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第37卷第10期 煤 炭 科 学 技 术 Vol137 No110 2009年10月Coal Science and TechnologyOct . 2009 鲁西煤矿主要通风机节能控制技术改造实践 王庆照,林雪礼,郭守华 山东里能鲁西矿业有限公司,山东 济宁 272053 摘 要结合鲁西煤矿通风机及其控制系统改造经验,提出对主要通风机和其电控系统的改造方 案,采用电机变频调速节能技术、PLC控制和实时监测监控技术,使机电设备达到最优化配置,并 发挥设备的最优效能,最终实现了矿井主要通风机安全、高效、节能运行。 关键词通风机;变频控制;节能 中图分类号TD441 文献标志码 A 文章编号 0253 - 2336 2009 10 - 0077 - 04 Reconstruction Practices on Energy Saving Technology of M ineMa in Ventilator in LuxiCoalM ine WANGQing2zhao, L I N Xue2li, GUO Shou2hua Shandong Lineng LuxiM ining Company Ltd. , Jining 272053, China Abstract In combined with the reconstruction experiences on the mine ventilator and the control system inLuxiCoalMine, a reconstruc2 tion plan of the main ventilator and its electric control system was provided. W ith the frequency converted speed control energy saving technology of the electric motor, PLC control and on time monitoring and control technology, the electromechanical equipment could be opti mized in allocation.The equipment could be played with the optimized efficiency and function.Thus the mine main ventilator would have the safety, high efficient and energy saving operation. Key words ventilator; frequency converted control; energy saving 矿井主要通风机是煤矿通风系统的核心,其运 行好坏直接关系到整个矿井的安全生产。随着科学 技术的发展,矿井通风技术取得很大进步,高效、 节能、低噪声通风机逐步得到广泛应用,通风机控 制技术也逐渐成熟。电机变频调速节能技术、PLC 控制技术、实时监测监控技术在通风机控制与监控 方面得到了应用,为矿井主要通风机安全、高效、 节能运行提供了强有力的技术支撑。 1 矿井概况 鲁西煤矿2000年7月开工建设, 2002年8月 生产系统通过验收,同年9月正式投入生产。矿井 设计生产能力45万t/a,服务年限5814 a,核定生 产能力87万t/a。矿井为立井开拓,采用中央并列 抽出式通风,副井进风,主井回风。装备2台 BDK62 - 8 - No23型轴流式通风机,其工作风量 3914～9917 m 3 /s;工作风压1 080～3 130 Pa;转 速740 r/min;功率2132 kW。其中1台备用, 采用传统的低压自耦变压器降压启动控制方式。根 据矿井生产及接续情况, 2009年以后,矿井需要 通风量99125 m 3 /s;一采区 3 煤和下组煤 16, 17煤,下同同时开采时, 初期负压1 638 Pa,中期负压2 45612 Pa;下组煤和三采区 3 煤同时开采时,初期负压1 638 Pa,困难时期通 风负压3 12319 Pa。因此,目前使用的通风机将不 能满足矿井生产要求,必须对其进行改造。 