变频调速技术在矿用对旋轴流式通风机上的节能应用与分析.pdf

1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 变频调速技术在矿用对旋轴流式 通风机上的节能应用与分析 袁国忠 天地科技股份有限公司 开采设计事业部,北京100013 [摘 要] 针对矿用对旋轴流式通风机的工作特性,应用异步电动机变频调速原理,通过分别 改变2台电动机的运行频率,实现风机两级动叶最佳流动匹配,进而对通风机运行工况进行随机合理 调节,在满足矿井风量、负压需求的前提下,减小通风机运行功率,达到通风机的最佳节能效果。 [关键词] 变频调速;对旋轴流式通风机;异步电动机;动叶;节能 [中图分类号] TD44112 [文献标识码] B [文章编号] 100626225 2009 0420067203 Application and Analysis of Frequency Control Technology in Contra2rotating Axial Fan [收稿日期] 2009 - 04 - 22 [作者简介]袁国忠1962 - ,男,黑龙江宝清人,高级工程师,长期从事煤矿机械的科研设计工作。 矿用对旋轴流式通风机因具有高效区范围较 大、矿井负压适应性强、噪声较低、土建及安装工 程简单、投资较低等优点,已逐渐被我国许多矿山 企业所采用。由于矿井通风设计的局限性和使用单 位管理水平的差异等因素的影响,此类通风设备在 我国很多矿山运用并不理想,其根本原因就是矿井 各时期通风网络参数与通风机运行参数不匹配造成 的。众所周知,通风机理想的运行效果是在满足矿 井通风要求的前提下,工况点始终处于高效区工 作,然而做到这一点并不容易,原因是矿井通风各 时期参数是变化的。轴流通风机动叶片角度通过调 整可以在一定范围内改变工况点,以满足通风需 要,但调整大了,虽然满足了矿井通风,同时通风 机运行效率也随之降低,这对风机节能十分不利。 目前我国矿山风机这种运行现象十分普遍,所谓高 效风机低效运行正源于此,如果矿井前后期通风参 数变化较大,这种现象将更为严重。 通过更换不同转速的电机辅之改变叶片角度获 取较理想的运行效果,这是设计、生产单位常用的 调整手段,但对旋轴流通风机的电机是安装在机体 内,更换不同机座号的电机非常复杂,几乎不可 能,所以设计单位采用对旋风机时,通常按通风最 困难时期选择电机,这就容易进一步造成 “ 大马 拉小车 ”的现象。由于矿井通风机处于长时间连 续不断的运行,所消耗的电能在矿井中占很大的比 重,因此,通风机运行工况的调整是矿井通风节能 降耗技术的重要一环。 调整对旋轴流式通风机运行工况,主要是调整 电机转速。电机调速方式很多,但以电力电子技术 为基础的变频调速代表了现代调速技术主流,应用 范围非常广阔,它具有技术成熟、可靠性高、安装 方便、适应性强、功率因数高、损耗小等优点,是 对旋风机调速最佳选择,应用变频调速技术对通风 机工况合理调节,保证对旋通风机运行在高效区范 围内,对矿井 “ 节能减排 ” 、降低吨煤成本、提高 矿井效益具有重要的意义。 1 对旋轴流式通风机的发展及特性简介 对旋轴流式风机理论源于20世纪30年代初, 当时设置在法国莫丹ONERA法国国家航空研究 局的大型风洞,利用2台冲击式水轮机作为对 旋轴流风机的动力所进行的风洞试验,得到了转速 在100～240r/min的综合特性曲线,同时相继获得 了叶轮不同转速的特性曲线和相对功率消耗曲线。 20世纪90年代,我国对旋轴流式通风机的研究也 已十分普遍,其研究的重点主要是通过风流流场计 算分析,解决叶片叶型在对旋风机上的应用,以提 高效率、降低噪音进行优化设计。随着风机设计理 论提高和实际应用的不断深入,逐渐掌握了对旋轴 流式通风机两级动叶的效率、风压、风量特性和功 率特性的关系,以及气动特性规律,在结构上做了 重大改进,对旋轴流式通风机特性如下 1结构上取消静叶,不存在静叶损失,因 此风机效率比普通风机较高; 2具有较大的反向送风能力; 3根据不同的风压、风量要求,该型风机 76 第14卷 第4期总第89期 2009年8月 煤 矿 开 采 Coalmining Technology Vo1114No14 SeriesNo1 89 August 2009 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 可采用3种运行方式Ⅰ 级、Ⅱ 级叶轮同时运转; Ⅰ 级叶轮运转,Ⅱ 级叶轮停止;Ⅰ 级叶轮停止,Ⅱ 级叶轮运转。