礦井主要通風機在線監控系統的優化設計

魏守仁

（大同煤礦集團華盛萬杰煤業有限公司， 山西 河津 043300）

引言

在生產過程中，礦井主要通風機在線監控系統會受到很多因素的影響，這些影響因素都會給數據的采集帶來誤差[1]。其主要問題有：在冬天由于溫度的降低會造成管路的冰凍阻塞，這妨礙了在線監控系統壓力信號的傳遞；引壓管路上的開孔位置出現偏差也會引起井下風壓和風量的變化，使數據不準確；同時變頻器產生的諧波會對電源有一定程度的影響，妨礙電源信號的傳遞以及準確性；同時由于某些地方螺栓未擰緊等，還會使信號中斷。因此，需要對礦井主要通風在線監控系統進行優化設計。

1 防凍設計

由于氣候原因，煤礦井下的溫濕度在各個季節會有所不同。在冬季時，由于地面溫度低，井下的溫度要比井上的溫度高，濕度也是如此。因此當井下風流從出風井排到地表時，因為地表溫度比井下溫度低，所以風流中的水蒸氣會發生液化，產生許多小液滴，當地表溫度低于水的結冰點0℃時，水蒸氣不會出現液化，而是直接凝固，開始結冰。在先前監測風壓時，通常是將測量風壓的壓力傳感器放置在監控室里，而由于測量風壓的取樣點與監控室存在一定距離，因此一般會在它們之間設置有一段引壓管，并和電纜一起鋪設在地溝里，由于這個地溝的存在，整段引壓管的位置并不是完全處于同一水平面上，它的中間位置比較低，而兩端比較高。當含有較多水分的井下空氣被抽出時，一旦經過該引壓管的中間位置，水蒸氣就會遇冷發生凍結，從而阻塞引壓管，使井下空氣無法抽出，監控系統不能對風壓進行測量[2-3]。

為了解決該問題，設計了一種風壓接線盒，以防止引壓管發生阻塞，其結構如圖1所示。該風壓接線盒使用電信號進行傳輸，摒棄了使用壓力進行遠距離傳輸的方法，減少了引壓管的輸送長度，使整段引壓管都處于同一水平面上，不會再出現中間低的情況，使風壓信號可以穩定地進行傳遞。即使在實際應用中，由于其他原因導致了引壓管發生冰凍，也比較容易排查故障原因，并對故障采取解決措施。其風壓接線盒的具體安裝位置和連接方式為：在安裝該接線盒時，應在風機外殼附近找一個方便位置進行安裝，可以將其懸掛，也可以直接固定在安裝點[4]。安裝好接線盒后，應將引壓管的一端連接在接線盒的引壓管孔上，而另一端則連接在壓力傳感器上，此時壓力傳感器將電信號輸出到端子排，并通過電纜和集控室的機柜相連接。

圖1 接線盒機構示意圖

接線盒很好地對引壓管進行了防凍設計，防止了引壓管的冰凍阻塞，同時該接線盒還起到了一個中轉站的作用，將各種信號連接到了控制柜上。這樣可以將多種輸送信號的電纜線進行集中管理，改善了由于采樣點較多，且分布復雜而造成的電纜線難管理的情況。而且一旦出現問題，也方便維修工人進行系統調試和故障檢查。

2 一鍵倒機設計

在井下通風機以及配套的電機等出現問題的情況下，不應該使井下風機以及電機繼續工作，而應該進行倒機操作，但是在倒機時，步驟較多且操作較難，同時必須遵守相關規定，按照一定的次序來操作，操作次序如圖2所示。

