煤矿主风机变频电控系统节能改造方案

梁建宾矿山机电电控论文1煤矿主风机变频电控系统节能改造方案一、概述煤矿巷道通风系统，在煤矿的安全生产中起到至关重要的作用，主通风机作为煤矿通风系统中的重要设备，通常采用直接启动、降压启动或者采用电力电子技术的交流电机软启动方式。近年来，随着电力电子技术、大功率半导体技术以及计算技术的飞速发展，煤矿增产、降耗、提效被提到了重要的位置，设备节能改造势在必行。变频调速技术以其优异的调速和启动性能，高效率、高功率因数、节电显著和应用范围广泛等诸多优点而被认为是最有发展前途的调速方式之一。在煤矿巷道通风系统中，随着煤矿开采及掘进的不断延伸，巷道延长，矿井所需的风量不断增加，风机所用功率也将逐渐加大。集结地交替，冷热的变化，所需的风量也不断调节，由此，煤矿原根据反风及开采后期运行工况所设计的通风机及拖动的电动机的功率，通常要比煤矿正常生产所需要的运行功率高。存在以下问题：1、电能的严重浪费煤矿的服务年限大多在60年以上，投产初期到井田稳定开采一般在10年左右，这就意味着在这10年的时间里，主通风机一直处在较轻负载下运行。在传统的技术条件下，由于电机的转速不可以调节，只能通过改变风机叶片或挡风板的角度进行风量调节。因此造成能源浪费，增加生产成本。2、启动困难，机械损伤严重主通风机若采用直接启动，启动时间长，启动电流大，对电动机的绝缘有着较大的威胁，严重时甚至烧坏电动机。而电机在启动过程中所产生的机械冲击现象使风机产生较大的机械应力，会严重影响到电动机、风机及其它机械的使用寿命。3、自动化程度低主通风机依靠人工调节风机叶片或挡风板角度调节风量，不具备风量的自动实时调节功能，自动化程度低，检测点少。在故障状态下，不能及时和风机联动，将对矿井正常生产造成严重影响。梁建宾矿山机电电控论文2为了矿井的安全生产和降低生产成本，提升该煤矿的自动化水品，对主扇风机进行改造具有非常重要的意义。根据用户现场情况及现代工业自控技术的发展趋势，系统配置方案为智能低压变频调速控制设备。二、变频节能原理智能低压变频调速控制系统利用低压变频调速来实现风量（风压）调节，代替挡风板等控制方式不但可以节约大量的电能，而且可以显著改善系统的运行性能。风机的工况调节有两种方法：一是改变风机本身的性能曲线，二是改变管网的热性曲线，也可以将这两种方法结合起来使用。而传统的方法是调节风门的方式调节风量，与调节转速来控制风量的方法相比存在着明显的能源浪费，其原理可由图1来说明。HH2H1H3Q2Q1Q图中，曲线1为风机在恒速n1下的风压-风量（H-Q）特性曲线；曲线5为恒速n2下的风压-风量（H-Q）的特性曲线；曲线3为管网的风阻特性（风门全开）。假设风机在设计时工作在A点，效率最高，此时输出风量Q为100%，轴功率为PS1，与Q1和H1的乘积成正比，即Ps1与A-H1-O-A所包围的面积成正比。如果要讲流量减少为Q2主要调节方式有两种：1）传统的方法风机的转速保持不变，将风门关小，这时管网的风阻特性曲线4所示，工作点移至B点，风量为Q2风压为H2，电动机的轴功率Ps2与O-Q2-B-H2-O所围成的面积成正比。AHHHHBC42315梁建宾矿山机电电控论文32）调节转速的方法风门的开度不变，降低风机的转速，这时，风压-风量(H-Q)特性曲线如图5所示，工作点移至C点，风量仍为Q2，但风压为H3，电动机的轴功率PS2与O-Qb-C-hc-O所围成的面积成正比。由图可见，在满足同样风量Q2的情况下，风压讲大幅度降低到H3轴功率Ps2也明显降低。所节约的功率与面积B-H2-O-Q2-B和C-H3-O-Q2-C差成正比，由此可见，用调速的方法来减少风量的经济效益是十分显著的。