礦井壓風機節(jié)能運行研究

高希睿

（山西汾西宜興煤業(yè)有限責任公司， 山西 孝義 032300）

引言

在礦井生產(chǎn)作業(yè)中，壓風機與通風機的能耗占據(jù)礦井能耗總量的三成以上，其中壓風機能耗大的原因在于恒轉(zhuǎn)速運行。雖然借助電機節(jié)電裝置和變頻技術能夠一定程度上實現(xiàn)節(jié)能，但由于壓風機所使用交流異步電機存在啟動性不佳、調(diào)速效率低、能耗大等缺點，節(jié)能效果相對有限。因此，有必要進一步針對壓風機的節(jié)能控制開展分析探究，使其能耗得到降低。

1 傳統(tǒng)控制方法節(jié)能分析

常規(guī)壓風機采用交流異步電動機進行驅(qū)動，其調(diào)控方式主要有間歇啟停、閥門調(diào)節(jié)及溢流調(diào)節(jié)等形式。假設礦井活塞式空壓機選用132 kW異步電機進行驅(qū)動,則電機啟動的控制方式為先關閉進氣閥門，然后開啟放氣閥門，借助星三角降壓啟動的方式啟動電機，待電機達到額定轉(zhuǎn)速后，閉合放氣閥門并開啟進氣閥門，隨后壓縮機啟動工作。將溢流閥上限設定為0.5 MPa，則即使生產(chǎn)用氣量和空氣壓力持續(xù)變化，但只要超過設定的上限值，則溢流閥可始終保持溢流，電動機維持額定壓力與轉(zhuǎn)速運行[1]。

運行時按照預定程序依次對各個儀表進行檢測，并結合現(xiàn)場壓力值，對各閥門和電機運行進行手動調(diào)節(jié)。通過手動調(diào)節(jié)的方式，壓風機進行卸荷運行時不會生成壓縮氣體，電機保持空載運行。圖1所示即為卸荷空載運行時的監(jiān)測示意圖，三相電流峰值為82 A，有功功率最大值為25 kW，單位時間（1 min）耗電量為 0.34 kW·h。

圖1 卸荷空載運行時能耗監(jiān)測示意圖

采用手動方式對電機啟動進行控制，則壓風機供氣量無法實現(xiàn)持續(xù)的動態(tài)調(diào)控。當井下用氣量出現(xiàn)頻繁變化時，高頻操作可能造成失誤的發(fā)生，從而使設備受損。此外，依靠手動調(diào)控的方式啟停壓風機，容易對電網(wǎng)和空壓機造成較大的沖擊。圖2所示即為星三角降壓啟動監(jiān)測示意圖，降壓啟動的三相電流最大值為400 A，是設備運行額定電流的2倍。

圖2 星三角降壓啟動時能耗監(jiān)測示意圖

采用交流異步電機進行驅(qū)動的壓風機，進氣閥門開啟程度一般控制在1/3～2/3范圍內(nèi)。下頁圖3所示進氣閥門開啟1/3時的能耗監(jiān)測示意圖，有圖片可知，三相電流最大值可達170 A，有功功率最大值為98 kW，單位時間（1 min）耗電量為0.16 kW·h。

2 開關磁阻電機節(jié)能運行分析

基于壓縮機與開關磁阻電機運行原理，可獲得下述關系式：

圖3 進氣閥門開啟1/3時能耗監(jiān)測示意圖

式中：V 為排量，m3；qt為單位時間風流流量，m3/min；pt為 t時瞬時壓力，Pa；nt為 t時瞬時轉(zhuǎn)速，r/min；Mt為 t時瞬時轉(zhuǎn)矩，N·m；it為 t時瞬時電流，A；Kt為 t時瞬時力矩系數(shù)；Pt為t時瞬時輸入功率，kW；η為系統(tǒng)運行效率[2]。