2 改造方案 211 主要通风机改造 1 方案一仍采用目前使用的BDK62 - 8 - No23型轴流式通风机,不更换叶片,更换电机为 2185 kW,改造通风机轮毂及电机基座。按照矿 井需风量要求,通风机运行角度43风量接近最 大值 , 通风机在低效区运行效率低于70 , 服务年限为5 a。5 a以后,下组煤开采以远,三采 区开拓及以后开采时,根据该型轴流式通风机性能 曲线,通风机找不到运行工况点。 2 方案二仍采用目前使用的BDK62 - 8 - No23型轴流式通风机的机壳,更换叶片数量由 20片增加到32片 , 重新加工轮毂,同时改造电 77 2009年第10期 煤 炭 科 学 技 术 第37卷 机基座,更换电机为2250 kW。通风机运行角度 较大风量接近最大值 , 初期效率较低,中后期 通风机运行效率高,服务年限为20 a。20 a以后, 必须再次进行通风机更新改造。 3 方案三将通风机更换为BD -Ⅱ- 8 - No23型高效、节能通风机,电机功率2250 kW, 在原位置上进行安装。通过选型计算,能够满足矿 井各时期通风需要。 4 通风机选型计算 [1 - 5 ]。通风机需要产生的 风量QKQ199125 m 3 /s,其中K为通风设备漏 风系数,取1115风井兼作箕斗提升井 ; Q1为矿 井所需的风量, 8613 m 3 /s。通风机需要产生负压 ① 投产初期H1 HK1∑h11 63810 Pa;② 中期 H2 HK2∑h22 45612 Pa;③ 困难时期H3 HK3∑h33 12319 Pa。其中HK1,HK2,HK3分别 为矿井通风初期、中期、困难时期负压,分别取 1 38810,2 20612,2 82319 Pa; ∑h1,∑h2, ∑h3分别为矿井通风初期、中期、困难时期除风 源之外的风道、辅助装置出口消音器等产生 的风压损失, ∑h1和∑h2取 200 Pa, ∑h3取 300 Pa;R1H1/Q 2 01166 3,R2H2/Q 2 01249 3, R3H3/Q 2 01317 1,R1, R2, R3分别为矿井投产 初期、中期、困难时期管网阻力系数。电动机选 型 NZ1QH1/1 000η1 254102 kW,NZ2 QH2/1000η2 312154kW,NZ3QH3/ 1 000η3387156 kW,NZ1,NZ2,NZ3分别为矿 井投产初期、中期、困难时期电机轴功率,η1, η2,η3分别为通风机各时期效率对应表1。N1, N2, N3为矿井投产初期,中期,困难时期通风机 电机 功 率,N1KzNZ1/ηc 298108 kW,N2 KzNZ2/ηc 366176 kW,N3KzNZ3/ηc 454179 kW,其中Kz为电机富裕系数,取1115,ηc为电机 效率, 98。 方案二通风机电机功率为2250 kW,方案三 通风机功率为2250 kW。方案二和方案三的通风 机工况点参数见表1, BD -Ⅱ- 8 - No23型通风机 性能曲线如图1所示。 表1 通风机工况点参数 时 期 方案二 风量/ m3s- 1负压/Pa叶片安装角 / 效率/ 方案三 风量/ m3s- 1负压/Pa叶片安装角 / 效率/ 投产初期991251 638103864991251 63810- 476 中期991252 456124078991252 45612- 282 困难时期991253 123193880991253 12319182 ▲ 为工况点 图1 BD -Ⅱ- 8 - No23型通风机性能曲线 212 主要通风机电控系统改造 通风机功率确定为2250 kW后,通过工业 广场变电所用电负荷统计计算,变电所有功功率 64119 kW,无功功率补偿240 kvar后为27211 kvar,视在容量为69712 kVA。因此,目前变电所 2台S9 - 630 /6型油浸变压器 6 10 /014 kV, 630 kVA不能满足供电要求。根据 10 kV及以下变 电所设计规范 ,装有2台及以上变压器的变电 所,当其中任意1台变压器断开时,其余变压器的 容量应满足一级、二级负荷用电要求。根据 煤 炭工业矿井设计规范 煤矿安全规程 要求,矿 井主要通风机为一级负荷。 1 方案一工业广场变电所改造根据工业 广场变电所负荷统计表和变压器室实际尺寸,更换 原2台油浸变压器为2台SC9 - 1000 /10型干式变 压器 6 10 /014 kV, 1 000 kVA ,变压器室安装2 套自动控制轴流风扇,以改善变压器室散热。