圖2 礦井主要通風機倒機順序示意圖

圖2-1和圖2-2分別顯示的是軸流式風機和離心式風機的倒機順序。對于軸流式風機倒機來說，正確的倒機順序應該是，1號風機先關閉，然后1號風門再關閉，接下來2號風機關閉，最后2號風門關閉。一旦1號風機與1號風門的關閉順序顛倒時，整個井下通風系統的通風阻力會瞬間增加，在短時間內對軸流式風機造成較大的影響，嚴重時會燒毀電機。而當2號風機與2號風門的開啟順序也發生顛倒時，也會造成類似問題的出現。而對于離心式風機來說，如果2號風門先開啟，然后2號風機再開啟，則會使風機在啟動時的載荷過大，此時要想開啟電機，則需要較大的電流來進行啟動，而這會對電網造成極大的破壞。

由于以上操作程序的復雜性，一旦操作人員不熟悉該流程時，很容易就造成了操作程序混亂的情況，從而影響風機和電機等設備的使用，因此有必要對這一操作進行簡化。故從實際應用出發，編寫了“一鍵倒機”的程序。在操作時工作人員只需按一個按鈕即可，該程序就會自動執行所有的操作步驟，并將操作的進度實時反映在操作界面上。

3 變頻器控制及濾波設計

3.1 變頻器節能原理

變頻器電機的轉速與電機的頻率和極對數有關，其對應關系如公式（1）所示：

式中：n0為電機的轉速；f0為電流的頻率；而p為電機的極對數，由電機本身所決定的。

公式（2）和公式（3）則表示了風機的比例關系，如下所示：

式中：Qvp、np以及Pvp分別表示原型的流量、轉速和功率；而Qvm、nm以及Pvm分別表示模型的流量、轉速和功率。

由以上公式可得，電機的流量與電流的頻率成正比例關系，而風機損耗的功率則與電流的三次方成正比例關系，因此在井下風量充足的情況下，對變頻器進行調節可以很好地節約能源。

3.2 變頻器控制設計

由于目前礦井主要通風機在進行調速時都采用變頻系統進行調速，因此在原有的系統上，對變頻器增加了一個監測與控制系統，如圖3所示。

圖3 變頻器監控系統圖

在該監測與控制系統中，可以實現不同的功能，例如：變頻器的相關參數（電壓、電流、功率等）會實時顯示在控制界面上，便于工作人員對其進行監測，而且相關數據會同時以曲線和表格兩種方式呈現，直觀明了，而且一旦一些重要參數值超過了正常值的范圍，該監測與控制系統還可以進行報警，以便工作人員及時發現問題。該監控界面還可以進行一些遠程遙控，完成對變頻器的開關等動作，除此之外，該監測與控制系統還可以保存一些重要參數，以便出現故障時，可以詳細地對故障原因進行分析，同時還可以對變頻器的工作狀態進行優化改進。

3.3 抗干擾設計

變頻器在改變電機工作下的電源頻率時，輸入端是通過不連續的脈沖的方法來獲得能量的，這種電流會形成脈動壓降，使電網的電壓不穩定，導致在電網上工作的其他用電設備出現問題，影響其正常使用。而輸出端輸出的則是PWM矩形電壓波，這種電壓波的極性是不變的，而且寬度各不相同，因此這種電信號會在附近的空間內發出強烈的電磁干擾，從而發生電磁感應現象，影響其正常輸出。

為解決上述問題，可以在變頻器的入口與出口端安裝LC濾波電路；或者在整個變頻器系統中采用具有屏蔽功能的信號線，將動力系統與監控系統的電源分開，避免相互干擾；或者采用抗干擾能力較強的監控模塊，如泓格系統監測模塊；或者采用復雜濾波算法對輸入輸出信號進行加工，以增強變頻器的抗干擾能力[5-6]。

4 結語

通過對礦井主要通風機在線監控系統進行上述改進，對于北方煤礦來說，很好地解決了冬季風壓測量不準確、引壓管冰凍阻塞的問題，而且設計了“一鍵倒機”程序，簡化了操作步驟，同時在變頻器的調速系統中加入了監測與控制系統，可以對變頻進行實時控制，隨時掌握變頻的動態。基于以上改進措施，礦井主要通風機運行更加穩定，礦井主要通風機的在線監控系統的可靠性和實用性都得到了大大提高。