分析式（1）（2）（3）（4）可知，壓風機風量 qt同轉(zhuǎn)速nt存在正比例關聯(lián)，通過調(diào)控轉(zhuǎn)速便能夠?qū)崿F(xiàn)對風量的調(diào)控；壓風機風壓pt同轉(zhuǎn)矩Mt及電流it的平方之間存在正比例關聯(lián)，通過調(diào)控電流it的斬波值便能實現(xiàn)對風壓pt的調(diào)控；電機輸入功率Pt同轉(zhuǎn)速nt和風壓pt的乘積存在正比例關聯(lián)，若風壓保持穩(wěn)定，則通過調(diào)節(jié)輸入功率便能實現(xiàn)對轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。

對轉(zhuǎn)速nt和風壓pt數(shù)值進行實時監(jiān)測，并依照上述公式對壓風機電機轉(zhuǎn)速和作業(yè)電流進行實時數(shù)字化調(diào)控，從而實現(xiàn)對壓風機運行風壓與風量的實時數(shù)字化調(diào)控，最大化規(guī)避多余能量的不必要損失，從而確保節(jié)能控制效果的最佳化[3]。

圖4所示即為可完成上述控制目標的磁阻開關電機及配套控制系統(tǒng)結構示意圖。將壓力表同電動機控制端的模擬量輸入模塊相連，通過光電隔離的方式實現(xiàn)角位移同可編程邏輯器的相連，同時借助軟件轉(zhuǎn)化相關數(shù)據(jù)，控制轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)壓風機風量和風壓的全封閉反饋調(diào)控。其中轉(zhuǎn)速的調(diào)控是SRD控制裝置借由IGBT驅(qū)動控制電路的導通，對電流斬波值的開閉進行調(diào)控而實現(xiàn)。

3 壓風機節(jié)能運行監(jiān)測分析

壓風機在開關磁阻電機的驅(qū)使下將進氣閥門開至最大，使用數(shù)字壓力表對運行壓力值進行監(jiān)測并實時反饋至控制中心。調(diào)高溢流閥壓力，當壓力值高于設定值時，電機電流數(shù)值降低，促使壓力保持穩(wěn)定，不發(fā)生溢流現(xiàn)象，從而避免閥門調(diào)節(jié)的情況下保證壓風機持續(xù)保持節(jié)能作業(yè)。

圖4 磁阻開關電機及配套控制系統(tǒng)結構示意圖

壓風機啟動時，開關磁阻電機帶載啟動，開展調(diào)速運行。選用數(shù)字功率計進行監(jiān)測，20 s實現(xiàn)帶載啟動，轉(zhuǎn)速由0增加至1 000 r/min。其中轉(zhuǎn)速為350 r/min時，三相電流峰值為153 A，有功功率最大值為 90 kW，單位時間（1 min）耗電量為 0.54 kW·h，如圖5所示；當轉(zhuǎn)速介于500～630 r/min加速運行階段時，三相電流峰值自100 A迅速提升至116 A，有功功率最大值自45 kW迅速提升至58 kW，單位時間（1 min）耗電量為0.88 kW·h，如圖6所示；當轉(zhuǎn)速介于820～930 r/min加速運行階段時，三相電流峰值自146 A迅速提升至165 A，有功功率最大值自75 kW迅速提升至89 kW，單位時間（1min）耗電量為0.136 kW·h，如下頁圖7所示，功率消耗同公式（3）相符[4-5]。

通過圖5—圖7的電能波形分析可知，使用開關磁阻電機調(diào)速運轉(zhuǎn)時，低俗運行階段，電機能耗出現(xiàn)顯著下降。對比分析開關磁阻電機使用前后，壓風機能耗數(shù)據(jù)可知相較于異步交流電機，可節(jié)能50%以上[6]。

圖5 壓風機350 r/min時能耗監(jiān)測示意圖

圖6 壓風機500～630 r/min時能耗監(jiān)測示意圖

圖7 壓風機820～930 r/min時能耗監(jiān)測示意圖

4 結語

常規(guī)壓風機電機運行時由于時刻保持恒速運行會造成嚴重的能量浪費現(xiàn)象。開關磁阻電機及配套控制系統(tǒng)能夠基于壓風機風量、風壓同其轉(zhuǎn)速、電流間的關聯(lián)性，對壓風機的運行進行數(shù)字化調(diào)控，從而最大化規(guī)避能量損失，充分節(jié)約能耗。