引言 我國煤礦開采僅在2005年即耗能5086.81×104t標準煤,耗電376.04×108kW·h,分別占全國總耗能量和總耗電量3.86%和3.49%,所以,煤炭工業(yè)堪稱我國第一能源工業(yè),既是產(chǎn)能大戶,又是耗能大戶,同時也是節(jié)能潛力大戶。煤礦用的排水泵和通風機的耗電量即占生產(chǎn)電耗44%左右,約為40×108～50×108kW·h，其中排水耗電量占生產(chǎn)電耗的20%～30%，約為25×108 ～30×108kW·h；通風機耗電量占生產(chǎn)電耗的15%～25%，約20×108kW·h左右。為此，采用變頻調(diào)速技術可大幅度地降低電耗，節(jié)電率平均按30%計，年節(jié)電潛力至少為10×108～15×108kW·h。所以，利用變頻技術對現(xiàn)有用電設備進行節(jié)能改造，是解決我國煤炭工業(yè)高消耗、低效益的根本措施。 2 工況簡介 烏蘭礦位于賀蘭山中段，隸屬于寧夏煤業(yè)集團有限責任公司。1965年由西安煤礦設計院設計，礦井年設計能力90萬噸，采用對角式通風系統(tǒng)。1966年開工興建。1975年6月30日建成產(chǎn)。烏蘭礦井田走向長5km，傾斜寬8km，總面積16.15km2，井田劃分為五個采區(qū)和一個備用區(qū)，井田內(nèi)含薄、中、厚煤層22個，其中可采和局部可采煤層17層，可采儲量1.36億噸。 2006年延深工程和礦井改擴建完成后，烏蘭煤礦的原煤產(chǎn)量將達到240萬噸。煤礦開采遵循以風定產(chǎn)的要求，有多大的風量就允許有多大的開采量，風量隨煤的產(chǎn)量的增加而增加。在采煤作業(yè)中瓦斯隨著煤的開采不斷地涌出，涌出瓦斯與煤的開采量呈正比，而保障每個煤礦工人正常工作所需的新鮮空氣也與煤的開采量呈正比。因此為了煤礦生產(chǎn)安全、完成生產(chǎn)任務，所需風量、風壓隨著開采和掘進的不斷延伸，巷道延長，及開采量的增加而增加，風機需用功率也隨之增加。 烏蘭礦原來的南翼風機隨著掘進的深入，已經(jīng)不能滿足生產(chǎn)需要，故對南翼通風進行了改造，撤除了原南翼主扇，增設南二主扇，大幅度提高了南翼主扇的通風能力。 3 礦用主扇通風機調(diào)速方案選擇 3.1 煤礦主扇風機的調(diào)節(jié)方法 在煤礦生產(chǎn)中，所需風量風壓在不同階段有不同的要求，為滿足生產(chǎn)要求，煤礦風機通常采用以下幾種方法調(diào)節(jié)： （1）閘門調(diào)節(jié)； （2）改變通風機轉速； （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(diào)節(jié)尾翼擺角； （6）軸流式通風機改變動葉數(shù)目； （7）軸流式通風機改變靜葉角度。 其中以閘門調(diào)節(jié)效率最差，它是人為的改變阻力曲線，增加風阻，越調(diào)節(jié)性能就越惡化；前導器調(diào)節(jié)和尾翼擺角調(diào)節(jié)效率比閘門調(diào)節(jié)高；改變動葉安裝角和動葉數(shù)目，可改變風機的特性曲線，使風機在較大范圍內(nèi)以較高的效率運行，以達到節(jié)能降耗的目的。改變通風機轉速，使其在最佳工況點運行，使風機在最大的范圍內(nèi)以最高的效率運行，節(jié)能效果最好。 烏蘭礦南二主扇風機為兩臺對旋式軸流通風機，一用一備。軸流式通風機的一般性能曲線如圖1所示： [align=center] 圖1 軸流式通風機的性能曲線[/align] 其中壓力曲線有駝峰，工況點如在駝峰右側區(qū)域時，通風機的工作狀態(tài)是穩(wěn)定的；工況點如在駝峰左側區(qū)域，通風機的工作狀態(tài)就很難穩(wěn)定，此時風壓、流量發(fā)生波動，當工況點移至左下部時，流量、風壓有激烈脈動，并引起整個風機裝置強烈振動，稱這種現(xiàn)象為喘振。喘振可能使風機裝置遭到破壞，因此通風機不允許在喘振狀態(tài)下運行。