变频技术在矿井通风管理中的应用.pdf

技术经验 变频技术在矿井通风管理中的应用 田景武, 马丛林 开滦集团有限责任公司 东欢坨矿业分公司, 河北 唐山 064002 摘 要 以开滦东欢坨矿业公司为例, 介绍了矿井主要通风机变频技术在矿井通风管理实践中的 巨大优越性。 关键词 主要通风机; 变频; 通风管理; 应用 中图分类号 TD724. 3 文献标识码 B 文章编号 1003- 496X 2005 04- 0027- 03 变频技术由于其节能效果显著而被各个领域机 电设备广泛应用。 对井工开采的煤矿而言, 主要通风 机电耗约占矿井总电耗的 8 ～15 , 如何利用变 频技术对主要通风机进行改造, 使其在保证矿井通 风安全前提下降低通风成本、 提高通风管理水平, 成 为煤矿通风管理人员的一个努力方向。开滦东欢坨 矿业公司在 1999 年主要通风机投入运行前成功地 进行了变频技术改造, 并在 4 年多的通风管理实践 中取得了可喜的应用效果。 1 矿井概况 开滦东欢坨矿业公司是 2000 年正式移交的新 型现代化矿井, 生产能力为 100 万 t/ a。该矿井共有 3 个井筒, 由主、 副井进风, 风井回风, 其进风水平为 - 500 m, 回风水平为- 230 m。 矿井采用中央分列抽出式通风, 地面风井安装 有 2KZ- D№. 24 型轴流式通风机 2 台, 配套电机功 率为 250 kW。运转一台, 互为备用。并且主要通风 水事件, 突水通道为与切眼成 40 交角的构造裂隙, 最大突水量 240 m 3/ h, 突水后施工泄水巷疏水至疏 干。12010 采面水文补勘测得在没有大量疏水的情 况下二灰水位较勘探时期下降了 130 m, 且从矿井 涌水量, 降雨量和地下水位相关曲线的长期观测资 料看, 二灰水补给微弱, 说明己二采区二灰水以消耗 静储量为主。 5 结 论 1 平顶山十三矿井田为地垒型的复向斜构造, 是相对独立的水文地质单元, 井田内基岩地下水主 要是由汝河水及大气降水通过煤系露头入渗补给。 地下水总流向基本遵循自西向东运动规律。目前地 表水入渗量小, 一般不会造成突水, 但饱含高压水的 石灰岩底板水和老空水是突水隐患。煤层底板下的 灰岩富水带是矿井充水水源, 寒武系含水层是补给 水源, 含水断层是导水通道, 在开采二1煤层时, 遇 充水断层要特别注意预防矿井突水。 2 威胁十三矿己组煤采区正常生产的水体是 松散层底部含水层和汝河, 对顶板砂岩水应以疏排 为主, 对地表水、 奥灰水应以防为主。运用不集中放 顶煤、 遇到断层等构造时先探水后过断层、 开采前在 上下顺槽中打钻提前疏放二灰岩水等措施, 可防止 矿井突水。 参考文献 〔 1〕 王永红, 沈文. 中国煤矿水害预防及治理〔M〕 . 北京 煤 炭工业出版社, 1996. 41- 46 〔 2〕 王鹰, 陈强, 魏有仪, 王华. 红外探测技术在圆梁山隧道 突水预报中的应用〔 J〕 . 岩石力学与工程学报, 2003, 22 5 〔 3〕 靳德武, 王延福, 马培智. 煤层底板突水的动力学分析 〔J〕 . 西安矿业学院学报, 1997, 174 〔 4〕 尹万才, 尹增德, 施龙青. 矿井突水原因及其防治〔 J〕 . 焦作工学院学报, 1999, 181 作者简介 于辉光 1971- , 男, 黑龙江七台河人, 工程 师, 1994 年本科毕业于东北大学, 现为中国矿业大学 北京 校区防灾减灾及防护工程硕士研究生。 收稿日期 2004- 12- 30; 责任编辑 梁绍权 27 第 36 卷 第 4期 煤 矿 安 全 2005 年 4 月 机在投入运行前进行了变频改造, 即对风机的 250 kW 8 级异步鼠笼电机配备了 280 kW 变频柜供电, 通过改变变频柜输出频率来改变电机的运转速度。 电机输入频率不再是原电网的固定的工频 50 Hz, 而是可控的 0. 2～50 Hz 中的任意值。 通过变频柜的 调节旋钮使风机平滑调速, 从而使风机曲线由原来 的每一个叶片角度的单条, 而变为在区间内的曲线 面, 在矿井同一风网状态下, 风机工况由一点变为一 定区间内的曲线段, 使风量自如地按需调改。 