煤矿主通风机变频改造节能分析及应用

1煤矿主通风机变频改造节能分析及应用杨树勇（淮北矿业集团公司设备管理中心安徽淮北235000）摘要：利用原有供电系统和电动机，研制应用高压变频调速装置，实现变频调速控制，并可使新老系统切换工作，多种工作和备用方式。满足煤矿主通风机各种运行工况运行条件，安全可靠，技术先进，维修方便，节能降耗等。关键词：矿井主主通风机；高压变频调速装置；研制应用；安全节能1、引言矿井主扇风机用于向井下提供新鲜风流、排除污浊空气和有害气体，对煤矿的安全生产影响重大。一旦矿井通风不畅，瓦斯浓度升高到一定程度，即可能会造成爆炸导致井毁人亡等重大事故。矿井主通风机常年全年运行，平均电耗约占矿井电耗的15％。通风机的选型主要由矿井瓦斯涌出量、井下人员数量、通风井巷阻力等因素决定；但由于过多考虑安全、裕量和难易时期的不同需要，会出现风机选型过大，形成某个工作时期或长期“大马拉小车”的不经济运行现象，其主要原因：预测的瓦斯涌出量往往大于实际涌出量；预计的矿井通风网络阻力特性曲线与实际阻力特性曲线不尽相同；矿井通风网络阻力特性曲线随着采掘工作面的推移而变化；随着产量增减、采煤方法及井下工人劳动生产的变更等因素，通风需求量亦可能发生变化；在节假日及检修期间，井下人员数量及瓦斯涌出量均减少，因而实际需要的通风量亦可减少等等。例如淮北矿业集团公司海孜煤矿，矿中央风井配置两台BDK-II-8-№26型对旋风机，一用一备，每台风机配置两台450kW、6kV防爆型鼠笼电机。因系统设计之初时裕量过大，所以2005年底投入运行时，虽然风机叶片角度已被调节到极限（-10度，此时输出风量已达到最小），但风机输出风量仍远远大于实际工矿所需要的风量。这样不但造成大量不必要的能源浪费，而且使风机长期在低效区内运行（目前设备运行效率在55%以下），造成设备无法经济、合理运行，电能浪费惊人。2、调节风机风量的三种主要方式经济比较2.1、通过改变风机的管网特性曲线来实现对风机的风量的调节这种办法是通过调节挡风板的开关程度来实现的，如图1所示。风机在管网特性曲线R1工作时，工况点为M1，其风量、风压分别为Q1、H1。如果要减少流量，可将风机的挡风板关小，管网特性曲线变为R2，工况点移至M2，风量、压力变为Q2、H2。其实质是人为地增加或减少风机的管网阻力，而风机的性能曲线（H—Q曲线）不变，工况点沿着风机的性能曲线（H—Q曲线）由M1移到M2，继续关小挡风板，特性曲线变为R3，工况点移至M3，从而达到调节流量的目的。这种方法结构简单，操作容易，目前多数风机都采用这种方法，但是由于人为地增加了风机的管网阻力，多消耗了一部分功，故很不经济，尤其是风量变化较大时，2损耗功率更大。0QR2HM2R3R1Q1Q2Q3H3H2H1M3M1R1R2R3图1改变风机的管网的特性曲线2.2、通过改变风机叶片的角度来实现对风机的风量调节当风机管网性能曲线不变时，通过改变风机叶片的角度，使风机的特性曲线（H—Q曲线）改变，工况点将沿着管网特性曲线移动，达到调节风量的目的。如图2所示，图中M1点是原来工况点，其风量、风压分别为Q1、H1，叶片角度为1；当改变叶片角度为2时，风机性能曲线（H—Q曲线）由1线变为2线，与管网特性曲线相交于M2，风量、风压变为Q2、H2，从而达到调节风机风量的目的。这种办法结构简单、操作方便，相对于节流调节风量能减少节流损耗，达到节能目的，但由于必须停机来改变风机叶片角度，因此不适合要求连续不断运行的场合。而且调节精度很低，同时因为风机最初设计裕量过大，从根本上还无法满足要求。H0QRαM1H1H2H3Q1Q2Q3M2M3αα123α1α3α2图2改变风机叶片的角度来调节风机风量的特性曲线2.3、通过改变风机的转速来实现对风机的风量调节当风机的转速改变时，其性能曲线的变化如图3所示，当风机转速为n1时，风机的风压-风量曲线与管网特性曲线R1相交于M1点，其风量、风压分别为Q1、H1。