變頻節能控制技術在煤礦通風中的運用范文

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焦家寨煤礦的通風機每年90%時間處于穩定工作狀態，由于其電機功率較大且工作時間較長，使得通風機的耗電量占企業總電量的10%左右，給企業的帶來了較大金額的經濟支出。因此，有必要開展礦用通風機變頻節能控制技術研究。

1礦用通風機結構組成

礦用通風機根據結構類型分為離心式和對旋式軸流通風機，按通風量的大小，可分為主通風機、輔助通風機和局部通風機。本文將以焦家寨煤礦上的旋式軸流式主通風機作為研究對象。旋式軸流式通風機主要包括電動機、葉輪、機殼、整流罩、進出口消聲器、集流器、導流片、主軸、軸承等部件。其中，葉輪采用質量輕、高強度耐腐蝕性的優質合金鋼，可通過調節葉片角度，實現對風機狀況的調節；集流器采用圓錐型結構，可均勻氣流通過的通過速度，提高風機的通風效率和降低風機噪聲；為提高風機技術水平和企業生產效率，目前煤礦行業中應用較為廣泛的是具有反轉功能的風機，該風機的反風效率相對較高，可直接用于煤礦作業中，無需修建其他專門的反風道設施。同時，通風機設置了兩級電動機，通過第一級電動機將空氣壓縮后送入到第二級電動機，由第二級電動機推出，提高了通風機的通風效果和通風安全性。

2變頻節能技術節能優勢

2.1現有通風機節能措施存在問題

目前，礦用通風機的節能措施相對較多，主要包括改變電機轉速、改變葉輪角度、改變管網阻力等方法，但均存在一定問題。針對離心式通風機的節能，主要采用調節通風的風門和電機轉速來實現對通風量的控制，但增加了通風機的管網阻力，通風效果較差；針對現有軸流風機節能，主要采用通過調節風機葉輪的角度來降低風機的通風阻力，但對電機的磨損較為嚴重且電機電能消耗較多，易導致電機出現燒壞或短路等安全故障，影響井下作業安全。同時，可設置不同功率電機的方式實現節能，主要是在通風機前期選用功率較小的風機進行工作，后期根據井下的實際通風需求，啟動較大功率的風機進行工作，其節能效果較好，但存在監測井下風量的系統復雜、設備采購及維修成本較高等問題。因此，結合現有通風機節能措施，需探索新的節能方法，以實現企業節能的最大利潤化。

2.2變頻節能控制技術節能優勢

變頻控制技術是提高煤礦通風機節能效果的重要技術。其主要原理為：變頻調速裝置安裝了變頻器調速系統和IGBT串級調速系統，通過改變風機系統中的電壓大小和電壓頻率，實現對電機轉速的調節和控制、降低電機能耗的目的，具有系統可靠性和自動化程度高、系統集成度好等優點，是未來發展的主要趨勢。通風機在啟動過程中，可通過電機變頻進行軟啟動，通過轉換開關作用和輸出電信號，帶動兩臺電機的同時運轉工作，也可實現對單電機正轉、反轉、電壓等控制；通過控制系統中的電位器，實現對風機中風阻、風壓、通風量等參數的控制。和傳統通風機節能措施相比，變頻調速控制技術具有更高的自動和智能化程度，調速精度更高。根據國家標準GB3485-83的規定，大型電機調速裝置的功率因數需保持在0.95以上。因此，有必要加大變頻調速控制技術在煤礦中的技術應用和市場推廣。

3通風機變頻節能控制系統方案設計

3.1變頻節能控制系統目標設計

結合工程實際，焦家寨煤礦主通風機需具有自動監測風機運行參數、通風機系統故障監測及報警、系統信息查詢、操作簡單、維修性好、實現對系統平臺的自動化控制等要求。因此，確定了變頻技能控制系統的設計目標：對通風機系統中的全壓、瓦斯濃度、通風量等參數進行實時監測，針對參數超出預警閥值，通過聲音、語音、文字等方式進行報警提示；針對系統中出現的故障問題，能實時進行監測、判斷并發出指令，實現故障的有效控制；可實現對通風量與電機轉速、電壓等參數的匹配判斷，做出對系統最優的變頻節能控制；控制系統中設置上機位監控平臺，對電機運行參數、變頻裝置運行狀態進行實時監控和管理。

