曉南礦東風井主通風機系統(tǒng)智能控制改造

◎王慧芝

一、引言

曉南礦東風井原主通風機系統(tǒng)采用兩臺同等能力的軸流式通風機，1994年設備，一用一備。

1.系統(tǒng)組成。

通風機系統(tǒng)除主機部分外，還有拖動系統(tǒng)、風門系統(tǒng)、供電系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、遠程監(jiān)控系統(tǒng)等組成。

（1）原風機拖動方式為同步電機，反風方式為調(diào)角反風。主電機功率為1250KW/6KV 的同步電動機，采用WKLF-11D 型微機全控勵磁裝置，該形式的缺點是啟動操作復雜，運行過程中需實時監(jiān)視勵磁變化情況，并且只能正轉(zhuǎn)，風機實現(xiàn)調(diào)角反風，用時較長。

（2）風門系統(tǒng)共三道風門，風機風門采用插板式，鋼絲繩拖拉，缺點是拖動過程中易出現(xiàn)卡勁而造成鋼絲繩斷繩事故；測式風門為水平固定式，測試時需全部打開，另行加阻，測試時間長，加阻困難，人員危險；風道內(nèi)為平開式折疊風門，為確保通風安全，基本不進行開關(guān)操作。

（3）高壓供電系統(tǒng)采用KYN28 型高壓開關(guān)柜，低壓供電系統(tǒng)采用MNS 型低壓開關(guān)柜，單一聯(lián)絡柜，不利于分段檢修設備。

（4）潤滑系統(tǒng)，原風機主機潤滑方式為自潤滑方式，由軸承箱內(nèi)存油確保主軸承的潤滑及降溫，因此軸承溫度較高，夏季最高可達70℃，降低了軸承的使用壽命；電機為非封閉式電機，滑動軸承，故障率高，雖為強制潤滑，但是極易造成跑油而影響電機絕緣。

（5）原監(jiān)視系統(tǒng)只監(jiān)視基礎數(shù)據(jù)，有超溫報警、超壓報警等，但未進行PLC 程序控制，無法實現(xiàn)遠程操作。

2.存在隱患。

該風機于1994年4月出廠，除以上系統(tǒng)急需改進外，還存在以下幾方面的問題：

（1）風機葉輪主軸和輪轂內(nèi)孔劃傷嚴重。輪轂內(nèi)孔油槽在2008年以前就已經(jīng)損傷，每次分解大修時，由于油槽損傷，無法使用液壓方式拆卸，而且配合過盈量大，拆卸非常困難，導致主軸和輪轂內(nèi)孔劃傷嚴重，影響配合精度，存在安全隱患。

（2）風機采用軸承箱飛濺潤滑，潤滑方式落后，潤滑不可靠。無直接油位顯示裝置，通過連通器間接顯示油位，存在顯示油位與實際油位不一致的可能，存在安全風險。

（3）風機風葉處機殼銅襯板變形，多處出現(xiàn)裂紋，存在安全隱患。

（4）電機勵磁繞組、滑環(huán)經(jīng)多次維修，電機軸頭經(jīng)過大修，直徑變小，安全性能降低。

（5）制動閘目前為手，操作不便，可靠性低、安全性低。

基于以上原因，現(xiàn)對其進行全面改造，同時為加快礦山智能化建設，增加遠程監(jiān)控等功能。

二、改造方案

1.主機系統(tǒng)。

經(jīng)計算，東風井主要通風機的工況點參數(shù)如下：困難時期工況 （6480m3/min，3400Pa）；容易時期工況（4980m3/min，2400Pa）。

選型原則首先符合實際工況點參數(shù)與實際通風阻力。其次考慮原風機基礎不變、風道及擴散塔等基礎設施不變。最后考慮實際運行時電機功率與反風功率。最終風機型號選擇為GAF21.1-14-1，電機功率選擇800KW。主機主要參數(shù)：

