煤礦對旋主扇風機調速節能的改造

王志堅

（山西大土河能源科技有限公司，山西 呂梁 033000）

引言

煤炭作為我國的主要能源，工業重要性一直穩居前列，然而隨著市場超產能現象日趨嚴重，由來已久能耗問題也引起了相關單位的重視，如何實現節能達產成為眾多煤企的共性目標。

生產初期，主扇風機的選型配置均有較大的余量，尤其是現有高壓主扇風機通常在工頻運行時，均只能以電機負荷運行工況段工作，而不能隨著井下需風量的變化而變化，此時，調節風量只有通過控制風門蝶閥縫隙大小、調整主扇葉片角度等來控制風量，以便達到適合井下生產的風量。這種情況會造成主扇運行時，主扇運行阻力增大，效率只能達到正常運行的若干分之一，并伴隨有大量電能的消耗，按日常機電部門相關統計，主扇風機的電費占生產用電費的25%左右［1］。

1 設備調節簡述

常規的礦用主扇分主、備2臺，一般為每個月倒換一次，在調節風量時，通常采取3種手段：

1）通過電控閥控制風門蝶閥縫隙的大小來控制風量的大小，投產初期，需要風量較小時，將風門蝶閥打開一半或更小部分，降低風量。

2）按主扇葉片軸上標的固定刻度調整主扇葉片角度，需要風量較大時，將主扇葉片旋轉到數字較大的刻度處；需要風量較小時，將主扇葉片轉至相反刻度處，這樣做的缺點是，主扇電機的能耗大大增加，反而起不到相應能耗所做功帶來的效益。

3）配有變頻電機的主扇，可采用調整電機運行頻率控制電機的速度，需要多少風量，按頻率進行相應的調整，從而滿足礦井的供風量，也可以實現節能降耗的目的。

礦用主扇風機變頻器控制方式一般是通過硬接線和用戶的DCS（或PLC）系統進行數據傳輸和信息處理。主扇作業司機可以按照通風部門技術人員測定的需風量，通過調整DCS組態王操作界面對主扇電機頻率進行相應的調整，從而調整主扇電機的轉速，達到礦井生產所需的風量，以滿足生產所需。

2 礦用對旋主扇風機工頻運行時存在的問題

目前，煤礦使用的主扇風機系統，按井下生產需風量進行風量調節時，一種是通過電控閥控制風門蝶閥縫隙的大小來控制風量的大小；另一種是按主扇葉片軸上標的固定刻度調整主扇葉片角度，來調整風量的大小。

從礦用主扇風機在初步設計時選型參數配置和井下實際生產時所需的實際風量可以看出，主扇風機工頻勻速作業時會有以下幾個方面的缺陷：

1）電能的嚴重浪費。按照當前煤礦整合后的煤企年產能均在90萬t以上，生產年限均在30年左右，而煤礦在剛投產時到達到設計產能均需10年左右的時間，而煤礦用主扇風機在按初步設計選型配置時，均比設計生產能力要高5%的余量，因此，在生產初期產量達不到生產設計能力時，礦用主扇的功能余量相當大，在10年左右的時間內，礦用主扇風機均處在較輕負載下運行。再加上井下所需風量需調整時，主扇風機通常會通過控制主扇風門蝶閥大小來實現控制風量，這樣就會造成電能的極大浪費，從而增加了電費消耗成本。

2）啟動困難，機械損傷嚴重。礦用主扇風機目前大部分采用的是高壓電控柜直接點動式啟動運行。啟動前，需關閉運行主扇電機，葉輪剎車，關閉風門蝶閥，打開啟運側主扇蝶閥，再點動式啟動運行主扇，由此可見，啟動程序較多，啟動時間均在5～10min之間，這種硬啟動對電機的損傷較重，啟動時電流一般達到運行電流的5～8倍，每啟動一次，都會對電機的絕緣造成不同程度的損傷。每個月倒切換主扇時，若當月對電機保養不到位時，有可能會燒壞電機。主扇風機的電機在對旋啟動運轉時會產生頻率較高的軸向X側振動和軸向Y側振動，這種高頻率的振動很容易對主扇風機其他部件產生共性振動，從而直接降低主扇風機的使用期限［2］。

3）自動化程度低。現大多數礦用主扇風機仍延用舊式礦用主扇風機，該類型主扇風機的的風量調節或依靠調節風門蝶閥，或改變葉片角度，這類風機自動化程度普遍較低，在使用過程中，機械故障較多，且維修保養工序復雜，部分關鍵部位存在保養死角，無法人工保養到位，諸如此類的問題會直接導致主扇運行時出現緊急停機故障，耽誤生產。

