高壓變頻器在煤礦主通風機上的應用

　　1 概述

　　被譽為“中國荷都、北方水鄉和鐵道游擊隊故鄉”的微山縣位于山東省南部，因地處微山湖故名。抗日戰爭時期，以微山湖為根據地的 “微湖大隊”、“運河支隊”、“鐵道游擊隊”等革命武裝，創造了許多可歌可泣的英雄業績，一曲《彈起我心愛的土琵琶》唱響大江南北。

　　微山崔莊煤礦有限責任公司是一家縣屬地方國有企業。該公司井田面積為12.6平方公里，地質儲量1.36億噸。資產總額16億多元，員工3500多人，2010年銷售收入11.5億元，實現利稅5億元，利潤3.5億元，經濟效益、全員工效、安全生產等經濟指標均名列山東省地方煤礦前列。

　　2 現場簡介

　　崔莊煤礦位于山東省濟寧市微山縣，崔莊礦通風系統配置兩臺軸流式通風機，一用一備，每臺風機配置355kW/6kV高壓異步電機。礦井主通風機用于向井下提供新鮮風流、排除污濁空氣和有害氣體，對煤礦的安全生產影響重大。礦井主通風機全年不停地運行，其電耗量較大。礦井所需的風量通過調節風門擋板或葉片角度來實現，根據反風及開采后期運行工況要求，所設計的通風機及拖動的電動機的功率，遠大于煤礦正常生產所需的運行功率。風機設計上余量特別大，在相當長的時間風機一直處在較輕負載下運行，煤礦通風系統中存在著較為嚴重的大馬拉小車現象，能源浪費非常突出。現場設備如圖1所示：

　　圖1 現場設備圖

　　3礦用通風機采用變頻調速改造的必要性

　　在煤礦生產中，所需風量風壓在不同階段有不同的要求，為滿足生產要求，煤礦通常采用以下幾種方法調節：

　　(1) 閘門調節;

　　(2) 改變通風機速度;

　　(3)改變前導器葉片角度;

　　(4) 軸流式通風機改變動葉安裝角;

　　(5) 離心式通風機調節尾翼擺角;

　　(6)軸流式通風機改變動葉數目;

　　(7)軸流式通風機改變靜葉角度。

　　其中以閘門調節效率最差，它是人為地改變阻力曲線，增加風阻，越調節性能就越惡化;前導器調節和尾翼擺角調節效率比閘門要高;改變動葉安裝角和動葉數目，可改變風機的特性曲線，使風機在較大范圍內以較高的效率運行，以達到節能降耗的目的。改變通風機速度，使其在最佳工況點運行，使風機在最大的范圍內以最高的效率運行，節能效果好。

　　如果采用高壓交流變頻調速技術，通過改變頻率，調整風機的轉速，直至滿足礦井通風需要。一旦高壓變頻器出現故障，短時間內可切換到工頻運行，不影響礦井通風。通過高壓變頻器，風機可以根據礦井通風需要實時調速運行，使風機始終運行在高效區。高壓變頻調速技術在礦井大功率通風機上的應用，具有其應用的特殊性，通風機停機10分鐘即為重大事故，因此對變頻器的可靠性及系統的安全性設計要求很高。

　　為了降低通風機消耗，提高風機運行效率，礦領導經過論證，最后決定選用山東新風光電子科技發展有限公司生產的JD-BP37-400F高壓變頻器對礦主通風機進行改造。2010年4月，高壓變頻器在礦通風井投入運行，改造達到了預期目的。

　　4風光牌JD-BP37-400F 高壓變頻器技術參數

　　山東新風光電子公司是國家高新技術企業，生產的風光牌JD-BP37系列高壓變頻器榮獲“中國名牌”稱號，高壓變頻器以高速DSP為控制核心，采用無速度矢量控制技術、功率單元串聯多電平技術，屬高-高電壓源型變頻器，其諧波指標遠小于IEE519-1992的諧波國家標準，輸入功率因數高，輸出波形質量好，不必采用輸入諧波濾波器、功率因數補償裝置和輸出濾波器;不存在諧波引起的電機附加發熱和轉矩脈動、噪音、輸出dv/dt、共模電壓等問題，可以使用普通的異步電機。

　　JD-BP37-400F 高壓變頻器技術參數如表1所示。

　　5改造主回路控制方案

　　風光高壓變頻調速系統由一次回路進線柜(旁路柜)、變壓器柜、變頻單元柜和操作控制柜組成。旁路柜在變頻器維護過程中或變頻器出現故障時，將電機投入到工頻電網運行，保證生產不受影響。變頻運行時，變頻器為電機提供全面的保護。高壓變頻器旁路柜一次回路如圖2所示。

　　DL：用戶高壓斷路器

　　K1、K2、K3：高壓變頻器內置高壓隔離開關

　　BPQ：JD-BP37-400F高壓變頻器

　　D：355kW/6kV異步電動機

　　圖2手動旁路柜中，共有3個高壓隔離開關，為了確保不向變頻器輸出端反送電，K2與K3采用電磁互鎖操動機構，實現電磁互鎖。當K1、K3閉合，K2斷開時，電機變頻運行;當K1、K3斷開，K2閉合時，電機工頻運行，此時變頻器從高壓中隔離出來，便于檢修、維護和調試。

　　旁路柜必須與上級高壓斷路器DL連鎖， DL合閘時，絕對不允許操作旁路隔離開關與變頻輸出隔離開關，以防止出現拉弧現象，確保操作人員和設備的安全。現場高壓變頻器運行如圖3所示。

