煤礦通風機變頻調速技術的研究與應用

李瑋璐

（晉能控股集團有限公司王村煤業有限公司， 山西 大同 037003）

引言

礦井空氣通風機系統是保證煤礦安全清潔生產的重要關鍵設備, 礦井空氣通風控制系統為綜采礦井工作區表面的“肺”，將新鮮空氣送到工人工作區，并將有害粉氣體排出，從而快速高效地降低有害氣體的濃度。由于因井下空間密閉通風條件差，為了一線礦工的身體健康，通風機必須24 h 連續作業，所以大負荷裝備必然會導致電能的大量損耗[1]。

因此，需要控制通風機來把控風量，通過不斷提高通風機的自動化工作程度，來實現節能降噪。

1 通風機調速技術方案

1.1 手動操作調速

1.1.1 恒速改變葉扇風門角度調節風量

對于雙軸流式葉扇通風機來說，通過轉速增大葉扇通風機構和葉片的旋轉角度大小來同時調整葉扇風壓，也就是能夠通過轉速改變葉片和輪片的齒數大小來同時調節葉扇風量。但是需要通風機停機后才能夠進行調整設備，需要長時間的調整才能實現，沒辦法實現平滑調節的通風量，也不能隨時隨地根據通風狀況進行改變。

離心式的通風機指的是通過手動調節整個通風機口的整體形狀及其通風道口的大小，或調節通風機管道里手動開關的風口開啟關閉程度，手動調節減小了通風道的流動橫斷面，以直接增加風道通風的流動阻力，從而直接改變了整個通風機組管網系統的性能特性變化曲線，最后再用來直接改變整個通風機組在生產工作時的狀態，以此來實現整機風量的自動調節，這種手動調節風量方法其實是一非常不利的符合市場經濟性和缺乏可操性[2]。

1.1.2 變速調節風量

通過變速改變驅動通風機的橫向轉軸角和旋轉運動速度，改變驅動通風機自身的各種特性運動曲線從而調整了通風量的大小，有效地調節通風機性能。

1.1.3 調節風門與變速改變風量方法對比分析

圖1 中，曲線1 是在最大轉速時風壓與風量的關系曲線，曲線2 是風門完全打開時的關系曲線。上邊的1、2 兩條曲線的相交的點A 代表自然工況點，此時的風壓為Hl風量為Ql。當煤礦井下的真實通風量為Q2，此時可調節風門得到曲線3，與線1 的相交于B 點，得到風量Q2，風壓也就升到了H2。也能夠調整風機轉速特性曲線得到曲線4，曲線4 與曲線2 相交于C 點，得到風量Q2，風壓降至H3。如果假設在ABC 三個工礦點運作，通風機和相關配套機械裝配效率相等，則相應工礦點運行時的風量與風壓的積成正相關。從圖上可以很明顯地得出，PB比PA稍小，PA卻遠大于PC。可以得出，通過調節轉軸轉速消耗的能源比調節風門發小消耗的小[3]。

圖1 工況性能曲線

1.2 通風機的變頻調速原理

根據上述情況分析，本機的系統控制工作模式主要包括電機手動控制兩種模式和電機全自動控制兩種模式。在這種全自動控制工作模式下，下頁圖2中為PLC 自動控制變頻通風調速原理圖如下[4]：

圖2 PLC 控制變頻調速原理圖

由于通風機中的電機為驅動異步電機，因此其同步轉速與電機供電驅動電源工作頻率間的相對關系主要可以用以下幾個公式進行表述：

式中：n 為驅動轉速；n0為驅動同步轉速；s 為轉差率；f 為電源頻率；m 為電機的極對數。

由流體力學公式，推導出風量、風壓、軸功率與轉速之間的關系如下[5]：

式中：Q 為通風機輸出風量；n 為轉速；P 為通風機功率。

由上式計算得出，通風機的排風量、風壓、風軸功率與風機轉速、轉速的平方和轉速級的三次方成正相關。當風機排風量按平方減小時，轉速按平方減小，風機風壓軸功率按風機轉速的三次方減小，真正達到用變頻風機調速通風節能的目的，降低整機的能耗。

2 通風機變頻調速技術的實際應用及優勢分析

為了驗證PLC 變頻調速風機的優良性能，在礦井地面安裝了兩臺變頻風機，其中一臺作為備用，當一臺發生故障時，系統就會自動切換到備用系統，保證風機正常運行安全性能提高。根據礦井用風需要，可調節風機不同轉速，使風機工作點高效運行，降低風機能耗。

由圖3 可知，當風機最高轉速為764 r/min 時，排風量是370 m3/min，運行效率僅有60%。此時運行效率低，經濟效益差。要想將運行效率提升至80%以上，就要采用PLC 變頻調速系統調節至最佳工況點。圖3-1 中M1點的運行效率極低，M3點運行效率很好，M2點運行效率在兩點之間。M3點處轉速為450 r/min，工作頻率與風機固有頻率接近，可能會帶來不利影響，故最佳工況點為M2，此時轉速為500r/min，其性能曲線為圖3-2。

圖3 通風機轉速為764 r/min 和500 r/min 的性能曲線

當轉速是500 r/min 時，排風量是370 m3/min，靜壓是2 683 Pa，運行效率是86%，葉片旋轉角是-4°。可見，采用智能變頻自動調速技術，使原有普通風機最高轉速由764 r/min 降到500 r/min，風機運行效率由60%提高到了86%，達到了環保節能的目標。

煤礦采用變頻調速節能技術后，不到一年半就可收回變頻器投資，未來每年可節電200 多萬元。使用變頻器后，在節電的同時，變頻器還能使風機電機在起動電流平穩、對電網影響小，避免風機起動時對電機的損壞，延長電機的使用壽命，減少了維修成本。

3 結論

對傳統的通風機調速改變風量技術進行了對比研究，將PLC 控制變頻調速系統進行計算分析，并在實際生產中進行了驗證，研究后得到以下結論：

1）手動調速效率低下、能耗又高，經濟效益差，因此本文采用通風機變頻調速技術提升運行效率降低能耗。當選擇風量由最大逐漸減小，速度也就隨之減小。風機的旋轉軸功率按照轉速的三次方降低，使變頻節能通風機組調速器得到有效控制，實現新型節能高效通風機組目的, 減少采用變頻節能通風機組的電氣能耗。

2）變頻通風機最佳速度變頻高速工礦點為其最大轉速為該數值為500 r/min，風量是370 m3/min，最大旋轉靜壓684 Pa，葉片最大旋轉提升角度-4°，運行時節能提升效率由60%提高到86%。

3）對變頻調速技術的節能性進行了測試，分別對節點數量、節能率、經濟效益和環保效益進行了分析。結果表明，變頻調速技術節能效果明顯，降低了生產成本，提高了經濟效益。

4）通過PLC 和變頻器為實現通風機實時通風量的自動化變頻調速控制，在實現自動化控制需求的同時達到節能的目的。