煤矿主扇风机应用高压变频器的节能技术改造.pdf

收稿日期２０２０􀆽 ０１􀆽 １６ 作者简介赵 俊１９８２ － ꎬ男ꎬ山西浑源人ꎬ工程师ꎬ从事煤矿机电技术工作ꎮ ｄｏｉ１０. ３９６９/ ｊ. ｉｓｓｎ. １００５ －２７９８. ２０２０. ０６. ０１５ 煤矿主扇风机应用高压变频器的节能技术改造 赵 俊 潞安集团 潞阳麦捷煤业有限公司ꎬ山西 晋中 ０４５４００ 摘 要麦捷煤业原有主扇风机电控系统采用高压直接启动方式ꎬ运行过程中能耗大、效率低ꎬ为此对其进 行了技术改造ꎬ将原有拖动方式更换为变频器拖动ꎬ同时实现风机系统的一键切换与不停风倒机的功能ꎬ 为实现主扇风机无人值守打下坚实的基础ꎬ而且节能效果明显ꎬ值得借鉴ꎮ 关键词煤矿主扇风机ꎻ不停风倒机ꎻ一键切换ꎻ变频调节 中图分类号ＴＭ９２１. ５１ 文献标识码Ｂ 文章编号１００５􀆽 ２７９８２０２００６􀆽 ００４５􀆽 ０２ 潞安集团潞阳麦捷煤业位于山西省寿阳县城北 解愁乡荣家沟村东ꎬ行政区划隶属于山西省晋中市 寿阳 县 解 愁 乡 管 辖ꎮ 矿 井 设 计 生 产 能 力 为 １５０ 万 ｔ/ ａꎬ属高瓦斯矿井ꎻ主扇通风机房装设 ２ 台 同等能力的对旋轴流通风机ꎬ１ 台工作ꎬ１ 台备用ꎬ每 台风机配套两台 １０ ｋＶ 异步电动机ꎬ电机功率为 ２ ５００ ｋＷꎮ 矿井通风方式采用机械抽出式ꎬ通过控 制蝶阀的开闭状态ꎬ实现风机正常供风ꎮ １ 原系统存在的问题 １ 原主扇为矿建初期安装ꎬ已经服役 ２５ ａꎬ 工作年限已基本达到设计服役年限ꎬ另外该设备厂 家已经停产ꎬ相关配件无法替换ꎬ设备维护保养存在 严重问题ꎮ ２ 原主扇采用高压直接启动的控制方式拖 动设备ꎬ启动电流大ꎬ对上一级变压器冲击大ꎬ存在 安全隐患ꎮ 每次倒换风机过程中必须将一些井下用 电量大的负荷停止ꎬ风机切换完成后等到风机运行 平稳才能再启动井下其他大型设备ꎬ给正常生产造 成极大不便ꎮ ３ 设备运行效率低ꎬ风量不能灵活调节ꎮ 风 量调节需要机械调节风叶角度来实现ꎬ叶片角度调 节不方便、不准确ꎮ ４ 故障情况下ꎬ倒机困难ꎬ容易出现倒机失 败ꎬ造成重大安全事故ꎮ 原有主扇风机遇到紧急掉 电、电网波动时ꎬ风机容易停机ꎬ而且停机后紧急启 动存在启动困难问题ꎻ伴随矿井生产建设延伸ꎬ负荷 加大ꎬ设备的能耗也逐步增加ꎮ ２ 技术改造方案 根据原有主扇风机存在的问题ꎬ对各种方案进 行对比分析ꎬ最终确定采用变频器拖动控制主扇风 机ꎬ具体方案如下 １ 主扇风机设备选型ꎮ 根据麦捷煤矿年产 量ꎬ目前井下所需风量约为 ９ ０００ ｍ３/ ｍｉｎꎬ按照井下 通风需求曲线计算及矿井发展需求ꎬ选择供风量在 ７ ２００ １５ ３００ ｍ３/ ｍｉｎ 的对旋式轴流通风机ꎬ设计 服役年限为 ３０ ａꎮ 电机部分供电电压为 １０ ｋＶꎬ额 定功率为 ５００ ｋＷꎬ采用变频器专用电机ꎬ支持从０ ５０ Ｈｚ 连续调节运行ꎻ电气部分配电系统采用双回 路 １０ ｋＶ 高压供电外加一台柴油发电机备电ꎬ三保 