这3种运行方式大大拓宽了实际应用 范围实际应用时不推荐后2种运行方式 ; 4两级叶轮分别由2台电机驱动的方式, 有利于根据矿井风压、风量变化对风机特性随时进 行调整。由于对旋风机具有上述特性,当运用变频 调速技术对对旋轴流式通风机 Ⅰ 级和 Ⅱ 级叶轮进行 差动运转,可以最大限度改善对旋风机的失速裕 度、运行效率及对旋级压升、风压-风量的综合气 动特性,从而实现合理、高效、经济的运行工况, 使通风机综合性能更加合理。 2 变频调速的节能原理 对通风机进行调速控制属于减少空气动力的节 能方法,同调节风门控制风量方法相比,具有明显 的节能效果。 根据电机学原理,异步电动机的转速公式 n 60f p 1 - s 上式说明,电动机的转速n与电源频率f成线 性关系,若电机定子磁极对数p、转差率s不变, 改变电源频率f,就可以改变电动机的转速n。 通风机的节能调节原理见图1。 图1 通风机节能调节原理 当风机工况点在A点时,风量Q1、负压H1, 此时轴功率N1为Q1H1的乘积,即面积AH10Q1; 当生产需要风量由Q1降到Q2、负压由H1降到H2 时,如果采用调节风门方法,则工作特性曲线由 3变到 4 , 通风机由A点 移到B点运行,轴 功率N2为BH20Q2围成的面积,由图1可以看出, H2H3CB围成的面积即为风门消耗的无益功率,这 种无益功率对长期运行的风机来说损耗是相当大 的,因此,风机节能目标就是尽量消除这种无益损 耗。 当采用变频调速控制时,将通风机转速由n1 降到n2,根据通风机的比例定律,做出在转速n2 下风机的H2Q特性曲线,如曲线 2 , 工况点C 的轴功率为0H3CQ2,可见在满足Q2,H3的情况 下,风门产生的无益损耗通过调速运行已经全没有 了,达到了节能目的。 按照通风机的比例定律,其调速后的特性曲线 任一点的变化规律是通风机的转速变为n时,风 量Q为同比例下降,负压H为平方关系下降,轴 功率P为立方关系下降,而风机转速改变后,运 行效率基本不变。当采用变频调速时,频率与转 速、风量、风压、轴功率及节电率的关系见表1。 表1 频率与转速、风量、风压、轴功率及节电率的关系 频率f/Hz 50454035 转速n/100908070 风量Q/100908070 风压H/100816449 轴功率P/100721951123413 节电率/0271148186517 由表1可知,当矿井实际需风量减少时,调整 风机转速使其他参数跟随下降,此时轴功率也会降 低,电动机输出功率的降低意味着实现节能目标。 需要注意的是表1只是对风机能耗的理论计 算,并未考虑电动机运行参数的变化,一般电机参 数变化规律是调速范围较小,电机功率因数、效率 变化不显著,即电机损耗不大;如果转速调节范围 较大,电机功率因数、效率则降低较多,即电机损 耗较大,因此,对旋风机采用变频调速时,节能计 算要考虑电动机参数变化影响,只有电机与负载的 机械特性匹配适当,改变了运行工况点,才能得到 很好的整体节能效果。 3 变频技术在对旋轴流式通风机上的应用与分析 某矿风井装备2台FBCDZ - 6 -№18型对旋轴 流式通风机,每台配2台2110kW,380V电动 机,采用变频器调速。在通风机稳定运行后,该矿 会同当地煤矿安全监察局安检中心等部门,对通风 机的变频数据进行联合测试,实测数据见表2。 