東風井主通風機系統智能控制改造

李艷輝 董崇軍 寇曉明

[鐵法煤業（集團）有限責任公司曉南礦]

一、引言

曉南礦東風井主通風機房位于礦外東側約1000 米處，主通風機系統采用兩臺同等能力的軸流式通風機，1994 年設備，一用一備。因主通風機運行多年，腐蝕嚴重，監控功能不能滿足礦井通風要求，曾多次出現軸承溫度過高，電機軸瓦磨損過快等方面的問題，另外，根據智能化要求，主要通風機需要進行遠程集中控制，具備一鍵啟停、一鍵倒機功能，因此，需要對主通風機進行技術改造。

1.系統組成

通風機系統除主機部分外，還有拖動系統、風門系統、供電系統、潤滑系統、遠程監控系統等組成。

（1）原風機拖動方式為同步電機，反風方式為調角反風。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視勵磁變化情況，并且只能正轉，風機實現調角反風，用時較長。

（2）風門系統共三道風門，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；風道內為平開式折疊風門，為確保通風安全，基本不進行開關操作。

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

（4）潤滑系統，原風機主機潤滑方式為自潤滑方式，由軸承箱內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）原監視系統只監視基礎數據，有超溫報警、超壓報警等，但未進行PLC 程序控制，無法實現遠程操作。

2.存在隱患

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

（1）風機葉輪主軸和輪轂內孔劃傷嚴重。輪轂內孔油槽在2008 年以前就已經損傷，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，多處出現裂紋，存在安全隱患。

（4）電機勵磁繞組、滑環經多次維修，電機軸頭經過大修，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，增加遠程監控等功能。

二、改造方案

1.主機系統

經計算，東風井主要通風機的工況點參數如下：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：

（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

（1）電機選擇

將原系統的同步電機拖動改為異步電機拖動，根據主機參數確定電機型號Y500-6，主要技術參數如下：

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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 倍～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

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

此方案具有以下四方面優點：

其一，不停風倒機減小倒機過程對井下通風影響。

其二，在性能測試及備用風機試運時不影響運行風機。

其三，在性能測試時可以通過調整水平旋葉風門實現不同通風阻力測試。

其四，保留原風機插板門作為檢修風門，一旦立式旋葉風門故障，可以關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。

風門的傳動機構主要由齒輪箱和多回轉風門電動裝置組成，齒輪箱的進

出軸分別與電動裝置和齒輪、齒條組直聯。電動裝置的電機接到指示（控制命令）先帶動齒輪軸轉動，齒輪軸帶動齒輪和齒條運動，進而達到風門開啟或關閉的目的。

該風門設有電子和機械雙限位機構，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；風門啟閉可用兩種方法操作：電控操作和手動操作；在失電狀態時，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

將風道內折疊風門和水平測試風門均改為自密式旋葉風門。

風道內風門為立式安裝，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點：

①自密式旋葉風門開啟/關閉速度快，用時短，一般在45 秒內即可完成。

②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構既保證了葉片強度又能減少在風道內的風阻。

③自密式旋葉風門動力由電動執行器提供，可實現遠程、就地及手動控制，帶有全開/全關限位開關、機械限位擋塊、風門開關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。

④自密式旋葉風門使用齒輪、齒條傳動，機構運轉靈活。

⑤風門關閉時應密閉性好，全關時泄露量小于1%。

⑥配有可靠的油溫循環快速加熱系統，以防止冬季結凍。

⑦水平風門在進行性能測試時，可自動或手動逐步調節風門大小，任意調節風阻，保證風機性能測試曲線的連續性和準確性，同時也大大提高了測試過程的安全性。

（3）反風方式

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

4.供電系統

（1）高壓供電系統

采用KYN28-12 型高壓開關柜，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、高壓聯絡柜2 臺，電機反向啟動柜2 臺。

將變壓器安裝在柜內，便于日常檢查、維護。增加兩臺反向啟動柜，滿足系統實現反轉反風條件。

（2）低壓供電系統

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

主授開關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

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構，一用一備，油泵安設于油箱內，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，并根據溫度自動投入運行。