进线 柜低压断路器整定值调整为过流1 600 A, 6倍短 路系数;隔离开关增容为GN2 - 10 /2000型操动 机构CS6 - 2T、电流互感器换为2000 /5A型;母 联柜隔离开关增容为GN2 - 10 /2000型操动机构 87 王庆照等鲁西煤矿主要通风机节能控制技术改造实践2009年第10期 CS6 - 2T ;低压柜相母线换为T MY - 12010型, 低压中性母线换为T MY - 808型。 通风机的控制方式有以下3种。① 采用传统的 自耦变压器降压启动控制方式。利用自耦变压器降 压启动,以减少电动机启动电流对输电网络的影 响,并可加速电动机至额定转速和人为停止电动 机,控制系统具有过负荷、断路、短路等保护。通 过调节叶片角度来实现通风机风量调节,电机额定 转速运行,节电效果不明显。设备购置及安装费用 约70万元。② 采用工、变频控制方式。选用5台 控制柜工频控制柜2台、变频控制柜2台、运行 控制柜采用PLC控制 1 台,利用通风机主控 制室空间安装。运行方式工频控制柜和变频控制 柜各2套,分别控制每台通风机的2台电机,启动 时互不影响,同时运行,每台电机能实现工频或者 变频2种运行方式,在任何一种方式出现故障时, 可自动转换到另一种运行方式,确保通风机正常工 作,工频与变频互相闭锁。配有电压表和电流表, 可实时动态监测通风机在运行过程中的各种电气参 数。设备购置及安装费用约105万元。③ 采用变频 控制方式。采用变频和PLC程序控制系统,分别 控制2台通风机,实现通风机自动化控制运行要 求。控制系统能实现通风机电机、轴承温度连续检 测,超温时能发出超温信号,实现声光报警。控制 系统设有通风机启动正向、反向、运行正 向、反向、停车和风门启动正向、反向、停 止等按钮和指示灯,操作简单方便。通风机采用变 频器拖动能够实现通风机电机软启动,并能提高通 风机运行效率,节能效果明显。设备购置及安装费 用约110万元。 2 方案二通风机电机更换为2250 kW高 压电机6 kV ,采用直接启、停方式控制通风机 运行。这样需增加一套高压配电系统,安装高压开 关柜14台,需重建高压配电室。设备费、土建费 及安装费用约145万元。 3 方案三高压变频控制。采用高压变频系 统进行控制,易于实现通风机电控自动化,并有良 好的节能效果,但是设备初期投资较高,设备购置 及安装费用约225万元。 3 方案经济技术比较 1 对通风机进行经济技术比较可知方案一 和方案二,通风机运行效率较低,且都存在二次改 造问题,综合改造投资费用较高。方案三,在目前 使用的通风机位置上更换新通风机。新通风机运行 特性曲线能够满足矿井整个生产期间的需要,风 量、风压富裕量大。新通风机采用最新技术,效率 高,噪声低,节能环保效果好,运行安全可靠,综 合电耗低。因此选择方案三。 2 对通风机电控方案经济技术比较可知方 案一为低压控制系统,通风机电源供电系统可在现 有系统上利用检修时间进行技术改造。根据目前变 频控制技术发展情况,采用变频控制方式,可提高 通风机控制系统的自动化水平,并能够提高通风机 效率,实现通风机软启动,大幅节约电能。方案 二,采用高压控制系统,需重建高压配电室,购置 多面高压控制柜,增加了基建和设备投资。方案 三,采用高压变频控制,设备投资费用太高。因此 采用方案一。 4 技术优点和经济运行分析 411 技术优点 1 经过通风机改造方案论证和对设备实地考 察,选用BD -Ⅱ- 8 - No23型对旋轴流式通风机 2台,基本参数为风量35～150 m 3 /s,风压 1 400～4 500 Pa,额定电压380 V,功率2250 kW,电机额定转速742 r/min。新通风机较原先使 用的通风机有以下优点。① 叶片采用弯掠组合正交 三维扭曲技术,实现了通风机高效节能、低噪声运 行目标。叶片与轮毂采用卡箍固定方式,固定牢靠 且便于角度调整。② 通风机结构设计紧凑、简单, 运行平稳、维护方便。通风机采用两级叶轮对旋传 动结构,分别有2台同容量电机驱动,实现高效、 高风压的传动方式,对轴流通风机长轴传动的缺点 和不利因素进行改进,消除了传动系统易于损坏变 形的现象。另外,在通风机电机的非轴伸端增设制 动装置,以满足通风机反风时的制动要求。③ 通风 机电机安装在独立的隔流腔内,具有独立的通风散 热系统,实现了电机与通风机风流道内爆炸性气体 的有效隔绝。电机选用进口SKF轴承,采用外注 油方式,可在不停机的情况下进行注油。电机内部 设防凝露加热器,防止电机受潮。