3 礦用對旋主扇風機變頻運行時的優點

1）維護量減少。礦用主扇風機在選用變頻控制系統后，可隨時根據礦井井下采掘工作面的掘進進度所需風量，通過變頻柜控制電機頻率降低或升高電機轉速，以保證主扇風機在額定工況下工作。電機的轉速降低后，相應的共性振動會降低，從而減少對主扇配件的機械性損傷，一方面延長了主扇風機的附件、配件的使用期限，另一方面，合適的井下風量不僅降低了不必要的能耗浪費，也適應了煤企經營困難時期亟待解決的節能增效目的。

2）工作強度降低。采用變頻調速的礦用主扇風機，其電控系統除高壓系統外，控制系統均采用PLC終端計算機進行信息聯鎖控制，主扇和備扇之間通過多種傳感器進行保護，主扇運行過程中，一旦有隱患故障，傳感器通過監控線傳給PLC終端計算機，PLC經過信息轉換，將故障畫面顯示在計算機桌面上，形成報警點提醒主扇作業司機進行故障匯報或處理。這與以前的人為查隱患、除故障作業方式相比，節省了大量的人工勞動，安全系數更高［3］。

3）減少了對電網的沖擊。礦用主扇在變頻調速系統的應用過程當中，全程均為軟啟動作業模式，高壓電機從啟動瞬間到運行穩定，電流均不會有大的波動，運行電流是從小到大按頻率逐步增高至電機所需轉速。

4 節能降耗對比

現場工況及負載技術數據，見表1。

表1 主扇風機運行參數

1）以表1煤礦主扇風機為例：井下生產的需風量通常是按生產采掘作業面需配風量來調整礦用主扇的送風量，當通風系統負責人確定風量大小后，需對主扇風機電機功率進行計算，公式如下：

式中：N為實際所需風量匹配的兩臺電機總功率，kW；Pst為礦井最困難時期總阻力，Pa；Q為礦井最困難時期總風量，m3／s；ηst為按Pst、Q參數查本樣本的實際運行工況效率；K為功率貯備系數，一般取K＝1.1～1.15。

根據以上公式計算出總功率N，按2臺對旋電機均值N／2，以主扇運行曲線圖為依據，再按照N1＋N2≥N計算出對旋風機的額定功率。

2）工頻運行的主扇風機電能、電費計算。

電機耗電功率計算公式：

累計年耗電量公式：

式中：Pd為電動機功率；Cd為年耗電量值；U為電動機輸入電壓；I為電動機輸入電流；cos為功率因子；T為年運行時間；δ為單臺電機啟運時間百分比。

按照公式（1）、（2）的算法，就能算出工頻運行時單臺電機的年耗電量、電費。

3）變頻狀態下的年耗電量計算。

對于風機負載，變頻狀態下的計算如下：

電機耗電功率計算公式：

累計年耗電量公式：

由軸功率：

式中：Pd為電動機軸功率；P′為風機軸功率；Q為風機出口流量，H為風機出、入口壓力差；λ為管網特性系數。

將礦用主扇風機的參數代入公式，計算出λ。

按照井下需風量的不同，將不同風量需求下的λ、壓力、流量值分別代入公式，計算求出P′軸功率。

對主扇風機的電動機效率ηd和變頻器的效率ηb進行詳細評估計算后，用查圖表法算出如下結論，見表2。

表2 電動機效率值與變頻器效率值 %

則網側消耗功率：

累計年耗電量公式：

按照上述公式，將相應參數值套入公式，算出變頻工況時，單臺電機運行時的耗電情況和電費情況，見表3。

表3 單臺電機運行的耗電量和電費表

4）節能計算。

變頻改造后，將主扇相應參數套入上述公式，算出單臺電機運行時變頻改造后與工頻相比每年的能耗現狀，見表4。

表4 變頻改造后的能耗量

由于現場為一組對旋風機的兩臺電機同時運行，因此改造變頻后整個系統的年節電費為196 323×2＝392 645元。

5 結語

現如今，追求內部成本管理已成為各大煤企的核心任務，而礦用主扇作為主要高耗能設備之一，挖掘其經濟效益有相當大的空間，礦用主扇風機進行變頻改造是有效的節能增效手段之一。

［1］ 廖名鋒.大型風機的高壓變頻調速系統的選型及其應用［J］.變頻器世界，2011（1）：25－26.

［2］ 張皓，續明進，楊梅.高壓大功率交流變頻調速技術［M］.北京：機械工業出版社，2006.

［3］ 竺偉，陳伯時.高壓變頻調速技術［J］.電工技術，1999（3）：30－31.