若工艺变更，需要的风量为Q2时，可将风机转速降到n2，风机的性能曲线（H—Q曲线）相应下降并与R1相交于M2点，此时风量为Q2，风压为H2，可见风量、风压同时下降，达到风量调节的作用。相对于节流调节而言，当风量为Q2时，是靠关闭挡风板来实现的，此时管网特性曲线由R1变化到R2，与n1时的风机特性曲线相交于M3，此时风量为Q2，风压为Hf，由图2-9可见，Hf＞H2，即用关闭挡风板来调节风量，虽然风量下降了，但风压相对于调节电机转速来说，反而上升了，因而变速调节比节流调节时的风压要减小ΔH=Hf-H2。3H0QR1nHfH1H2Q1Q2nn123n3n1n2R2M1M2M3图3改变风机的转速来改变风机的特性曲线由式2-1可得，在认为效率不变时相应的轴功率要减小：FTHQP102（kW），即变速调节比节流调节时，风机从电网吸收功率要减少，因此采用变速调节，能把消耗在节流中的损耗省下来，达到节能的目的。由于P值较大，一般约占fH的30%～40%，因而变速调节是风机经济运行的有效途径。2.4、调速方式的选择要风机调速节能，则拖动它的电动机必须能够调速。目前成熟的异步电机调速方式有电磁调速、液力偶合器调速、液态电阻调速、变极调速、传统串级调速、内反馈串级调速、变频调速等调速方式。电磁调速，轴向安装尺寸大，若电磁滑差离合器出现故障，必须停机处理，更重要的是调速时消耗能量，当转速调到额定转速的2/3时，该损耗最大，为电机额定功率的14.8%,因此其节能效果较差。液力偶合器调速，轴向安装尺寸大，若液力偶合器出现故障，必须停机处理，更重要的是调速时也消耗能量，当转速调到额定转速2/3时该损耗最大，为电机额定功率的14.8%，因此其节能效果较差。液态电阻调速，电动执行机构出现故障将严重影响系统的安全运行。变极调速，在70年代大量推广采用，现已逐步淘汰。具有较硬的机械特性，稳定性良好，无转差损耗，效率高，接线简单，控制方便，成本较低；但是，有级调速，级差较大，不能获得平滑调速。操作时，要在定子边用高压开关进行切换，若操作失误，将造成严重事故。变极电机也要进行特殊设计，定子接线复杂，电机的基本尺寸要放大。传统串级调速，传统串级调速属高效调速方式，装置容量较小，投资较省。缺点是功率因数较低，谐波污染较大。高压交流变频调速技术是90年代迅速发展起来的一种新型电力传动调速技术，应用了先进的电力电子技术、计算机控制技术、现代通信技术和高压电气、电机拖动等综合性领域的学科技术，其技术和性能胜过其它任何一种调速方式,变频调速以其节能效益显著，调速精度高，调速范围宽，保护功能完善，易于实现的自动通信功能，运行安全可靠,安装使用、维修维护方便，使之成为企业采用电机节能方式的首选。所以选用目前技术先进、成熟、高效和国内外广泛推广的高压变频调速调速方式。43、电压源型串连多电平脉宽调制高压变频器3.1、系统构成一整套高压传动变频器由三个气部分及其连接组成，包括变压器功率单元和控制系统。变压器柜内装一台输入变压器，干式，付边多绕组，分别供给功率柜中三个相的功率电源。功率柜内装有18个功率单元，分属三组，即每组6个功率单元串联输出50～60HZ、线电压6KV的三相交流电，以驱动交流电动机。控制柜内装有一台主控器，整个系统的控制都由它完成。变压器与功率柜间有电气连接，功率柜与控制柜间有电气和缆连接，在柜体安装好后连接。3.2、工作原理高压大功率变频调速装置是一种串联多重叠加式高压变频器，即采用多台单相逆变器串行连接，得到可调频调压的高压交流电，用以驱动交流电机。