由流体学可知，风量Q与转速n的一次放成正比，风压H与转速n的平方成正比，轴功率Ps与转速n的平方成正比，即：Q∞nH∞n2Ps∞n3风机轴功率Ps=Q·H风机效率η，电动机功耗Pm=Ps/η1-Q·H/η1、在实际工况点分析风机在实际运行时，处在系统中某一时刻的工况称为工作点，他是能量供求关系的平衡点，记载系统提供的能量刚好满足系统中所需要的能量，也即为，风机的性能曲线与管道的热性曲线的焦点。管网通风阻力特性方程h=RQ2,而且随着生产的进行通风阻力系数R逐渐增大。在没有变频调速设备的情况下，只能够依靠调节风机风叶角度，来调节风量、风压之间的关系，即如下图2所示，由曲线1调节到曲线2，这种调节方式是有限的，因为枫叶角度只能在-6。到+6。之间调节，不能连续无极调速，而且由于生产条件的限制也不可能去随时调节风量，只能依靠阀门节流方式改变供风量，最重要的是这种调节虽然相比设计最佳效率工作点消耗的功率减少、风量减少，但是他的效率也随之降低，有时甚至不得不偿失。变频调速设备以其优良的调速性能，不仅能够随时调节风量、风压、输出到点击的电压、电流，而且始终可以保证风机工作在一定的通风阻力系数下风机工作的最佳效率点。变频工作时，首先可以选择在一定的通风阻力系数下风机以额定转速工作的最佳效率及最佳风量为梁建宾矿山机电电控论文4工频工作参考点，然后再进行自由无级调速。因而，可以保证风机最大程度的工作在效率高且经济的工况范围内，而且，安装变频调速设备之后，只需一次将风机风叶角调到最佳效率及最佳出风量范围之内即可。在原有条件调节风机工况时，此时风机单级运行，以额定转速N=9800r/min运转。参考风机性能曲线图，风机设计的最佳运行工况为Q=47m3/Sh=1800Pa,风机风叶角度为0度，风机轴功率为100KW风机效率为85%，如下图2所示曲线1与曲线4的交点A。然而目前实际上只需要风量Q=35.7m3/s即可满足要求，也就是说有相当一部分风量需要浪费掉，此时只能通过调节风叶角来调节送风量，即此工况点，风量大约为Q2=50m3/s,H2=750Pa,轴功率大约为Ps=55KW,然而效率却下降为大约50%以下。比较两种情况可知，安装变频调速设备以后，比以前运行更经济，电动机消耗的功率节省值约为：（40/70%-50/75%）/93.5%=60KW节电率：70%。因此在一般的情况下，所需风量从26.8%m3/S到63m3/s之间变化时，可以通过变频调速一直保持风机效率在75%，节电率在71%~30%之间HSH1H2H3OQ3Q2Q3Q三、系统配置方案1、系统方案为了满足矿井风机网络智能化控制需要，本着安全、可靠、简洁、高效的原则，结合现场的实际情况，形成以低压变频器为系统的驱动核心，配以自动控制柜等组成的风机调速控制系统，通过风速传感器、负压传感器、温度传感器、震动传感器等完成风机的在线检测。AAB梁建宾矿山机电电控论文5保证系统的安全运行。本系统通过必要的转换能够完成对两台风机的控制，具有手动和自动投工频的功能，变频系统和工频系统有电气闭锁。每台风机的电机为2X90KW，电压为380V，根据电机选取的西门子变频器容量为250KW，为一拖二控制阀方式。变频调速装置能够实现以下几种工作方式：（1）变频调速装置满足通风机负载各种运行工况的要求，如电机正反转控制、软启动、控制变速或定速负载运行。（2）直接启动，长时间运行。（3）变频调速启动运行，长时间运行。（4）当一台风机或电机发生故障，自动切换到另一台风机运行，同时切换风门。（5）可实现由变频运行状态到工频运行状态的转变。（6）正常情况下，采用变频调速装置启动风机运行，在这种运行方式下，变频装置能够根据系统检测到风量与设定的风量相比较，自动调节电机转速，满足矿井风量的需要，达到节能效果。