（1）流量：前期83m3/s 后期108m3/s

（2）負壓：前期2400Pa 后期3400Pa

（3）運行工況點風機效率：前期風機裝置靜壓效率：78%；后期風機裝置靜壓效率：80.9%；

（4）轉(zhuǎn)速985r/min

（5）功率：800kW

（6）運行工況點風機軸功率：前期255KW 后期454KW

潤滑方式由原來的自潤滑方式，改為潤滑泵站供油強制潤滑，增強了潤滑效果，有效延長了風機軸承壽命，降低軸承運行溫度。

2.拖動系統(tǒng)。

（1）電機選擇。

將原系統(tǒng)的同步電機拖動改為異步電機拖動，根據(jù)主機參數(shù)確定電機型號Y500-6，主要技術(shù)參數(shù)如下：

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電動機定子繞組、軸承安設測溫元件，機體安設測試元件，均鑲嵌在相應部位，單獨設置接線盒，滿足監(jiān)控需求。

電機制動閘采用電動形式。

（2）異步電機啟動壓降計算。

曉南礦東風井現(xiàn)有2000米LJ-120 架空線路，如改用異步電動機，通過計算電源正常時，按照計算理論值選擇5 倍額定電流能正常啟動，選擇8 倍額定電流不能正常啟動。見以下計算過程。

東風井主電機供電電壓降計算：

供電距離L——2000m

電源線為架空鋁絞線 LJ-95 截面積95mm2

電機功率P——800KW（初步選定Y5004—6 異步電動機）

供電電壓U——6KV

鋁電阻率ρ——0.0294 mm2/m

電機額定電流I=P/1.732UcosФ=800/1.732×6×0.8=96.9A

線路電阻R=ρL/電源線截面積=0.0294×2000/95=0.62Ω

電動機啟動一般為額定電流的（5---8）倍選擇計算

電壓降 ΔU=IR=（I 小～I 大）×0.62

（=95×5～95×8）×0.62

（=475～760）×0.62

=294.5V～471.2V

啟動電壓降一般選取5%U=5%×6000=300V

按照計算電機啟動為5 倍的額定電流時，可以滿足電壓降的要求。

3.風門系統(tǒng)。

在保持原有風門系統(tǒng)不變的情況下，對所有風門進行更新改造。室內(nèi)風機風門保留插板形式，傳動方式改為齒條傳動，將風道內(nèi)風門及測試風門改造為旋葉式風門，可實現(xiàn)不停風倒機。

此方案具有以下優(yōu)點：

（1）不停風倒機減小倒機過程對井下通風影響。

（2）在性能測試及備用風機試運時不影響運行風機。

（3）在性能測試時可以通過調(diào)整水平旋葉風門實現(xiàn)不同通風阻力測試。

（4）保留原風機插板門作為檢修修風門，一旦立式旋葉風門故障，可以關(guān)閉風機插板門對立式旋葉風門進行檢修維護。

①風機風門。

該風門仍采用插板式，改為齒條傳動，解決了原風門傳動方式的不利因素。其布置在風機進口、整流環(huán)之前，通過過渡段與進風道相連，能在風機停機或維修時將進風道與風機隔開。

風門的傳動機構(gòu)主要由齒輪箱和多回轉(zhuǎn)風門電動裝置組成，齒輪箱的進出軸分別與電動裝置和齒輪、齒條組直聯(lián)。電動裝置的電機接到指示（控制命令）先帶動齒輪軸轉(zhuǎn)動，齒輪軸帶動齒輪和齒條運動，進而達到風門開啟或關(guān)閉的目的。

該風門設有電子和機械雙限位機構(gòu)，風門電動裝置和風門殼體上各帶有開度位置指示，防止電機過載；風門啟閉可用二種方法操作：電控操作和手動操作；在失電狀態(tài)時，可用風門電動裝置上的搖動手柄啟閉風門，確保完成風門啟閉。