為了避免風機在小流量時發(fā)生喘振現(xiàn)象，對風機進行變頻改造是首選方案，并且當風機速度變化不超過20%，效率基本無變化，使用變頻調(diào)速后就可以使風機在小流量段高效運行，不僅不會使風機喘振，還擴大了風機高效運行的工作范圍，由于風機在投運的初始階段所需風量相對風機風量都比較小，甚至小很多，因此在風機投運的初始階段采用變頻調(diào)速就顯得尤為重要。 該礦原來的主扇風機采用工頻運行，在運行中一般采用改變導葉角度和改變檔板角度調(diào)節(jié)通風量，因此通風效率較低，造成能源浪費，增加了生產(chǎn)成本。又由于主扇風機設計的余量特別大，在相當長的時間主扇風機一直處在較輕負載下運行，能源浪費更加突出。 當主扇風機采用電抗器啟動時，由于電網(wǎng)容量有限，故主扇風機起動時只能先起動一級風機，風機起動正常后再起動另一級風機，起動時間長，啟動電流大，對電動機的絕緣有著較大的威脅，嚴重時甚至燒毀電動機。而高壓電動機在啟動過程中所產(chǎn)生的單軸轉矩現(xiàn)象使風機產(chǎn)生較大的機械振動應力，嚴重影響到電動機、風機及其它機械的使用壽命。 字串4 綜合以上幾點，為了礦井的安全生產(chǎn)、降低生產(chǎn)成本和減小對風機的沖擊，南二主扇風機采用調(diào)節(jié)電機轉速方法最佳方案。 3.2 以往采用的調(diào)速方式 至上世紀末，高壓電機要實現(xiàn)調(diào)速，主要采用以下三種方式： （1）液力耦合器方式。即在電機和負載之間串入一個液力耦合裝置，通過液面的高低調(diào)節(jié)電機和負載之間耦合力的大小，實現(xiàn)負載的速度調(diào)節(jié)。這種調(diào)速方法實質(zhì)上是轉差功率消耗型的做法，其主要缺點是隨著轉速下降效率越來越低、維護工作量大。 （2）串級調(diào)速。串級調(diào)速必須采用繞線式異步電動機，將轉子繞組的一部分能量通過整流、逆變再送回到電網(wǎng)，而現(xiàn)在工業(yè)現(xiàn)場幾乎都采用鼠籠式異步電動機，更換電機非常麻煩。這種調(diào)速方式的調(diào)速范圍一般在70%-95%左右，調(diào)速范圍窄。容易造成對電網(wǎng)的諧波污染，功率因數(shù)低；串級調(diào)速電機受轉子滑環(huán)的影響，不能做到很大功率，滑環(huán)維護工作量大，屬于落后技術。 （3）高—低變頻方式 變頻器為低壓變頻器，采用輸入降壓變壓器，先把電網(wǎng)電壓降低，然后采用一臺低壓變頻器實現(xiàn)變頻；對于電機，則有兩種辦法，一種辦法是采用低壓電機；另一種辦法，則是仍采用原來的高壓電機，需要在變頻器和電機之間增加一臺升壓變壓器，即高—低—高變頻方式。這是當時高壓變頻技術未成熟時的一種過渡技術。這種做法由于采用低壓變頻器，容量也比較小，對電網(wǎng)側的諧波較大。 通過對以上高壓電機調(diào)速方式比較，寧夏煤業(yè)集團烏蘭礦決定采用高壓變頻器對主扇通風機進行改造。 經(jīng)過多方比較性價比，通過招標方式，選用了山東新風光電子科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)的JD-BP37-560F型高壓變頻器，一拖一控制，共計4臺高壓變頻器。改造取得了成功。現(xiàn)對改造作一介紹。 4 山東新風光電子JD-BP37-560F高壓變頻器 4.1 JD-BP37-560F高壓變頻器的主要性能指標 變頻器功率： 560kW； 輸入頻率： 50Hz； 輸入電壓： 6.0kV±20%； 輸出電壓: 三相正弦波電壓0～6kV； 輸出頻率: 0-60Hz； 頻率分辨率: 0.01Hz； 加速時間: 可按工藝要求設定； 減速時間: 可按工藝要求設定； 故障診斷及檢測: 自動檢測,自動定位； 網(wǎng)側功率因數(shù): 0.95（高速時）; 過載保護: 150%1min； 防護等級: IP20； 環(huán)境濕度: 90%,無凝結。 