四、系统配置说明根据用户提供的技术资料，主通风机变频调速系统由通风机变频柜、通风机自动控制柜和各类检测传感器等设备、器件构成，系统主要配置表如下序号名称规格型号数量单价合计备注1变频调速柜FJDK-BPG2918250KW/380V西门子变频器2智能操作台（控制柜）FJDK-KZ166西门子S7-200PLC现场总线通讯技术触摸屏显控3风机切换柜FJDK-QH224运行方式切换工频运行控制4振动传感器D7F-C0340.72.8数据采集梁建宾矿山机电电控论文65风速传感器KGF220.51数据采集6负压传感器GPD5000F20.51数据采集7温度传感器PT10080.21.6数据采集8风门开停传感器GFK30-8020.10.2数据采集1、通风机变频调速柜用于向驱动通风机的电机供电，根据系统检测到的风量（风压）与设定风量（风压）相比较，自动调节电动机的转速，以此达到随时满足矿井用风量的要求，同时具有显著的节电效果。本变频调速柜具有以下优势和特点：(1)变频调速装置满足通风机负载各种运行工况的要求，利用变频装置的正、反转控制功能科实现电机反转反风；软启动，控制变速或定速负载运行。(2)变频器对电网电压波动应有较强的适应能力，在±10%额定电压波动范围内能满载输出，70%-90%额定电压能连续运行。变频器设置下列保护功能：过电流、过电压、欠电压、缺相、短路、失速、功率器件的过热保护及瞬时停电保护等。(3)变频器输出波形不会引起电机的谐振。(4)变频器输出功率3——50HZ(5)变频器内部配置RS485接口（MODBUS或DeviceNet通讯协议），可以与上位机/PLC系统进行通讯。(6)变频器具有浪涌吸收保护功能。(7)无论变频器在手动或者自动控制时，在主电源、控制电源短时失电后，变频器保持失电前的控制方式，不需要手动复位或调整。2、智能操作台系统控制核心采用德国西门子S7-200可编程控制器，配以多种检测控制组件完成了风梁建宾矿山机电电控论文7机应有的各种工艺控制，实现风机的闭环控制及各种情况下的安全保护以及系统切换时的各种闭锁。考虑到现场操作人员不仅仅要看守配电房，还要看守风机电控，为了方便操作，把配电柜的监控系统和风机的集成到一个操作台上.在风机变频电控操作和监控方面，智能操作台提供了全面的操作按钮，操作更简单、方便，同时配备的10”台湾维纶触摸屏，显示风机运行状态、故障报警提示、操作提示等。操作台高度、宽度、器件布局等根据现场实际情况进行定做，保证操作人员的舒适性和易操作性。主要功能如下：（1）风机主要性能测量风量检测；负压检测；温度检测；振动检测（2）风机自身保护喘振；振动；轴承温度；电机温度（3）系统控制方式就地集中控制；就地手动控制，启停风机，工频变频切换，风机切换，风量大小调整；有以太网接口，可以实现远程控制，由中央控制计算机进行远程控制；对风速、负压信号的实时监测显示，风机电机的运行状态显示；风机电机的轴承温度实时监测，并具有超限报警功能；风机振动状态信息的实时监测，并具有超限报警功能；3、风机切换柜风机切换柜能够实现如下功能：（1）双回路供电（2）工频变频切换（3）主副风机切换五、系统优点采用变频调节后，可以把风门挡板全部打开，风叶角度调到最佳角度，风量调节只需要通过变频器调频就能达到，原来消耗在挡板上的大量能量可以转化为直接的经济效益，梁建宾矿山机电电控论文8除此之外还能产生间接的经济效益；1、实现电机转速的无极变化。2、有无功补偿功能，是功率因数提高到96%以上，可省去功率因数补偿装置3、变频器自身保护功能齐全，有欠压保护，直流过电压保护，过流保护，短路保护，失速保护等，大大提高了电机运行的可靠性。4、可实现空载软启动，启动电流（小于额定电流的10%)时间大为减少，避免了因大启动电流造成的绝缘老化及由于大电动力矩造成的机械冲击对电机寿命的影响，可减少对电机的维护工作量。5、故障点在显示屏上一目了然，减少了维修时间。大大节省了人力成本。梁建宾2011年6月20