每台单相逆变器为典型的单相三电平桥式逆变器，它由输入变压器的一个副边绕组供电，经整流、滤波后的直流电压供给单相桥式逆变线路，采用专门的PWM控制技术将直流电逆变为0-50Hz、0-557V的可调频调压的单相交流电。6KV变频器每组由6台单相逆变器串联可得到0-3450V高压交流电。三个相组成三相输出，线电压为6KV。在多重叠加时每台逆变器中PWM的三角波有均匀的相位移，因而叠加时有用的基波直接叠加，而高次谐波互相抵消，大大减少了输出电压中的谐波数量，输出波形十分接近理想的正弦波。3.3、功能与特点功率因数高，无需功率因数补偿装置；对供电系统不产生明显的谐波畸变，无需电源滤波器，不会对其他设备产生干扰；电动机噪声与采用工频电源时相近；转矩脉冲低，不会导致机械共振，同时也减少了传动机构的磨损；完整的参数化功能，容易设定，可满足各种应用要求；完善的故障自诊断及保护功能对系统中各种故障作出准确的报警和保护。4、海孜矿中央风井风机高压变频调速改造的实施技术方案选用一套变频器直接拖动一台风机的2×450kW，6kV电机，起动为低速大转矩起动。原电抗器降压装置保留作为备用，增设高压切换开关柜2台，实现变频/工频及单级/双级切换，如图1所示。变频器采用单元串联多电平直接高-高变频器调速，每相五单元串联，关键部件采用进口产品，电子元件全部进行老化筛选，采用V/F控制，谐波污染符合电压失真和电流失真小于1.5％的要求，适合普通鼠笼式和绕线式电机。变频器抗干扰性强，对周围设备仪表无干扰。系统具有就地监控和远程监控，可在线检测变频器各种参数功能，各种保护齐全可靠。5图4：风机供电系统图采用一拖二控制方式，变频器为Harvest-A06/120，为了充分保证系统的可靠性，为变频器同时加装工频旁路装置，变频器异常时报警，变频器停止运行，电机可直接手动切换到工频运行状态下运行，确保矿井通风安全。工频旁路由三个高压隔离开关QS1，QS2，QS3组成（见上图，其中QF为用户原有高压开关柜内的断路器）。要求QS2和QS3不能同时闭合，在机械上实现互锁。变频运行时，QS1和QS2闭合，QS3断开；工频运行时，QS3闭合，QS1和QS2断开。高压切换柜有机械闭锁功能和电气闭锁功能，满足高压电气的“五防”功能要求。高压变频装置满足工作方式：⑴正常起动；⑵正常停机；⑶紧急停机；⑷反转反风6到正常转速小于8min；⑸单机运行切换；⑹必要时单级运行；⑺转速调节范围：变频器在0-50Hz范围内连续可调，满足电机额定转速的60％～100％长期运行；⑻风机DCS自动监控系统，完成风机的远程自动控制，就地控制，含远程联网检测监控功能。5、海孜矿变频改造实现的效果海孜矿中央风井风机变频调速改造，选用一套变频器直接拖动一台风机的2×450kW，6kV防爆电机，具有三种切换方式：①同台风机单级、双级运行切换；②在变频器故障状态下，可切换到工频状态运行；③通过切换，可以分别拖动两台风机单独运行，具有一拖二功能。实现风机软启动，减轻对电网冲击。系统可在线检测变频器各种参数功能，各种保护齐全可靠；通过DCS控制系统实现远程监控，对矿井精确配风，确保矿井安全通风。改造前海孜矿中央风井风机运行效率低，在45％以下；采用高压变频调速装置，风机在高效区运行，减轻了风机负荷，节电效果显著，效率提高到78％以上，年节电92万KWh。采用变频调节后，系统实现软启动，减少了对电网的冲击，减轻了起动对风机叶片、电机的机械损伤；大幅度降低风机噪音和振动，改善职工工作环境；实现无人操作，降低了工人劳动强度。该装置通过切换开关，实现拖动两台风机的功能，确保主扇风机安全运转。作者简介杨树勇（1963—）淮北矿业集团公司设备管理中心副主任，高级工程师，1984年毕业于安徽理工大，主要从事煤矿机电专业技术管理、设备管理工作，有多项科技成果获省部级及市级科技成果奖励。