煤礦主通風(fēng)機(jī)變頻節(jié)能技術(shù)的研究

任 慧

（山西霍爾辛赫煤業(yè)有限責(zé)任公司， 山西 長治 046600）

引言

通風(fēng)機(jī)作為煤礦生產(chǎn)所需的主要機(jī)械設(shè)備之一，對礦井的安全生產(chǎn)起著決定性的作用。因此，煤礦在考慮生產(chǎn)成本的基礎(chǔ)上，會選用風(fēng)量較大而且節(jié)能的通風(fēng)機(jī)作為主要通風(fēng)設(shè)備。但由于以前的通風(fēng)機(jī)噪聲大、運(yùn)行效率低，而且在連續(xù)工作的狀態(tài)下?lián)p耗嚴(yán)重，給礦井的安全生產(chǎn)和利益帶來不便。因此，本文以同煤集團(tuán)四老溝礦所用通風(fēng)機(jī)為研究對象，對通風(fēng)機(jī)采用變頻器或調(diào)整電極來控制通風(fēng)機(jī)，通過提高風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的方式來增大風(fēng)量，可以有效地降低企業(yè)的生產(chǎn)成本，為礦井的安全生產(chǎn)提供相關(guān)參考。

1 工程背景

同煤集團(tuán)四老溝礦礦井結(jié)構(gòu)由主斜井、副斜井和回風(fēng)井組成，為使礦井安全生產(chǎn)，集團(tuán)擬為礦井安裝2 臺通風(fēng)機(jī)供風(fēng)，以保證礦井的正常開采。兩套通風(fēng)設(shè)備一套正常運(yùn)行，但轉(zhuǎn)速為620 r/min，產(chǎn)生的風(fēng)量僅為12 200 m3，運(yùn)行效率低[1]，消耗能量較大。另一套通風(fēng)設(shè)備作為備用，以防止風(fēng)機(jī)發(fā)生故障而停止工作，影響煤礦的正常開采。同時煤礦為每臺風(fēng)機(jī)配備9.8 kV 供電設(shè)備，并安裝防爆電機(jī)。

2 高能耗運(yùn)行原因分析

為了更多的了解通風(fēng)機(jī)能量損耗情況，列舉了部分煤礦的風(fēng)機(jī)及運(yùn)行參數(shù)如表1 所示。

由表1 可以看出，風(fēng)機(jī)能量損耗大有以下幾點(diǎn)原因：第一，由于開采初期的礦井難以實(shí)現(xiàn)主通風(fēng)機(jī)的高效運(yùn)，而礦井選擇的電機(jī)額定功率大、電機(jī)負(fù)荷率普遍偏低，形成“大馬拉小車”現(xiàn)象；第二，煤礦企業(yè)的采掘設(shè)備實(shí)現(xiàn)了一井一面高產(chǎn)高效生產(chǎn)模式，造成風(fēng)機(jī)與配套電機(jī)的性能超過系統(tǒng)實(shí)際需要，運(yùn)行效率比風(fēng)機(jī)樣本提供的偏低很多；第三，風(fēng)機(jī)在運(yùn)行時由于機(jī)械振動造成離心式通風(fēng)機(jī)葉輪、外殼、引風(fēng)道不在同一軸線，形成風(fēng)機(jī)低效運(yùn)轉(zhuǎn)，降低了通風(fēng)性能。

針對以上問題，煤礦企業(yè)在進(jìn)行合理選型的基礎(chǔ)上，對風(fēng)機(jī)的不足之處進(jìn)行了切合實(shí)際的改進(jìn)，從而在降低企業(yè)生產(chǎn)成本的同時，保證礦井的安全生產(chǎn)。

表1 主要風(fēng)機(jī)運(yùn)行參數(shù)

3 變頻節(jié)能技術(shù)

在煤炭開采過程中，煤礦井下需要足夠多的新鮮空氣來供工作人員作業(yè)、排放有毒氣體并且調(diào)節(jié)礦井氣候，這就使得礦井對風(fēng)量有一定的需求，當(dāng)通風(fēng)機(jī)所供應(yīng)的風(fēng)量不能滿足礦井安全生產(chǎn)，同時風(fēng)機(jī)在高速運(yùn)轉(zhuǎn)的情況下連續(xù)工作，不僅對電流造成損耗，還會對風(fēng)機(jī)內(nèi)部構(gòu)件造成嚴(yán)重?fù)p壞，這就使得礦井的生產(chǎn)成本增加。因此，設(shè)計人員需要對通風(fēng)設(shè)備進(jìn)行一定的改造，比如增設(shè)變頻調(diào)節(jié)系統(tǒng)來控制風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，使得風(fēng)機(jī)在不同的時間產(chǎn)生不同的風(fēng)量，從而保證礦井生產(chǎn)的正常運(yùn)行。

3.1 變頻器的特點(diǎn)