通过对实测数据进行分析,得出如下结论 1由于对旋轴流式通风机的压力-风量特 性曲线较陡,较小的风量变化,即可得到较大的风 压变化,适用于矿井通风使用; 86 总第89期煤 矿 开 采2009年第4期 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 表2 通风机的变频数据实测数据 频率 Ⅰ 级/ Ⅱ 级/Hz 功率/kW 风量/ m 3s- 1负压/Pa 备注 50/50181138491452715 工频状态下 的实测数据 45/50153185441842190 40/50129156441071900 35/50110140391461610 Ⅰ级动叶通过变频 调速,实施差动运 转的实测数据 50/45161182471662210 50/40146187451352100 50/35133154431301950 Ⅱ级动叶通过变频 调速,实施差动运 转的实测数据 45/45133138461891950 40/4095196401231590 35/3567177341341260 Ⅰ、Ⅱ 两级动叶同 时变频调速,实施 同步运转的实测数 据 2矿山实际工作中,由于矿井管网特性发生 变化,使对旋轴流式通风机的运行工况逐渐偏离原 工况点,为使通风机运行工况适应矿井管网的变 化,可采用调节叶轮特性的方法来实现。通过对表 2中的实际运行数据的分析可知,Ⅱ 级叶轮的气动 负荷比 Ⅰ 级叶轮的气动负荷大,且 Ⅰ、Ⅱ 两级叶轮 的功率特性变化也不同; 3在合理工况情况下,Ⅰ 级动叶、Ⅱ 级动叶 同时调频变速,在两级动叶转速相同的情况下,节 能效果最为明显; 4根据矿井通风管网特性和实际需求风量 不同,矿用对旋轴流式通风机应用变频调节技术的 节能幅度,大约在15～46。 综上所述,采用变频调速技术应用于对旋轴流 式通风机,能够实现两级动叶气流流动合理匹配, 方便随机调整工况,随时满足矿井风量、负压的变 化要求,实现节能运行。 4 变频调速技术在轴流式通风机应用中的优点 1能够分别对 Ⅰ级动叶和 Ⅱ级动叶实现差 动运转以达到两级动叶的最佳流动匹配,不仅随机 改善了风机运行工况,满足矿井生产需求风量,同 时,节能效果非常明显。 2软启动方便,停止平稳,可实现对 Ⅰ 级、 Ⅱ 级叶轮电机的分别单调或双级统调的无级调速, 调速范围大。 3能够降低电动机运行时的噪音与温升。 4与传统电力拖动方式相比,变频调速装 置在启动时对系统电网无冲击,压降较小,有利于 保证安全供电,同时可减少机械冲击及瞬态转矩反 应,降低电动机疲劳磨损,延长电动机使用寿命。 5 结束语 对旋轴流式通风机在我国矿山企业已经广泛应 用,结合它的使用现状和发展趋势,采用变频调速 技术,对实现节能运转、降低生产成本、提高自动 化程度均具有重要意义。 变频技术已经随着电力电子技术、微电子技 术、电子计算机及智能自动化控制理论等多学科的 发展而取得了长足的进步,变频调速节能产品也实 现了由低压到高压、由小功率到大功率的发展,充 分发挥了对旋轴流式通风机的综合技术优势。 [责任编辑周景林] 上接71页 1005Hz的非正常频率采样值滤掉选1005Hz是考 虑到测量及传输产生的误差有可能为015 ,这 样分站冒大数的问题就很容易解决掉;其次,在处 理连续采集的6个周期数据时,采用了中位值平均 滤波法又称防脉冲干扰平均滤波法 , 将采集的 6个数据进行大小排序,将最大和最小的数值去掉 后,再计算剩下的4个数据的算术平均值作为本次 采样值,这样可以滤掉偶然出现的脉冲干扰给采样 值带来的偏差;最后,当处理I NT0端口对任一通 道循环采样4次的数据时,采用算术平均值滤波方 法计算出每个通道最终的采样值,这样得到的采样 数据既快捷又准确,还能够满足行业标准对分站 2s断电的要求,是一种既简单又实用的方法。上 述采样方法没有采用连续采样每个通道24个周期, 是因为多次分段采样可以更准确的采到实时频率 值,而且在数据处理上不占用更多的内存单元,为 单片机更快捷的处理数据提供了方便。 5 结束语 在煤矿安全监控系统中,分站的性能和功能起 着主导作用,尤其是数据采集和控制部分是分站的 核心技术,能够以最简单的电路实现模拟量的准确 测量和迅捷控制是本分站的特色,它不仅能够满足 新的行业标准的要求,而且具有实时性强、可靠性 高、结构简单、操作方便等特点。 [参考文献] [1 ]王红尧,华 钢,张瀚超 1煤矿安全监控分站的研究[ J ]1 电子设计应用, 2005 12 102 - 1041 [责任编辑王兴库] 96 袁国忠变频调速技术在矿用对旋轴流式通风机上的节能应用与分析2009年第4期