反风亦 如此。 2 主要通风机及相关设备性能参数 2. 1 主要通风机 配套电机 变频器的性能参数 主要通风机、 配套电机及变频器的性能参数分 别见表 1、 表 2、 表 3。 2. 2 主要通风机运转实时数据 主要通风机运转实时数据见表 4。 表 1 主要通风机性能参数 型 号 风 量 / m3min- 1 静 压 / Pa 转 速 /rmin- 1 最高静压 效率/ 2KZ-D№- 24 3 200 ～ 7 600 1 275 ～ 3 140 75084 表 2 配套电机性能参数 型 号 电 流 / A 电 压 / V 功 率 / kW 频 率 / Hz 转 速 / rmin- 1 功 率 因 数 Y355L2- 8481380250507400. 81 表 3 变频器性能参数 型 号 电 流 / A 电 压 / V 频 率 / Hz 功 率 /kW 变频方式 BT KF 5203800. 2～120280交直交 备注 变频器故障, 系统可自动切换至工频状态, 即频率为50 Hz, 转速不可调。考虑风机和电机强度等限制, 变频器 锁定最高频率为 50 Hz。 表 4 主要通风机运转实时数据 时 间 总出风量 / m3min- 1 总负压 /Pa 空气功率 /kW 电 流 /A 电 压 /V 输入功率 /kW 转 速 /rmin- 1 频 率 /Hz 效 率 / 2003- 084 2601 17083. 07281299122. 2361040. 7368 3 变频技术的应用 3. 1 应用原理 矿井通风必须适应矿井通风网络的变化, 保证 矿井风量按需分配的及时、 充足、 可靠和经济。主要 通风机装备变频器后, 系统通过变频器运行于节能 调速状态, 调节变频器的频率输出, 可相应改变主要 通风机电机的转速。根据风机比例定律 在雷诺数 Re≥5106、 风机叶轮直径、 工作介质空气的密度不 变状态下, 通风机的风量 Q 与转速 n 的一次方成正 比; 风压H 与转速n 2 成正比; 功率N 与转速n 3 成正 比; 风机效率不变。 因此, 风机转速调整, 风量将随之 成比例改变, 而风机功率消耗则成三次方大幅度增 减, 故根据需要及时利用变频调速的方法调控风量 节能效果非常显著。 同时, 在矿井通风网络发生变化需要主要通风 机进行变频调速调风时, 可根据矿井需风量 Q 和通 风网络解算的风阻值 R, 依据阻力定律H RQ 2 进 行主要通风机风压 H 的预计, 然后参照风机的性能 曲线及风机房负压计来进行变频调速的操作, 从而 确保矿井风量按需分配的及时、 充足、 可靠。 3. 2 应用实例 东欢坨矿井 1999 年 6 月主要通风机正式投入 运行, 由于矿井属边生产边建设矿井, 井下巷道系统 不尽完善, 生产衔接、 巷道贯通、 生产准备变化较频 繁, 而且井下巷道压力明显, 动态风阻变化较大, 使 矿井通风系统调改频繁, 给通风管理工作带来一定 困难。 主要通风机变频技术的应用, 使矿井通风管理 水平大大提高, 确保了矿井通风的稳定、 经济、 可靠。 3. 2. 1 通风系统有较大变化时应用 1999 年 10 月, 矿井新开发的北一采区上山贯 通前, 只有中央采区生产。北一采区上山的贯通, 使 得矿井通风网络及两采区的风量分配发生较大改 变。为确保风网改变后中央采区各用风点风量保持 稳定, 同时满足北一采区增加工作面的用风需求, 经 通风网络解算提前预测矿井总需风量和总风阻, 在 及时调整井下通风系统前提下, 及时利用变频技术 调整风机转速, 满足了生产用风, 确保了矿井通风系 统安全可靠。具体数据见表 5。 28 第 36 卷 第 4期 煤 矿 安 全 2005 年 4 月 表 5 北一采区贯通前后主要通风机运行情况及矿井风量分配 项 目 片叶角度 / 转 速 / rmin- 1 频 率 /Hz 风 量 / m3min- 1 总 计中央采区北一采区 总风压 / Pa 调改前3040026. 472 3422 187. 80650 调改后3042328. 022 8391 788896720 3. 2. 