4.2 性能特點 （1）高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)采用直接“高—高”變換形式，為單元串聯(lián)多電平拓撲結構，主體結構有多組功率模塊并聯(lián)而成。 （2）變頻裝置控制采用LED鍵盤控制和人機界面控制兩種控制方式，兩種方式互為備用，兩種方式從就地界面上可以進行增、減負荷，開停機等操作。裝置保留至少一年的故障記錄。 字串8 （3）變頻器能提供兩種通訊功能：標準的RS-485和有觸摸屏處理器擴展的通訊接口。 （4）在20～100%的調(diào)速范圍內(nèi)，變頻系統(tǒng)在不加任何功率因數(shù)補償?shù)那闆r下，本機輸入端功率因數(shù)達到0.95。 （5）變頻裝置對輸出電纜的長度無任何要求，變頻裝置保護電機不受共模電壓及dv/dt應力的影響。 （6）變頻裝置輸出電流諧波不大于2%，符合IEEE 519 1992及我國供電部門對電壓失真最嚴格的要求，高于國標GB14549-93對諧波失真的要求。變頻裝置輸出波形不會引起電機的諧振，轉矩脈動小于0.1%。變頻器可自動跳過共振點。 （7）變頻裝置對電網(wǎng)反饋的電流諧波不大于4%，符合IEEE 519 1992及我國供電部門對電壓失真最嚴格的要求，高于國標GB14549-93對諧波失真的要求。 （8）變頻裝置對電網(wǎng)電壓的波動有較強的適應能力，在-10%～+10%電網(wǎng)電壓波動時必須滿載輸出，可以承受30%的電網(wǎng)電壓下降而降額繼續(xù)運行，能滿足煤礦的電壓大幅波動的要求。 （9）變頻裝置設以下保護：過電壓、過電流、欠電壓、缺相保護、短路保護、失速保護、變頻器過載、電機過載保護、半導體器件的過熱保護、瞬時停電保護等，聯(lián)跳至輸入側6kV開關。保護的性能符合國家有關標準的規(guī)定。并提供故障、斷電、停機等報警。 （10）變頻裝置帶故障自診斷功能，對所發(fā)生的故障類型及故障位置提供中文指示，就地顯示并遠方報警，便于運行人員和檢修人員辨別和解決所出現(xiàn)的問題。變頻裝置有對環(huán)境溫度的監(jiān)控，當溫度超過變頻器允許的環(huán)境溫度時，變頻器提供報警。 （11）系統(tǒng)可在電子噪聲，射頻干擾及振動的環(huán)境中連續(xù)運行，能滿足國家標準對電磁兼容的規(guī)定。 字串6 5 變頻改造主回路接線 變頻裝置與主扇風機的連接方式如圖2所示。以其中一臺主扇風機變頻器接線為例，6kV電源經(jīng)變頻裝置輸入刀閘K1到高壓變頻裝置，變頻裝置輸出經(jīng)出線刀閘K2送至電動機；6kV電源還可以經(jīng)旁路刀閘K3后由KM直接起動電動機。進出線刀閘（K1、K2）和旁路刀閘（K3）的作用是：一旦變頻裝置出現(xiàn)故障，即可馬上斷開進出線刀閘，將變頻裝置隔離，手動合旁路刀閘，在工頻電源下起動電機運行。虛線框內(nèi)為手動旁路開關柜。 [align=center] 圖2 主扇風機變頻主回路圖[/align] 6 高壓變頻器如何在風機的高效區(qū)進行調(diào)速 （1）根據(jù)礦井生產(chǎn)實際情況，用戶提出礦井近期（或初期）所需的風量、負壓。 （2）根據(jù)當前風機運行情況，作出目前及后期礦井通風網(wǎng)路阻力曲線，求出較準確的礦井通風網(wǎng)路阻力系統(tǒng)及網(wǎng)組曲線方程。 （3）確定風機直徑及轉速后，根據(jù)廠家提供的產(chǎn)品特性曲線，作出風路阻力曲線，并根據(jù)風機所需的風量和負壓，找出前后期工況點，必須使工況點運行在高效區(qū)，即系統(tǒng)效率在80%左右。如果工況點出現(xiàn)在低效區(qū)，可以調(diào)整風機的的動葉角度使其處于高效區(qū)。風機葉片安裝角度可以通過公式計算和作圖，按兩者相結合的方法確定；作風路特性曲線找工況點，可以由圖查得平均角度，亦可通過計算求得。根據(jù)上述方法初算出的角度，對照礦井阻力曲線和風機性能曲線作出的工況點，再確定葉片安裝角度。