②風道風門和測試風門。

將風道內(nèi)折疊風門和水平測試風門均改為自密式旋葉風門。

風道內(nèi)風門為立式安裝，因此也稱其為立式風門；測試風門為水平安裝，也稱其為水平風門。

自密式旋葉風門的優(yōu)點：

自密式旋葉風門開啟/關(guān)閉速度快，用時短，一般在45 秒內(nèi)即可完成。

風門葉片所用鋼板采用雙層不銹鋼316L 材料，葉片設計為菱形對稱結(jié)構(gòu)即保證了葉片強度又能減少在風道內(nèi)的風阻。

自密式旋葉風門動力由電動執(zhí)行器提供，可實現(xiàn)遠程、就地及手動控制，帶有全開/全關(guān)限位開關(guān)、機械限位擋塊、風門開關(guān)位置顯示裝置和位置反饋信號，具有力矩過載和過電流保護裝置。

自密式旋葉風門使用齒輪、齒條傳動，機構(gòu)運轉(zhuǎn)靈活。

風門關(guān)閉時應密閉性好，全關(guān)時泄露量小于1%。

配有可靠的油溫循環(huán)快速加熱系統(tǒng)，以防止冬季結(jié)凍。

水平風門在進行性能測試時，可自動或手動逐步調(diào)節(jié)風門大小，任意調(diào)節(jié)風阻，保證風機性能測試曲線的連續(xù)性和準確性，同時也大大提高了測試過程的安全性。

③反風方式。

改造后風機系統(tǒng)具備反轉(zhuǎn)反風與調(diào)角反風兩種反風形式。反轉(zhuǎn)反風操作簡便、反風速度快、反風時電機電流較小，不易發(fā)生超電機額定功率情況。調(diào)角反風時風量大、且不使用反轉(zhuǎn)反風柜，是很好的備用反風方案。

4.供電系統(tǒng)。

（1）高壓供電系統(tǒng)。

采用KYN28-12 型高壓開關(guān)柜，主授柜2 臺、變壓器操作柜2 臺、變壓器柜（100KVA 干式變壓器）2 臺、電機正向啟動柜 2臺、高壓聯(lián)絡柜2 臺，電機反向啟動柜2 臺。

將變壓器安裝在柜內(nèi)，便于日常檢查、維護。增加兩臺反向啟動柜，滿足系統(tǒng)實現(xiàn)反轉(zhuǎn)反風條件。

（2）低壓供電系統(tǒng)。

采用MNS 型低壓開關(guān)柜，低壓授入柜2 臺、低壓聯(lián)絡柜2臺、低壓配電柜2 臺。增加一臺聯(lián)系柜，滿足日常單線路檢查檢修需要。

主授開關(guān)斷路器為框架可抽出式斷路器，每個抽屜單元能夠就地操作，配啟停按鈕置。

5.潤滑系統(tǒng)。

主機潤滑方式改為強制潤滑，由潤滑站供油，電機潤滑方式改為自潤滑，因新電機為軸承支承，所以無需強制潤滑。

主機采用2 臺獨立的潤滑站，每臺潤滑站采用雙泵結(jié)構(gòu)，一用一備，油泵安設于油箱內(nèi)，設有吸油、排油過濾。

潤滑站冷卻方式為風冷式，同時配有專用的液壓冷油機，兩種冷卻方式可隨意切換，并根據(jù)溫度自動投入運行。

PLC 就地控制箱可實現(xiàn)開、停泵、故障自動倒泵功能，并與遠程集控系統(tǒng)兼容。

6.遠程監(jiān)控系統(tǒng)。

主通風機遠程控制系統(tǒng)由遠程監(jiān)控站和現(xiàn)場控制站、視頻監(jiān)控系統(tǒng)等組成，能夠可靠實現(xiàn)2 臺主通風機所有相關(guān)設備的遠程集中控制、運行工況參數(shù)的實時監(jiān)測和遠程視頻監(jiān)控，達到現(xiàn)場無人值守等功能。

