煤礦智能局部通風(fēng)機控制系統(tǒng)探討

翟偉濤

（晉能控股裝備制造集團智能制造事業(yè)部， 山西 晉城 048000）

引言

山西煤礦煤層賦存條件復(fù)雜多變且瓦斯含量高，隨著開采深度的增大煤層瓦斯壓力增高，煤層透氣性降低，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，煤層瓦斯不易在開采前抽放，在采掘過程中瓦斯排放量大、速度快，瓦斯突然涌出和不均勻涌出事件頻率增加。因此，在我國煤礦生產(chǎn)條件下要防治瓦斯事故的發(fā)生，必須對瓦斯的不均勻涌出狀況進行及時監(jiān)測、正確分析并實施調(diào)控，提高通風(fēng)系統(tǒng)可靠性和應(yīng)變能力。

1 煤礦局部通風(fēng)系統(tǒng)

在新建、擴建或者生產(chǎn)礦井中，都需要開掘大量的井巷工程，以便準(zhǔn)備開拓系統(tǒng)、新的采區(qū)及新的工作面。在掘進巷道時，為了稀釋并排出掘進工作面涌出的有害氣體及綜掘時產(chǎn)生的礦塵，創(chuàng)造良好的條件，保證作業(yè)人員的健康與安全，就必須不斷地對掘進工作面進行通風(fēng)，應(yīng)用局部風(fēng)機將新鮮空氣送入掘進工作面，同時將工作面中的污濁空氣排出，這種通風(fēng)稱為局部通風(fēng)。

以晉能控股煤業(yè)集團寺河礦煤業(yè)為例，因寺河礦是煤與瓦斯突出礦井，為了保證局部通風(fēng)機的安全性，一般采用壓入式通風(fēng)，利用局部通風(fēng)機將新鮮風(fēng)流吸入，經(jīng)風(fēng)筒送至掘進工作面，污風(fēng)由巷道直接排出，不通過局部通風(fēng)機，這樣由風(fēng)筒吹出的射流清洗工作面的能力強，通風(fēng)效果好，缺點是排放時間長，所需風(fēng)量多[1-2]。壓入式通風(fēng)如圖1 所示。

圖1 壓入式通風(fēng)

2 煤礦局部通風(fēng)機的節(jié)能現(xiàn)狀

據(jù)統(tǒng)計，我國煤炭工業(yè)綜合電力消耗56.18 kW·h/年，年耗電325 億kW·h/年。主要電力消耗為礦井提升機、各類風(fēng)機、水泵系統(tǒng)，僅通風(fēng)機和排水泵兩項耗電占生產(chǎn)耗電的44%，通風(fēng)耗電占15%～25%，排水泵耗電占10%～30%.

目前，大多數(shù)的風(fēng)機變速機構(gòu)比較落后，多數(shù)采用調(diào)節(jié)門調(diào)節(jié)風(fēng)量，隨著技術(shù)的進步，盡管有的風(fēng)機內(nèi)效率較高（達86%以上），但是其綜合效率卻不足30%，造成了大量的電力損耗，隨著變頻器在風(fēng)機中的應(yīng)用，大大提高了風(fēng)機的運行效率，但是應(yīng)用的數(shù)量極其有限。

利用變頻器可以根據(jù)電機負載的變化實現(xiàn)自動、平滑的增速和減速，與其他調(diào)速技術(shù)相比，主要有以下特點：節(jié)能效果顯著；控制精確，調(diào)速平滑性好，調(diào)速范圍寬，工作效率高；氣動電流小，對電網(wǎng)干擾較小；保護功能強，有欠壓、過壓、過流、過載、短路等多種保護。

隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展，變頻調(diào)節(jié)技術(shù)日益成熟，變頻器技術(shù)迅速發(fā)展，變頻器在自控領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用。但是由于煤礦生產(chǎn)的特殊環(huán)境和安全上的特殊要求，變頻器在煤礦的應(yīng)用起步比較晚。目前晉能控股裝備制造集團旗下已有多個專業(yè)變頻器生產(chǎn)企業(yè)，但井下的變頻器應(yīng)用案例多為井下中重型裝備，在風(fēng)機、水泵及空壓系統(tǒng)上應(yīng)用較少，煤礦的節(jié)能潛力仍然巨大。

3 煤礦智能局部通風(fēng)機控制系統(tǒng)的實現(xiàn)

智能控制系統(tǒng)的基本工作流程為：安裝在掘進工作面附近的瓦斯傳感器根據(jù)工作面瓦斯?jié)舛龋瑢⑼咚節(jié)舛刃盘栟D(zhuǎn)變成電信號，經(jīng)采集與放大電路模塊放大后輸入到PLC 的輸入口，經(jīng)PLC 分析處理與相應(yīng)的運算處理后，與設(shè)定的瓦斯?jié)舛冗M行比較，PLC 按照程序設(shè)置計算出所需供應(yīng)風(fēng)量，經(jīng)通訊將控制命令發(fā)給變頻器控制單元，控制變頻器工作給局部通風(fēng)機供電，從而實現(xiàn)智能通風(fēng)。控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

4 變頻調(diào)速系統(tǒng)控制方式的選用

在實際的生產(chǎn)中，因變頻器的選型和電動機的種類，會出現(xiàn)多種的變頻器調(diào)速方案。綜合考慮設(shè)備的穩(wěn)定性與經(jīng)濟性的情況，只論述使用交—直—交變頻器和三相異步電動機的情況。

1）開環(huán)控制的通用變頻器三相異步電動機變頻調(diào)速系統(tǒng)控制圖如圖3 所示。

圖3 開環(huán)異步機變頻調(diào)速

2）無轉(zhuǎn)速反饋機制的矢量控制變頻器三相異步電動機開環(huán)變頻調(diào)速系統(tǒng)控制圖如圖4 所示。

圖4 矢量變頻器變頻調(diào)速

3）帶轉(zhuǎn)速反饋機制的矢量控制變頻器三相異步電動機閉環(huán)變頻調(diào)速系統(tǒng)控制圖如圖5 所示。

圖5 異步電動機閉環(huán)控制變頻調(diào)速

在對比三種常用控制方案的基礎(chǔ)上可知，生產(chǎn)局部通風(fēng)機、水泵這類一般要求不高的機械時，采用開環(huán)控制系統(tǒng)，具有控制電路結(jié)構(gòu)簡單、方便井下現(xiàn)場處理等優(yōu)點，在綜合考慮調(diào)速精度和響應(yīng)速度的方面，由于矢量控制技術(shù)日趨成熟，使用無轉(zhuǎn)速反饋機制的矢量控制變頻器可以分別對異步電動機的磁通和轉(zhuǎn)矩電流進行檢測、控制，自行改變電壓和頻率，具有控制結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高的突出優(yōu)勢[3-4]。

5 結(jié)語

井下局部通風(fēng)機在煤礦普遍應(yīng)用，并且耗能較高，每年需求量在數(shù)千臺以上，但在性能調(diào)節(jié)上，一直停滯不前。電機系統(tǒng)節(jié)能是國家發(fā)改委啟動的十大重點節(jié)能工程之一。在新能源改革的背景下，成本控制成為了大型煤礦集團間競爭的核心要素之一，必須要解決煤礦機電設(shè)備高耗能的現(xiàn)狀，煤礦智能局部通風(fēng)機控制系統(tǒng)可大大降低能耗，同時提升局部通風(fēng)機使用壽命，具有較好的發(fā)展前景。