险的供电模式确保供电系统的稳定运行ꎬ 采用 ＫＶＮ２０ －１２ 型高压柜体ꎬ选用 ＡＢＢ 智能断路器ꎻ电 机拖动部分采用西门子高压变频器作为启动装置 型号为 ６ＳＲ４５０２ －５ＭＢ３８ －０ＢＦ１ꎻ电气传动系统 采用 １ 台变频器驱动 １ 台电机的方案ꎬ共配置四台 变频装置ꎬ电压为 １０ ｋＶ 输入/０ １０ ｋＶ 输出ꎻ两套 变频器配套切换柜ꎬ当在用风机变频器出现故障时ꎬ 备用风机的变频器能立即投入运行ꎮ ２ 控制工艺设计ꎮ 根据对旋风机设备工艺 特性ꎬ认真分析设备的各个环节ꎬ结合 ２０１６ 新发布 的煤矿安全规程要求ꎬ在新风机系统中采用一键 切换控制工艺及故障自动切换控制模式ꎬ实现风机 切换过程不停风ꎬ采用计算机结合 ＰＬＣ 的模式ꎬ通 过上位机下发命令ꎬ由 ＰＬＣ 执行与数据采集来实现 设备控制ꎮ 在切换过程中ꎬ通过对两台蝶阀精准开 关控制与变频器配合的逻辑ꎬ先低频运行备用风机ꎬ 正常后系统完成自检ꎬ下达切换蝶阀命令ꎬ关闭在用 蝶阀ꎬ同时打开备用蝶阀ꎬ降低在用风机运行速度ꎬ 在蝶阀开关到位后ꎬ在用风机停运ꎬ备用风机按照预 设频率运行ꎮ ３ 方案实施ꎮ 经过前期的项目考察与技术 ５４ 实实用用技技术术 总第 ２５０ 期 论证ꎬ最终确定设备厂家ꎬ在 ２０１８ 年 １１ 月至 １２ 月 连续安装ꎬ于 １２ 月 ２４ 日设备具备试运行条件ꎬ经过 单机 ７２ ｈ 稳定运行后满足投运条件ꎬ各方组织验收 合格后进行了风机投运前的性能测试工作ꎬ随后在 １ 月 ３ 日正式运行ꎮ 改造后风机电控系统满足智慧矿井建设无人值 守的技术要求ꎬ运行过程中实时监测风机系统的全 部参数ꎬ包括运行电流、电压、频率、功率、轴承温度、 设备振动、系统负压、全压、风量等ꎮ 风机在各种工 况下ꎬ均能有效控制风机的启停ꎬ调节风机的速度ꎬ 降低快速启动/ 快速停车过程对机械和电气系统的 冲击ꎬ抑制对机械设备造成的危害ꎬ延长风机的使用 寿命ꎮ ３ 现场实际运行分析 ３. １ 改造前后功率分析 为了验证技改后的实际效果ꎬ将改造后的风机 的运行数据与同期原有风机记录的数据进行对比分 析ꎬ具体数据见表 １ꎮ 表 １ 风机运行数据对照 角度 / 原有风机运行数据设备运行数据 风量 / ｍ３􀅱ｍｉｎ －１ 输出电压 / Ｖ 电流 / Ａ 频率 / Ｈｚ 输出功率 / ｋＷ 改造后风机运行数据设备运行数据 风量 / ｍ３􀅱ｍｉｎ －１ 输出电压 / Ｖ 电流 / Ａ 频率 / Ｈｚ 输出功率 / ｋＷ －６５ ８２６１０ ２２５２４. ６５５０３５８.６５ ７２６６ ０１１２０.６３０２１４ －６５ ７５６１０ ２５４２６. ４４５０３７５.８６ ５８５７ ０１４２１.１３５２５６ －３６ ５２５１０ ２６０３２. ７６５０４６５.８６ ７２５６ ０１５２７.２３０２８２ －３６ ６８４１０ ２５２３３. ６８５０４７８.５７ ６９２７ ０１４２６.４３５３２１ ０７ ８２５１０ １９５４１. ５８５０５８７.