高壓變頻器在煤礦主通風機上的應用
發布時間：2019-07-12 09:41:28來源：
關鍵詞：高壓變頻器 煤礦 主通風機 節能
Abstract: This paper describes the application of the FengGuang high voltage inverter in Shandong's Weishan Cui Zhuang coal mine fan, and transformation of energy were calculated. The result shows that the high frequency of using coal energy-saving fan speed control device, with good economic and social benefits.
Key words: High voltage inverter Coal mine Main fan Energy-saving
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：
現場設圖
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比較差，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，使其在比較佳工況點運行，使風機在比較大的范圍內以比較高的效率運行，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，比較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
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
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
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。