高壓變頻電控系統在煤礦通風的應用

張遠志

（鄂爾多斯市昊華紅慶梁礦業有限公司，內蒙古 鄂爾多斯 017000）

0 引言

作為礦井的呼吸系統，通風系統在煤礦的安全高效生產中發揮著關鍵作用，主要保證采煤工作面新鮮空氣流通，與此同時工作面瓦斯濃度、粉塵濃度等符合《煤炭安全規程》的相關要求[1-2]。據統計表明，煤礦通風系統的耗電量占據煤礦總耗電量的25%左右，煤礦通風系統的節能改造升級有利于礦井生產成本控制和減少電力能源浪費，對我國“十三五”計劃要求的節能減排任務具有主要意義[3]。風機是煤礦通風系統的重要設備[4]，與電力等行業相比，礦山行業風機效率較低，行業平均水平只有55%，風機節能空間很大。很多礦井的通風機需要通過調節風門才能調整通風量，這種設備簡單便于維護，但在實際的礦井環境中，實際需求和送風量往往存在著較大差別，通常根據井下人員，瓦斯濃度等判斷設定的通風量，但實際瓦斯可能存在局部過高現象，通風阻力也常常與設計有所差異[5]。通風量調整過程中帶來電機功率損耗，嚴重浪費礦井電力能源，帶來巨大的生產成本。

近年來，隨著計算機技術、電子技術等飛速發展，煤礦高產高效的同時，還要求最大程度降低能耗，因此設備節能改造迫在眉睫。變頻調速技術擁有較好的調速性能、高產高效、應用范圍廣泛等優點，因而被認為是具備發展前途的調速方式之一[6-7]。

本文在對傳統主通風機控制存在問題分析的基礎上，結合紅慶梁煤礦現場工程條件及礦井對巷道通風系統安全和通風電力成本控制的需求，對紅慶梁煤礦主扇風機進行升級改造，配置全數字高壓變頻調速控制系統，并對該方案實際應用效果進行分析，為其他礦井主通風機控制系統選擇及優化設計提供方案類比。

1 傳統主通風機控制存在的問題

在煤礦巷道通風系統中，由于巷道走向長度逐漸增加，礦井所需的風量將明顯增加，風機功率需求也將逐漸加大[8]。不同季節所需的風量也需不斷調節。因此，依據回采后期運行工況及反風情況設計的通風機及電機的功率往往比煤礦正常生產所需的運行功率要高，由此存在以下幾個問題：

1.1 電能的浪費嚴重

煤礦的一般服務年限多在50年以上，自投產初期到回采逐漸穩定需要較長時間，在此期間，主通風機一直處于較輕負載下。但在傳統條件下，由于電機的轉速調節困難，只能通過改變風機葉片等方式進行風量調節，由此造成資源浪費，并顯著增加回采成本[9]。

1.2 機械損傷嚴重

主通風機采用直接啟動時，不僅造成啟動時間長、電流大，且容易造成電動機的絕緣，嚴重時甚至困難出現電機燒毀現象。電機在啟動過程中將產生的明顯機械沖擊現象，會使風機產生較大機械應力，嚴重影響風機及其他機械使用壽命。

1.3 自動化程度低

主通風機進行風量調節主要通過人工調節風機葉片等方式，因而其不具備風量的實時調節功能，自動化程度低。在風機產生如風流短路等故障時，礦井正常生產將產生明顯影響。

紅慶梁煤礦作為我國西部現代化建設礦井，主通風機控制的自動化、安全化、節能化及高效化成為礦井通風系統建設及優化的重要任務，傳統主通風機控制問題嚴重制約了礦井通風系統運轉效率，造成大量電力能源浪費，因此采用變頻節能技術對礦井主通風機控制進行升級改造，提升礦井通風現代化建設水平成為了必行趨勢。