电机定子绕组、 两端轴承部位分别预埋2组PT100测温探头冗 余设计 , 通过温度模块转换,可在电控柜液晶屏 97 2009年第10期 煤 炭 科 学 技 术 第37卷 上实时显示,从而实现了操作人员动态监控轴承、 电机温度,确保通风机安全运行。④ 通风机采用电 机反转实现反风,在各种工况下反风效率能达到额 定效率的60以上。 2 通风机电控系统分别采用4台ACS800型 变频器进行控制运行,采用PLC进行综合自动控 制。变压器选用SC10 - 1000干式变压器自动温 控风冷 , 低压馈电、联络开关选用手车式真空断 路器,其主要优点有以下6点。① 便于实现通风机 切换和反风操作,简化了操作程序,提高了控制精 度,有利于通风机安全控制,自动化程度高。② 电 控柜的2台控制柜面板装有彩色触摸屏和变频器操 控模块。触摸屏具有良好的人机界面,能够方便设 置通风机运行控制参数,且能实时显示和监控设备 运行的各种状态。变频器操控模块能够实时显示电 机运行速度、电机功率百分比,通风机转向。从而 实现了通风机自动化控制要求。③ 通风机采用变频 器拖动能够实现通风机电机软启动,电机启动时间 缩短为30 s以内。电机软启动,一方面减小了电 网的电压降,改善电网电源质量;另一方面,减少 了通风机机械冲击与震动,大幅提高了设备机械寿 命。④ 通风机启动、切换与反风操作时间短,通风 机参数调整方便快捷。通过现场测试,通风机启 动、切换与反风操作可在3 min之内完成,远低于 煤矿安全规程 规定的时间10 min内完成。 通风机参数调整可在不停机的情况下瞬间完成操 作。所有这些操作大幅提高了通风机控制的安全、 可靠性,有利于矿井通风系统安全运行。⑤ 采用新 型节能干式变压器和真空断路器,真正实现设备运 行免维护。⑥ 采用变频拖动电机,节能效果明显。 412 经济运行分析 2008年2月21日,鲁西煤矿完成了1号、2 号通风机的全部改造工作。经山东煤矿设备检测中 心全面测试,该矿1号、2号通风机性能稳定,各 项参数指标完全符合规定要求,通风机能够满足矿 井通风需要。目前通风机已安全运行8个月,达到 了安全运行免维护要求。改造后的1号、2号主要 通风机运行角度通风机前级风叶2114,通风机二 级风叶1718,运行频率33 Hz,转速495 r/min, 电机运行功率80 kW,通风机效率8013。通过计 算,改造后通风机与改造前旧通风机比较每年可 节约电能5216万度,节电率达到42185 ,年节 约资金34万余元电费按0165元/度计算 , 运 行415 a即可收回电控改造全部投资。 5 结 语 鲁西煤矿主要通风机及节能控制技术改造的成 功实践,实现了机电设备最优化配置,发挥了设备 的最优效能,大幅节约电力能源,提高设备效率, 减少环境噪声等污染,同时也为新建矿井通风技术 的应用与发展提供了实践经验,对节能减排、提高 资源利用效率,有十分重要的现实意义。 参考文献 [1] 顾永辉 1煤矿电工手册[M ].修订版.北京煤炭工业出 版社, 1998. [2] 陈伯时 1电力拖动自动控制系统[M ].北京机械工业出 版社, 1991. [3] 孙树朴,肖 亮 1半导体变流技术[M ].徐州中国矿业 大学出版社, 1994. [4] 卢义玉,李晓红 1矿井通风与安全[M ].重庆重庆大学 出版社, 2006. [5] 白铭声,陈祖苏 1流体机械[M ].北京煤炭工业出版社, 1986. [6] 姚尔义 1生产矿井的通风技术改造[J ].煤矿安全, 2003 9. [7] 周图文,曹松林 1矿井通风系统优化及控制[J ].煤矿现代 化, 2007 10. 作者简介王庆照1967 - ,男,山东临沭人,高级工程 师,现任鲁西煤矿总工程师,从事煤矿生产管理方面的工作。Tel 0537 - 2913166, E - maillin74lin04sina1com 收稿日期 2009 - 05 - 17;责任编辑张 扬 征 订 启 事 2010年 煤炭科学技术 杂志定价18元/册, 全年12期共216元含邮费。本刊可邮局订阅,邮 发代号 80 - 337,也可直接向本编辑部索取订单并 办理订购业务,随时欢迎订阅。 联系地址北京市和平里青年沟路5号煤炭科学 研究总院 煤炭科学技术 编辑部 联系电话010 84262920, 84262926 传 真010 84262926 - 8003 电子信箱cst410china1com 网 址 www1mtkxjs1com1cn 邮 编 100013 08