　　6 通風機系統變頻改造效果

　　通風機屬于煤礦輔機設備中的高能耗設備，其輸出功率不能隨負荷變化而變化，只有通過改變風葉的角度和風門來調整風壓和風量，造成很大部分能量消耗在節流損失中。針對以上能源浪費的現象，采用高壓變頻技術對煤礦通風機進行技術改造，是煤礦節能降耗提高通風機運行效率的有效途徑。

　　6.1通風機變頻改造情況介紹

　　崔莊礦是一個新建礦井，生產后期風阻較大，所以根據礦通風部門提供的數據，風機按照容易期風量82.5m3/s、風壓1764Pa，困難期83 m3/s、風壓2646Pa設計。風機采用兩臺軸流式通風機，互為備用。通風機為2K58-NO.24軸流式通風機，轉速為743r/min。配備電動機型號為Y450-8，額定功率355kW，額定電壓為6000V，額定電流為45.7A，額定轉速743 r/min。通風機特性曲線如圖4所示。

　　由于建礦時間短，實際需要風量較小，投入運行后通過調整風葉角度在32.50運行，經礦測試中心測量，風門開度2m, 風機葉角度32.50，風機風量85 m3/s，風機負壓1750Pa，電機電流43A，電動機工況功率344kW。風機在全速運行時工作在低效區內。針對礦井實際的通風需求，采用調節風葉角度和風門實現風量、風壓的調整，存在電能嚴重浪費。

　　根據上述情況，根據風機廠家提供的技術參數和圖紙，獲得風機的運行特性。根據廠家提供的風機特性曲線圖，制定風機預計工礦點。當改變風機葉角度到400，同時降低風機轉速到654r/min，通風機此時工作在特性曲線高效區。測量變頻運行后數據：變頻器輸入電流24A，運行頻率44Hz，功率因數0.975，負壓1700Pa，風量約82.5m3/s，實際測量風機效率達到81%。完全符合現在生產需要。

　　同時為防止變頻器發生重大故障，設計了工頻旁路電路，在重大故障時系統可將風機投入工頻運行，以確保生產的連續性，避免了因通風影響煤礦生產。

　　6.2 采用變頻后通風機的節能效益

根據上述，改造后風機效率為81% ，經測量變頻后功率因數

　　變頻時，電動機消耗功率為：

　　P2=1.732×6×24×0.975=243.17kW 。

　　工頻時，電動機消耗功率為：P1=344kW。

　　一天按24小時運行，一年按300天計算，采用變頻技術后通風機節約電量計算如下：

　　年節電：(P1- P2)×24×300 =(344-243.17)×24×300=725976 (kW•h)。

　　每kW•h按0.6元計算，年節約電費為：

　　(725976×0.6)/10000=43.56萬元。

　　估算采用變頻技術后供電線路節省消耗：

　　通過公式計算工頻時線路功率因數：

式中：——功率因數提高前、后的電流

——變頻改造前功率因數

——變頻改造后功率因數

——變頻改造前供電功率

——變頻改造后供電功率

　　變頻運行比工頻運行供電線路每小時減少的無功功率：

　　年節省線路無功功率傳輸為229.67×24×300=1653624kvar。

　　按線路損失5%，每度電費按0.6元計算，年節約電費為：

　　1653624×5%×0.6=4.96萬元。

　　總計節約電量：43.56+4.96=48.52萬元。

　　6.3其他效益

　　(1)變頻起動對電網沒有沖擊。由于變頻器改造后風機實現軟起動，避免了起動電流的沖擊，而且還可以隨時起動或停止。

　　(2)按需調節風量，避免浪費。進行變頻改造后，風機的送風量不再需要由風葉角度和風門來調節，而是通過變頻調節風機的轉速來實現，調節范圍可以從0%—100%;因而可以根據井下通風需要實時調節風量，減少了不必要的浪費。

　　(3)降低風機工作強度，延長設備使用壽命。變頻改造后，風機的大部分工作時間都在較低的速度下運行，因而大大降低了風機工作的機械強度和電氣沖擊，大大延長風機的使用壽命。

　　(4)風機設備的噪聲降低，改善了工作環境。

　　(5)提高了通風機的自動化控制水平。

　　過去通風機依靠人工調節擋板，不具備風量的自動實時調節功能，自動化程度低。變頻改造后，通風機由變頻器進行控制，嚴格按程序進行控制，在礦監控室顯示通風系統各項電氣參數及設備運行狀態(工作、停止、故障)等，實現了生產過程對通風機的自動控制。

　　(6)界面為純中文操作，操作簡單，使用方便。

　　(7)保護功能齊全，除了過壓、欠壓、過熱、過載、短路、缺相等自身保護功能外，還設有故障單元自動旁路功能、外圍聯鎖保護系統及變頻故障轉工頻等功能，提高了系統的安全穩定性。

　　7結束語

　　總之，礦用通風機采用變頻調速，不但實現了軟起、軟停，而且可根據巷道的通風需求方便地進行調速，改造效果是十分理想的。2006年風光公司率先在寧夏煤業公司礦用通風機上進行變頻改造，開創了國產高壓變頻器在礦用通風機應用變頻改造的歷史，至此后，煤礦行業通風機變頻應用越來越多，風光公司高壓變頻器在煤炭行業有著良好的業績，風光產品為推動國家節能減排工作做出了貢獻。