加速信號、減速信號、復位信號等。

另外，根據用戶的實際情況，為了供電的可靠性和減少干擾，我們沒有選擇由AC660V變換來的AC220V電源，而是選擇單獨的另外一路AC220V電源作為PLC柜的供電電源。

4.6 主要傳感器介紹及選擇要求

主要傳感器包括：風量傳感器信號，風速傳感器信號，正壓傳感器信號，負壓傳感器信號，溫度傳感器信號等。其中溫度傳感器包括：監(jiān)測風機的各個軸承的溫度傳感器8個，井下通風道內的溫度傳感器2個。

在選擇各類傳感器時，必須選用符合煤礦安全要求的防爆型傳感器，且質量必須可靠。

4.7 監(jiān)控系統(tǒng)介紹

4.7.1 硬件選擇：該項目的監(jiān)控系統(tǒng)使用的工控機為研華610工控機，同時配備研華ADAM4520轉換接口。

4.7.2 監(jiān)控軟件：選擇北京昆侖軟件，64點。

4.7.3 通訊方式：通訊距離大約800米，選擇485串口通信方式。

4.7.4 監(jiān)控界面設置：

顯示界面：顯示風機運行狀態(tài)（電源、節(jié)電、市電、故障、運行、給定轉速、實際轉速、風量、風速、正壓、負壓、各類溫度等。）

控制界面：遠程起動、停止、復位、加速、減速、正向、反向等按鈕）。

文檔界面：包括各項監(jiān)控數(shù)據的歷史記錄等。

5 節(jié)能監(jiān)控系統(tǒng)在煤礦風機上的應用成果及推廣

該節(jié)能監(jiān)控系統(tǒng)在安裝調試正常運行后，設備的自動化程度得到提高，減輕了工人的勞動強度，加強了煤礦的安全生產，同時節(jié)約大量電能。客戶自己通過電表對132KW風機的市電及節(jié)電運行的實際用電檢測，平均節(jié)電率為30%，每年為國家節(jié)約標準煤大約100噸（3000 kwh =1噸標準煤）。因此建議煤礦行業(yè)或者其它行業(yè)對還沒有改造的風機用戶進行推廣，從而產生更大的經濟效益和社會效益。

參考文獻

[1]吳民強.泵與風機節(jié)能技術問答[M].北京：中國電力出版社，1998.