2 通风系统优化时的应用 东欢坨井下生产工作面衔接较频繁, 通风系统 变化也较快, 为保证通风系统稳定可靠和经济, 必须 及时调整和优化通风系统。 例如, 及时回撤封闭废旧 巷道以简化系统; 清卧套修受压变形巷道, 确保通风 有效断面, 降低通风风阻等。 通过简化和优化通风系 统, 降低了矿井通风风阻, 根据风机特性曲线知 主 要通风机风压下降, 风量增加。如不及时调转降风, 将会造成不必要的通风电耗。其值近似为矿井降阻 增风值 Q 与主要通风机变频调速至原风量时的降 压值 H 之积与风机效率 之比, 再与运转时间和 电价之积。2002 年公司累计调整主要通风机工况 6 次, 节省通风费用 5. 16 万元。 3. 2. 3 自然风压变化时的应用 由于矿井进、 回风空气的温度、 湿度、 压力、 空气 成分的变化, 引起空气密度的不同, 形成自然风压。 由于季节的不同, 自然风压对矿井通风的影响也不 同夏季其作用方向与主要通风机相反, 对矿井 通风起阻碍作用; 冬季其作用方向与主要通风机相 同, 对矿井通风起帮助作用。 东欢坨矿进风井深520 m, 夏冬两季自然风压最大可达240 Pa。 为保证在自 然风压影响下风量稳定, 公司每年随季节变化及时 科学地进行主要通风机的变频调速工作, 即冬季减 转, 充分利用自然风压, 降低通风电耗; 夏季增转, 消 除自然风压对矿井通风的影响, 保证了矿井风量的 可靠。 3. 2. 4 矿井反风时的应用 矿井反风是煤炭井工开采中, 对特定地点发生 火灾事故的一种有效的救灾手段。 煤矿安全规程 第 122 条规定 矿井每年进行 1 次反风演习, 且反风 量不小于正常供风量的 40。自 1999 年 6 月主要 通风机投入使用后, 每年均进行了矿井反风。 在反风 演习中, 可以根据演习要求, 利用变频技术, 在一定 范围内任意增加矿井反风量, 增强了矿井抗灾变能 力。 2000 年- 2003年的反风演习风机运转情况见表 6。 表 6 矿井反风演习时风机运转情况 时 间 反风前/ 反风中 风机别 片叶角度 / 转 速 / rmin- 1 总风量 / m3min- 1 总风压 / Pa 风量比 / 反风方式 2000- 02- 07 I/II 30/ 35415/ 4382 928/ 1 794800/40061. 2备用风机反转反风 2001- 05- 01 I 30500/ 5003 492/ 2 694770/41077. 1运转风机反转反风 2002- 10- 26 I/II 35/ 35630/ 7014 656/ 3 570950/72076. 7备用风机反转反风 4 结束语 1 主要通风机变频技术的应用, 扩大了风机工 况的选择范围, 在矿井通风系统调改完善、 自然风压 利用、 抗灾反风演习等具体通风管理实践中, 能够做 到供风量的按需调控, 而且操作简单方便、 及时可 靠, 切实做到了主要通风机与矿井风网的合理匹配。 2 主要通风机变频技术的应用, 保证了主要通 风机在满足矿井需风要求下的工况最优, 改变了大 功率风机小风量需求情况下传统的增阻调风方式, 取得了较高的经济效益。现东欢坨矿业公司年产 100 万 t, 吨煤通风电耗仅为 0. 876 元/ t, 通风电耗 仅占矿井总电耗的 1. 7 。 3 东欢坨矿业公司应用的变频器为 BTKF- 520A/ 380V 型, 具有技术成熟、 性能稳定、 旋钮操 作、 可视显示、 变频域宽及故障自动切换工频等优 点。使用 4 年多, 未发生任何问题, 真正做到了免维 护, 达到了矿井安全生产对主要通风机的要求。 4 主要通风机变频技术的应用必须结合井下 通风系统实际, 每次变频调速前必须对矿井通风网 络进行优化和解算, 以便科学确定调频参数。 作者简介 田景武1970- , 男, 河北唐山人, 1995 年毕 业于阜新矿业学院现辽宁工程技术大学 通风与安全专业, 工程师, 现任开滦东欢坨矿业分公司通风技术区长, 从事矿 井通风与安全管理工作, 在职攻读研究生中国矿业大学北 京校区, 已发表论文数篇。 收稿日期 2005- 01- 25; 责任编辑 郭瑞年 29 第 36 卷 第 4期 煤 矿 安 全 2005 年 4 月