3.2變頻節能控制系統總體方案設計

結合工程實際需求，開展了變頻節能控制系統總體方案的設計研究。該方案系主要由PLC控制系統、上機位監控系統、變頻驅動系統、信號監測系統、通風機保護系統、通信系統等系統組成。其主要系統功能包括：（1）PLC控制系統是變頻節能控制系統的核心部門，采用了美國羅克韋爾Logix176系列的PLC控制，并設計了雙CPU對系統進行冗余設計，其主要負責對系統的數據采集、計算和分析，并對轉換后的信號進行輸出。（2）上機位監控系統采用北京研華的510L控制機，利用最新的Forccontrolsp6.3系統對系統的進行了組態界面設計。為提高井下作業安全，設計了主機監控、備機監測，備機主動向主機轉化的雙機熱備裝置。（3）變頻驅動系統采用了三菱牌的10KV高壓變頻器作為變頻裝置，可實現對系統自動保護，具有控制靈敏、節能效果顯著、操作簡單等優點。

3.3變頻節能控制系統主要硬件設計

變頻節能控制系統硬件系統主要包括PLC控制柜、高壓饋電柜、變頻驅動系統、操作控制臺（監控系統）等組成，其主要硬件系統如下。（1）PLC控制柜。PLC控制柜主要包括1769ENBT以太網模塊、A3系列機架模塊、1769L35型CPU模塊、1769RM冗余模塊，其中，一臺CPU負責所有設備啟停及速度給定等控制工作，另一臺CPU與主CPU進行通訊，當主CPU出現故障時，輔助CPU可根據檢測信號自動切換為主CPU，保證系統的正常運行。（2）高壓饋電柜。高壓饋電柜主要實現給主通風機中各系統提供工作電源。在控制系統高壓部分設計過程中，高壓主接線采用單母分段接線，通過不同電壓等級的變電器對兩回路進行輸電，以保證系統供電的可靠性。

4變頻節能控制系統節能效果分析

將變頻節能控制系統應用到焦家寨煤礦主通風機上，針對通風機電機頻率在40Hz和45Hz情況下，對變頻節能控制系統進行節能效果分析。在應用變頻節能技術后通風機消耗功率計算公式如下：當通風機電機頻率在40Hz時，通風機消耗功率：（1）當通風機電機頻率在45Hz時，通風機消耗功率：（2）式中：Pe=600kw結合焦家寨煤礦場地的實際情況，每年工作8000h，電費0.45元/度。可算出風機在40Hz和45Hz下運行過程中消耗的電量分別為256萬度電和364.5萬度電，就一年的用電費用就有115.2萬元和164萬元。通過變頻節能控制技術，將通風機運行頻率進行降低，從45Hz降低至40Hz，可為企業節約電費開支約48.8萬元，其節能效果明顯。變頻節能控制技術的應用，可有效改善了井下作業環境、降低企業了生產成本、增加了企業受益，非常有必要在煤礦行業中可進行大力推廣。

5結語

針對現有通風機節能措施存在問題，分析了變頻節能控制技術的節能優勢，以焦家寨煤礦主通風機為研究載體，開展了通風機變頻節能控制系統的方案設計和現場應用節能效果分析，研究表明：采用變頻節能控制技術，通過降低通風機運行頻率，可有效減少煤礦企業關于電費方面的支出金額，對改善井下作業環境、降低企業生產成本、增加企業受益、推動綠色智能化煤礦的建設具有重要意義，加大對變頻節能控制技術在煤礦行業中的技術應用和市場推廣非常必要。

作者:董國偉 單位:大同煤礦集團軒崗煤電有限責任公司焦家寨煤礦