（1）遠程監(jiān)控站和現(xiàn)場控制站。

系統(tǒng)核心采用西門子最新的SIMATIC S7-1500 系列PLC，遠程監(jiān)控站采用工業(yè)級控機主機，現(xiàn)場PLC 控制柜設有液晶觸摸屏和控制選擇開關(guān)。

設備控制優(yōu)先級為：就地控制→現(xiàn)場集中控制→遠程集中控制。

①就地控制：將風機啟動柜、油站、風門、水泵就地控制箱等轉(zhuǎn)為就地控制方式，在就地進行設備操作，遠程集中控制和現(xiàn)場集中控制無效。

②現(xiàn)場集中控制：通過現(xiàn)場PLC 控制柜人機界面（液晶觸摸屏）對主扇風機及相關(guān)附屬設備進行集中控制操作。

③遠程集中控制：通過遠程控制站上位機實施遠程集中控制操作。

④集中控制方式具備手動、自動控制功能，自動控制模式下，可實現(xiàn)“一鍵”操作自動按照相關(guān)設備的控制順序及聯(lián)鎖關(guān)系，完成風機的啟動和停機過程，以及“一鍵”操作實現(xiàn)兩臺風機的自動倒機。

⑤具備“故障自動倒機”功能，自動判斷運行風機如果出現(xiàn)非正常停機情況，自動啟動另一臺備用風機。

⑥系統(tǒng)能夠準確、實時監(jiān)測2 臺風機各種運行數(shù)據(jù)并自動保存到歷史數(shù)據(jù)庫，對監(jiān)測參數(shù)進行快速分析處理，發(fā)現(xiàn)異常情況及時通過風機監(jiān)控裝置發(fā)出聲、光和語音報警信號，并形成歷史報警記錄，方便查閱。

（2）視頻監(jiān)控系統(tǒng)。

對現(xiàn)場關(guān)鍵場所進行遠程視頻監(jiān)控，視頻監(jiān)控探頭采用高清網(wǎng)絡攝像機，采用DID 液晶拼接屏顯示、存儲。

現(xiàn)場安裝煙霧傳感器，接入視頻監(jiān)控系統(tǒng)，全系統(tǒng)設置語音報警提示裝置，能夠在設備啟動前提示人員躲離設備運轉(zhuǎn)部位。

三、應用效果

全部設備經(jīng)安裝調(diào)試、性能測試后，已經(jīng)投入正常使用，實現(xiàn)了以下目的：

1.新型風機性能以對抗惡劣的地理條件，具在承載能力大，性能穩(wěn)定的特點，充分滿足當前曉南礦安全生產(chǎn)需求。

2. 全部設備安裝有不影響礦井正常生產(chǎn)的情況下進行，主體設備保持原基礎不動，節(jié)省了安裝時間，確保了生產(chǎn)安全。

3.主機潤滑方式改為強制潤滑，很好地解決了原有設備自潤滑造成的軸承溫升過高的現(xiàn)象。

4.拖動電機改為異步電動機，控制簡單、安全、可靠，同時增加反轉(zhuǎn)柜，實現(xiàn)風機的反轉(zhuǎn)反風。電機軸承形式由滑動式改為滾動式，運行穩(wěn)定、易維護。

5.增加遠程監(jiān)控設備，分級設置，即保留了手動操作的各項功能，更增加了PLC 柜和上位機操作等遠程操作功能，實現(xiàn)了程序控制一健啟停、一健倒機、不停風倒機等遠程控制功能。

6.完善視頻監(jiān)控系統(tǒng)，增加視頻覆蓋率，完善溫度、振動、煙霧等傳感器，增加語音提示功能，全面具備無人職守條件。

四、結(jié)束語

曉南礦東風井主通風機系統(tǒng)智能控制的全面改造，為礦山智能化建設添加了濃重的一筆，同時也開啟了曉南礦智慧礦山建設的新里程。