PLC 就地控制箱可實現開、停泵、故障自動倒泵功能，并與遠程集控系統兼容。

6.遠程監控系統

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

（1）遠程監控站和現場控制站

系統核心采用西門子最新的SIMATIC S7-1500 系列PLC，遠程監控站采用工業級控機主機，現場PLC 控制柜設有液晶觸摸屏和控制選擇開關。

設備控制優先級為：就地控制→現場集中控制→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為就地控制方式，在就地進行設備操作，遠程集中控制和現場集中控制無效。

②現場集中控制：通過現場PLC 控制柜人機界面（液晶觸摸屏）對主扇風機及相關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“一鍵”操作自動按照相關設備的控制順序及聯鎖關系，完成風機的啟動和停機過程，以及“一鍵”操作實現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非正常停機情況，自動啟動另一臺備用風機。

⑥系統能夠準確、實時監測2 臺風機各種運行數據并自動保存到歷史數據庫，對監測參數進行快速分析處理，發現異常情況及時通過風機監控裝置發出聲、光和語音報警信號，并形成歷史報警記錄，方便查閱。

（2）視頻監控系統

對現場關鍵場所進行遠程視頻監控，視頻監控探頭采用高清網絡攝像機，采用DID 液晶拼接屏顯示、存儲。

現場安裝煙霧傳感器，接入視頻監控系統，全系統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部位。

三、應用效果

全部設備經過安裝調試、性能測試后，已經投入正常使用，實現了以下目的：

1.新型風機性能以對抗惡劣的地理條件，具有承載能力大，性能穩定的特點，充分滿足當前曉南礦安全生產的需求。

2.全部設備安裝在不影響礦井正常生產的情況下進行，主體設備保持原基礎不動，節省了安裝時間，確保了生產安全。

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，同時增加反轉柜，實現風機的反轉反風。電機軸承形式由滑動式改為滾動式，運行穩定、易維護。

5.增加遠程監控設備，分級設置，既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，實現了程序控制一鍵啟停、一鍵倒機、不停風倒機等遠程控制功能。

6.完善視頻監控系統，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，全面具備無人值守條件。

四、效益分析

1.東風井主通風機原來每班設崗位司機2 名，原班9 人。改造后，具備無人值守條件，可以設一人巡檢，減少崗位人員5人。人均工資7.8 萬元/年，年節省人工費7.8 萬元×5 人=39萬元。

2.東風井改造后，電機、風機效率提升，根據高壓線路實際消耗電量統計，2020 年3 月份～12 月份主扇消耗電量529萬度，2021 年同期消耗電量為465 萬度，10 個月減少電量消耗64 萬度，估算年節約電量76.8 萬度，節約電費55 萬元。

3.改造后風機運行穩定，異步電機無易損部件，基本免維護，原來同步電機需經常維修、更換軸瓦，更換碳刷、修理滑環等。每年可節約材料費、人工費10 萬元。

4.東風井主通風機改造立項于2020 年，籌建初期，曉南礦還未申請智能化示范礦，國家還未全面推行智能化煤礦的建設。在這種情況下，秉承既然改造必須先進的理念，預見性地提前完成了智能化示范礦建設相關要求，避免了智能化示范礦驗收標準下發后，因不符合標準，重新建設的問題。參照2021 年及2022 年中央風井集控改造費用，節約二次改造費用225 萬元。

五、結束語

主通風機作為煤礦最重要的大型固定設備，影響著全礦井的安全，主要通風機停運超過10 分鐘，井下工作面必須撤人，如果停運更長時間，可能需要全礦井撤人，主要通風機如果不能穩定運行，極易造成重大安全事故。曉南礦東風井主要通風機更新改造，一方面解決了風機故障率高，安全風險大的問題，另一方面利用更新改造的契機，敢于創新，提前籌劃，在智能化示范礦提出明確要求之前，預見性地完成了智能化示范礦建設要求，避免了重復建設。通過對東風井主通風機的全面更新改造，達到了保證安全生產、提高礦井智能化水平的預期目標，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。