2 風機變頻節能原理

如圖1所示，曲線（1）為風機在n1恒定轉速下的風壓—風量（H-Q）特性，曲線（2）為管網風阻特性（風門全開）。風機工作在A點效率最高，此時風壓為H2，風量為Q1，軸功率N1與Q1、H2的乘積成正比，可用面積H2AQ1O進行表示。如果采掘工程要求風量需要從Q1減至Q2，此時調節風門相當于增加管網阻力，使其特性變到曲線（3），系統由原來的工況點A變到新的工況點B運行，風壓反而增加，軸功率與面積H1BQ2O成正比，軸功率下降不大。

圖1 不同條件下風機風壓-風量特性曲線

若采取變頻器調速控制將風機轉速由n1降到n2后，依據風機參數的比例定律，風機的風壓-風量特性如曲線（4）所示。可見在滿足同樣風量Q2的情況下，風壓H3大幅度降低，功率N3也隨著顯著減少，用面積H3CQ2O表示。

此時風機節省的功率為△N=（H1-H3）×Q2，可用面積BH1H3C表示。由流體力學可知，風量與轉速的成正比，風壓H與轉速的平方成正比，軸功率N與轉速的三次方成正比。當采取變頻器進行調速方式時，風量下降到80%此時轉速也下降到80%，而軸功率N則降為額定功率的51.2%，若風機風量下降到60%后，軸功率N將降至額定功率的21.6%。

因此，全數字變頻調速控制系統利用高壓變頻調速來實現風量調節，從而代替擋風板等控制方式，采用該種方式后不僅起到了顯著節能功效，還將明顯改善系統的運行性能。

3 紅慶梁煤礦高壓變頻電控系統方案

為滿足紅慶梁煤礦風機網絡智能化控制需要，本著安全可靠、高產高效的原則，結合現場的實際情況，采用高壓變頻電控系統方案對原主通風機控制系統進行替換，從而實現礦井主通風機控制系統工程的升級。

3.1 高壓變頻電控系統結構

主扇風機高壓變頻電控系統結構如圖2所示，系統以高壓變頻器為系統的驅動核心，配以系統自動控制柜、高壓開關柜、低壓輔助控制柜、風機在線監控系統等組成的電氣調速系統，通過風速、負壓等傳感器完成風機的在線實時檢測及風機運行的主要參數，從而保證系統的安全運行，每臺風機的電機為2×630kW，根據電機選取的高壓變頻器容量為2×630kW，為一拖一控制方式。

圖2 主扇風機高壓變頻電控系統配置圖

3.2 系統工作方式

本套主扇風機高壓變頻電控能夠實現以下幾種工作方式：

（1）通風機的工作方式主要包括三種，分別為自動方式、手動方式、檢修方式。

（2）變頻調速裝置將有效滿足通風機運行各種工況的要求。如：電機正反轉控制、控制變速或定速帶載運行等。

（3）變頻調速啟動運行。

（4）當工作高壓變頻器發生故障時，能切換到另一臺備用高壓變頻器運行，確保礦井通風機正常運轉。

（5）能夠實現切換通風機功能。

（6）采用變頻調速裝置啟動風機運行情況下，變頻裝置通過比較系統檢測到風量與初始設定的風量，自動調節電機轉速，滿足礦井通風的需要，與此同時達到節能效果。

（7）當風機需要反轉時，能接受指令實現反風，操作方便。

3.3 系統配置參數

（1）通風機高壓變頻調速柜。高壓變頻器采用多單元串聯高壓變頻調速裝置，進線電壓與出線電壓均為10kV，不僅能夠用于向電機供電，還能比較系統測得風量與設定得風量，自動調節電機轉速，從而滿足礦井用風需求，節電效果明顯。

（2）風機自動控制柜。風機自動控制柜的核心采用德國西門子S7系列可編程控制器，同時配備多種檢測組件，實現了風機有效工藝控制、閉環控制及各種情況下的安全保護以及系統切換時的閉鎖問題，能夠實時顯示風機的運行狀態和參數，并能夠控制風機的啟停。