在實際應用中,風機轉速大于50%的情況下,可以滿足用戶井下對風量及負壓的要求,且風機運行在高效區(qū)。 字串9 7 變頻運行情況 7.1 變頻器及其負載 變頻器為我公司生產(chǎn)的JD-BP37-560F風機變頻器，主扇風機為湘潭風機廠生產(chǎn)的對旋式通風機，參數(shù)如下： 型號：BD-Ⅱ-10-NO:32； 電動機額定功率：2×400kW； 靜壓：3800-800Pa； 風量：150-255m3/s； 反風率：60%； 額定轉速：539 r/min； 電源頻率：50Hz； 額定電壓：6000V； 額定電流：53.5A； 絕緣等級：F級； 變頻器于4月30日安裝完成，5月3日投入運行。 7.2 變頻運行 變頻投入運行以來一直穩(wěn)定運行，輸出頻率、電壓和電流穩(wěn)定，風機運行穩(wěn)定，變頻器網(wǎng)側實測功率因數(shù)為0.976，效率均高于96%，滿載時網(wǎng)側電流諧波總容量小于3%，輸出電流諧波小于4%，均低于國家標準。風機以低于額定轉速運行，噪聲降低磨損減輕，減少了維護費用，經(jīng)濟效益良好。 7.3 變頻操作 變頻器顯示采用中文圖形界面，觸摸屏操作，生動直觀，變頻器的運行狀態(tài)一目了然，各種運行數(shù)據(jù)可在觸摸屏上查詢，便于操作人員及時了解變頻器的運行情況。變頻器操作簡單，兩級風機可以同時起動，可在3min之內(nèi)起動至高速，短時間內(nèi)達到所需風量。由于烏蘭礦屬于高瓦斯礦井，主扇風機停機10min就是重大事故，簡便的操作和短的起動時間確保了生產(chǎn)安全。并且反風比以前操作簡單可靠，完全可滿足10min內(nèi)實現(xiàn)反風的要求。 7.4 運行數(shù)據(jù) 變頻器運行數(shù)據(jù)如附表所示： 2006年5月16日，功率因數(shù)：0.976 [align=center]附表 變頻器運行數(shù)據(jù) [/align] 7.5 能耗分析 [align=center] 圖3 BD-II-10-NO:32型風機特性曲線圖[/align] 主扇風機為對旋式軸流風機，一臺主扇風機有兩臺旋轉方向相反的風機組成，每臺功率400kW，圖3為BD-II-10-NO：32型風機特性曲線圖，R1為礦井的通風阻力曲線，R2為調(diào)整風門后的阻力曲線，分別與轉速為n2、動葉角度為00和轉速為n1、動葉角度為-50的風機特性曲線交于A點和B點。由圖3風機的特性曲線和阻力曲線可知，使用調(diào)整風葉角度和風門開度調(diào)節(jié)風量的方法，其風葉角度為-50風量為147m3/s時，靜壓力為3050Pa，效率約為72%，風壓損失功率： P風損=Δp×QA/1000=（pB－pA）×QA/1000 =（3050-2100）×147/1000=139.7kW 如采用工頻運行時，動葉角度可調(diào)至-5℃，再調(diào)節(jié)閘門至工況點B點，這是風機通風有用功率： P通=pB×QB/1000=3050×147/1000=448.4 kW 電機功率： P電=P通/η=448.4/72%=622.8kW 因此，其節(jié)電率=（P電-P變）/P電 =（622.8-386）/622.8=38.02% 風機變頻運行時的效率為： η=（pA×QA/1000）/P入 字串8 =（2100×147/1000）/386=80% 由此可見，變頻運行時，風機效率為80%，其節(jié)電率在30%以上，節(jié)能效果十分明顯，效益可觀。 8 結束語 在寧夏煤炭企業(yè)，主扇風機成功應用高壓變頻器這是第一次，在中國煤炭行業(yè)，礦用通風機高壓變頻改造也不多見，其示范意義是不言而喻的。實際應用表明，高壓變頻器的應用于煤礦主扇風機的系統(tǒng)改造，必將取得良好的運行效果和經(jīng)濟效益。我國是世界上的產(chǎn)煤大國，又是能源相對貧乏的國家之一，而且也是噸煤耗能較高的國家。而推廣使用變頻器在煤礦行業(yè)進行改造，節(jié)約能源的效果將是非常可觀的，適應了國家建設節(jié)約型社會的潮流。