變頻調(diào)速技術(shù)主要是通過對變頻器對風(fēng)機(jī)的控制系統(tǒng)增加一個反饋裝置。隨著風(fēng)機(jī)的正常運(yùn)行，主機(jī)在摩擦的情況下產(chǎn)生熱能，使得風(fēng)機(jī)內(nèi)的溫度升高，當(dāng)溫度超過風(fēng)機(jī)所能承載的最大溫度差時，變頻器會自動調(diào)整風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，使得主機(jī)穩(wěn)定散熱，提高了工作效率的同時[2]，有效地降低l 主機(jī)的磨損程度，延長了風(fēng)機(jī)的使用壽命，保證了礦井安全生產(chǎn)的進(jìn)行。

3.2 變頻節(jié)能原理

1）變頻調(diào)速技術(shù)主要是通過變頻器調(diào)整通風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，使得通風(fēng)機(jī)在不同的時間產(chǎn)生不同的風(fēng)量，轉(zhuǎn)速可以用以下公式來表示：

式中：a為風(fēng)機(jī)的頻率；b為風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率；c為電機(jī)極對數(shù)。由公式（1）可以看出，當(dāng)改變風(fēng)機(jī)的頻率a、風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率b或者電機(jī)的極對數(shù)c時，風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速隨之改變，其中最容易實(shí)現(xiàn)的是改變電機(jī)的頻率，從而使得礦井風(fēng)量達(dá)到平衡[3-4]。

2）變頻節(jié)能技術(shù)主要是電機(jī)轉(zhuǎn)速提高的情況下產(chǎn)生了更多的風(fēng)量，減少了電能的損耗，從而達(dá)到增速節(jié)能的效果。節(jié)能可以用以下公式來表示：

式中：Q為風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的風(fēng)量；H為風(fēng)機(jī)的風(fēng)壓；n為風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速；P為風(fēng)機(jī)的功率。由公式（2）可以看出，風(fēng)機(jī)的風(fēng)量、功率和風(fēng)壓隨著風(fēng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速的改變而改變。礦井在應(yīng)用變頻裝置，風(fēng)機(jī)可以根據(jù)需風(fēng)量的不同而實(shí)現(xiàn)不同的轉(zhuǎn)速，節(jié)約了電能的損耗，減少了風(fēng)機(jī)的磨損，從而降低了企業(yè)的生產(chǎn)成本，使煤炭企業(yè)的利益最大化。

3）由于風(fēng)機(jī)參數(shù)規(guī)格的不同，在運(yùn)行過程中需要消耗的電能也不同，能耗可用式（3）計算：

式中：W為風(fēng)機(jī)消耗的電能，kWh；Q為風(fēng)機(jī)風(fēng)量，m3/s；H為風(fēng)機(jī)風(fēng)壓，Pa；η 為風(fēng)機(jī)效率；T為風(fēng)機(jī)工作時間，h。

由公式（3）可以看出，在風(fēng)壓和進(jìn)風(fēng)量不變的情況下，降低風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，可以提高風(fēng)機(jī)的運(yùn)行效率，從而較少能量的損耗，為礦井的生產(chǎn)節(jié)約成本。

4 應(yīng)用效果

為檢驗變頻節(jié)能技術(shù)的合理性，根據(jù)礦井目前的實(shí)際情況通風(fēng)機(jī)安裝變頻器前后的能耗進(jìn)行校核，計算結(jié)果如表2 所示。

表2 風(fēng)機(jī)變頻前后參數(shù)表

由表2 可以看出，未安裝變頻裝置之前，通風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速為728 r/min，額定功率為58 Hz，每秒可提供97.6 m3的風(fēng)量，平均風(fēng)壓為1 937.32 Pa，效率為η=0.66，根據(jù)年度365 d，風(fēng)扇工作一整天24 h,計算出風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速前的能耗為2.51×106kWh；安裝變頻裝置后，通風(fēng)機(jī)電機(jī)的轉(zhuǎn)速n降低為525 r/min，在所需風(fēng)量及平均風(fēng)壓不變的情況下，風(fēng)機(jī)的工作效率n=0.84，計算出年耗電量為1.97×106kWh，得出礦井通風(fēng)機(jī)的年節(jié)電率高達(dá)21.5%。

綜上所述，通對對通風(fēng)機(jī)安裝變頻器可以調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，提高了風(fēng)機(jī)的工作效率，降低了能量的損耗。說明此方案是合理的、科學(xué)的，為類似礦井的節(jié)能減耗提供有益參考和指導(dǎo)價值。

5 結(jié)論

1）根據(jù)同煤集團(tuán)四老溝煤礦實(shí)際概況，通過分析通風(fēng)機(jī)高能耗的原因，選用HTVC-A15/8200-F 型號的風(fēng)機(jī)作為主要供風(fēng)設(shè)備，有效地保障了煤礦所需的風(fēng)量，為礦井的安全生產(chǎn)提供了保障。

2）通過調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速可以提高風(fēng)機(jī)的運(yùn)行效率，有效的降低能量的損耗，年節(jié)電率可達(dá)21.5%。

3）通過本次對變頻器在主通風(fēng)機(jī)中的應(yīng)用研究，說明對通風(fēng)機(jī)進(jìn)行合理的改進(jìn)后，可以有效地提高工作效率，降低企業(yè)的生產(chǎn)成本，并為類似礦井的風(fēng)機(jī)改進(jìn)提供技術(shù)支持。