３７ ８６５６ ０１３３３.７３０３５２ ０７ ７６９１０ ２２３４０. ７８５０５６８.２９ ４６８７ ０１６３０.３３５３６８ ＋３９ ４５６１０ １９０４９. ４９５０６９８.６９ ５８０６ ０１２３６.４３０３８０ ＋３９ ５６３１０ ２７０４９. ８９５０７０５.９１１ ２７６７ ０１４３２.５３５３９６ ＋６１１ ２６５１０ ２３２５５. ６９５０７８９.６１２ ３６８６ ０１１３９.５３０４１２ ＋６１２ ３５４１０ ２６８５６. ３２５０７９５.５１３ ６９５７ ０１０３４.６３５４２０ 由表 １ 可以看出ꎬ在同等通风风量的条件下ꎬ原 有高压工频运行下风机运行电流比较大ꎬ随着风叶 角度的增大ꎬ电机负载也在逐步加大ꎬ在最大角度下 运行的输出功率几乎接近电机额定功率ꎻ相反ꎬ改造 后的风机输出功率明显下降ꎬ运行频率在 ３０ Ｈｚ 和 ３５ Ｈｚ 下效果最为显著ꎬ为原有负载的 ３５％左右ꎮ ３. ２ 改造前后节能分析 在相同的风量不同频率条件下ꎬ对比分析实际 工频运行与变频运行的能耗ꎬ以 ＋３条件为例 １ 工频消耗功率比值 Ｐ１＝ 工频运行电流 / 额定运行电流 额定功率 / 负载功率 １００％ ＝ ４９. ４９/７６. ６ １ ０００/６９８. ６ １００％ ＝ ９２. ４８％ꎻ ２ 变频消耗功率比值 Ｐ２＝ 变频运行电流 / 额定运行电流 额定功率 / 负载功率 １００％ ＝ ３６. ４/７６. ６ １ ０００/３８０ １００％＝ １２５. １％ꎻ ３ 节电率为变频消耗功率比值 Ｐ２－ 共频 消耗 功 率 比 值 Ｐ１ / 工 频 消 耗 功 率 比 值 Ｐ１＝ １２５. １％ －９２. ４８％ /９２. ４８％ ＝３５. ３％ꎮ 由以上计算数据可知ꎬ在技术改造后节电率明 显上升ꎬ变频器驱动对于电能利用效率明显提高ꎬ节 能效果明显ꎮ ３. ３ 改造前后优势分析 １ 在主通风机拖动使用变频调速后ꎬ减少了 以往因为井下所需风量变化而需要人为去现场调整 风机扇叶角度的工作量ꎬ现在只需要通过修改变频 器频率就可以实现风量调节ꎬ而且变频驱动ꎬ设备运 行平稳ꎮ ２ 变频启动操作简单方便ꎬ“一键启动”准确 快捷ꎬ减少了煤矿通风机每月主备风机切换的时间ꎬ 消除了人为操作不当造成的停机事故ꎮ ３ 改善了煤矿主通风机设备运行工况ꎮ 采 用变频控制后ꎬ减小了电机启动时电流冲击ꎬ避免了 全磁通突加ꎬ使启动电流不会超过额定电流ꎮ 因此ꎬ 风机变频运行解决了以前电机高压直接启动时的大 电流冲击问题ꎬ消除了启动电流对电机和传动系统 的冲击ꎬ确保了风机的平稳运行ꎬ延长了风机使用寿 命ꎮ ４ 结 语 麦捷煤业主扇风机通过高压变频器节能技术的 成功改造ꎬ解决了以往高压直接启动的诸多弊端ꎬ而 且节能效果显著ꎬ值得类似矿井借鉴ꎮ [责任编辑王伟瑾] ６４ ２０２０ 年 ６ 月 赵 俊煤矿主扇风机应用高压变频器的节能技术改造 第 ２９ 卷第 ６ 期