（3）風機在線監控系統。工業計算機作為本監控系統的主機，實現了對風機風量、風壓、瓦斯濃度、運行振動（水平振動、垂直振動）、通風機軸承溫度、電動機軸承溫度、電動機繞組溫度、電壓電流的自動實時監測。當超過額定值時能夠根據參數數值大小發出報警信號并實現停機功能。主要參數如風機風量、瓦斯濃度、運行振動（水平振動、垂直振動）、電機轉速、電壓電流等均可上傳礦井監測監控系統。

（4）高壓開關柜。通風機房內設KYN28A-12型配電柜12臺，其中包括2臺電源進線柜、1臺聯絡柜、1臺母線提升柜、4臺變頻器饋電柜、2臺電壓互感器及避雷器柜、2臺所用變壓器柜。高壓開關柜額定電壓10kV，額定頻率50HZ，可根據工作需要配置額定電流。

（5）低壓輔助控制柜。通風機房設低壓輔助柜，為通風機附屬設備、照明等提供380V/220V配電或電源回路。兩回進線分別引自兩臺所用壓器開關柜，相互備用。低壓輔助柜額定電壓0.4kV，最高工作電壓0.69kV，額定電流200A。

4 現場應用效果及建議

4.1 現場應用效果

紅慶梁煤礦風機使用高壓變頻電控系統后，實現風機自動化控制，礦井通風系統正常運轉，未出現嚴重故障，滿足巷道及工作面通風需要，幫助礦井順利完成了11301工作面的安全高效回采，礦井產量及經濟效益逐年增加。現場應用過程中，該系統具有如下特點：

（1）節能性好。采用變頻調節后，電機轉速進行無級變化，可以全部打開風門擋板，并將風葉角度調到最佳位置，風量調節只需要通過變頻器即可完成，這讓原本消耗在擋板上的大量能量可以直接轉化為可觀經濟效益。

（2）可靠性高。變頻器自身的保護功能較為齊全，不僅有欠壓保護，直流過電壓保護，過流保護等，還報過防止失速，防止燒損，保險絲短路保護等，有效增強了電機運行的可靠性。

（3）維護量小。系統可實現空載軟啟動，啟動電流和時間大為減少，因此可以避免因大啟動電流造成的絕緣老化問題，同時還能減輕機械沖擊對電機壽命的影響，顯著減少電機的維護工作量，節約檢修維護費用。（4）噪音小。變頻調節的控制性能遠遠好于風門調節，有利于實現系統的集散控制。

4.2 建議

雖然高壓變頻電控系統在現場應用效果較好，但在實際應用過程中，風機控制系統的安裝、調試和維護等工作對礦井工人要求較高，其次，變頻器對環境要求較高，尤其是溫度、粉塵及水等因素。因此結合高壓變頻電控系統在紅慶梁煤礦的使用情況提出如下3點建議：

（1）開展專項電控培訓，保證現場技術人員熟悉系統工作原理，學會編程控制器的編程和查找故障的方法、編程器的使用方法等。

（2）合理確定變頻器安裝位置，避免變頻器位于空氣流通性差、粉塵大或頂板淋水等環境下，或建立專門的變電硐室。

（3）礦井通風與煤礦瓦斯防治、煤層自然及沖擊地壓防治等聯系密切，建議礦井在變頻電控系統應用過程中，增加與礦井瓦斯監測、沖擊地壓監測等數據的對比分析，為礦井通風系統的進一步優化提供依據。

5 結語

（1）高壓變頻電控系統利用高壓變頻調速來實現風量調節，從而代替擋風板等控制方式，克服了傳統風機控制系統的電能的嚴重浪費、啟動困難，機械損傷嚴重及自動化程度低等問題。

（2）不但可以節約大量的電能，而且可以顯著改善系統的運行性能。高壓變頻電控系統在紅慶梁煤礦現場應用效果良好，值得其他相似生產條件礦井使用和推廣。