閆彩虹

(西山煤電股份公司 鎮(zhèn)城底礦，山西 古交 030203)

現(xiàn)階段，高壓變頻技術(shù)已經(jīng)成功應(yīng)用于國(guó)內(nèi)外各個(gè)行業(yè)，并在西山煤電集團(tuán)公司得到了廣泛的推廣和使用，通過采用變頻技術(shù)可以為用戶提供完善的高壓(異步、同步)交流電動(dòng)機(jī)軟啟動(dòng)、調(diào)速、節(jié)能和智能控制解決方案。

眾所周知，煤礦通風(fēng)系統(tǒng)是礦井生產(chǎn)系統(tǒng)的重要組成部分，對(duì)保證礦井安全生產(chǎn)發(fā)揮著關(guān)鍵的作用。通過對(duì)風(fēng)機(jī)特性的分析可知，提高風(fēng)機(jī)的運(yùn)行效率可采用兩個(gè)手段:一是礦井?dāng)嗝孢m應(yīng)風(fēng)機(jī)，通過整修井下巷道，擴(kuò)大斷面，減少管網(wǎng)阻力來實(shí)現(xiàn)。由于井下地質(zhì)條件復(fù)雜多變，巷道整修實(shí)踐證明，管網(wǎng)阻力難以降到理想要求。二是風(fēng)機(jī)適應(yīng)礦井?dāng)嗝?，通過改變風(fēng)機(jī)風(fēng)葉角度或調(diào)整風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的方式主動(dòng)與礦井風(fēng)阻系數(shù)相匹配，在滿足生產(chǎn)需求的前提下，使風(fēng)機(jī)運(yùn)行在最高效區(qū)。

西山煤電股份公司鎮(zhèn)城底礦西風(fēng)井采用的是G4－73型離心式通風(fēng)機(jī)，配置電機(jī)功率400 kW。通風(fēng)容易時(shí)期的風(fēng)量:4 444 m3/min，通風(fēng)阻力:1 822 Pa;通風(fēng)困難時(shí)期的風(fēng)量:5 108 m3/min，通風(fēng)阻力:2 451 Pa，主要依靠的是調(diào)節(jié)風(fēng)門的開合程度來進(jìn)行風(fēng)量的調(diào)節(jié)，而風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速無法調(diào)節(jié)，只能在工頻(50 Hz)下運(yùn)行。在通風(fēng)容易時(shí)期，由于井下需風(fēng)量不是很大，高轉(zhuǎn)速和大功率的運(yùn)行造成風(fēng)機(jī)振動(dòng)和噪聲非常大，設(shè)備磨損嚴(yán)重，同時(shí)耗能量也非常大，電機(jī)實(shí)際運(yùn)行功率350 kW 左右，實(shí)際輸出的功率只有約200 kW，浪費(fèi)了很多電能，功率因數(shù)也較低。人工調(diào)節(jié)內(nèi)門的開度，不但強(qiáng)度大，而且風(fēng)量不易控制，同時(shí)采用的繞線式電機(jī)是通過串級(jí)調(diào)速起動(dòng)，起動(dòng)不平穩(wěn)，故障較多，多數(shù)情況下采用的是直接起動(dòng)，對(duì)電網(wǎng)的沖擊較大，降低了電網(wǎng)的運(yùn)行質(zhì)量，一旦電機(jī)的保護(hù)功能不齊全，會(huì)對(duì)電機(jī)造成嚴(yán)重?fù)p壞，該礦曾更換過兩次電機(jī)。因此，在2010年初，該礦提出了在對(duì)西風(fēng)井電控系統(tǒng)改造的基礎(chǔ)上，再對(duì)通風(fēng)機(jī)進(jìn)行變頻改造，利用變頻技術(shù)調(diào)整風(fēng)機(jī)運(yùn)行到最高效率區(qū)，通過改變供電頻率調(diào)節(jié)電機(jī)和風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)變頻軟起動(dòng)，實(shí)現(xiàn)風(fēng)壓、風(fēng)量的調(diào)節(jié)。同時(shí)最大限度地達(dá)到節(jié)能降耗及延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命的目的。

1 技術(shù)方案

由于該礦西風(fēng)井通風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行方式為一運(yùn)一備，雙回路設(shè)備對(duì)稱。因此，采用了兩套高壓變頻系統(tǒng):高壓變頻器型號(hào):HIVERT－ Y06/048，容量:500 kVA，輸入電壓等級(jí)6 kV，輸出電壓等級(jí)(可調(diào)頻)6 kV，輸出頻率:0～50 Hz。配置手動(dòng)旁路柜兩套:型號(hào)XGNP01－7.2?？煞奖愕貙?shí)行變頻和工頻運(yùn)行的切換。雙路供電電源和兩臺(tái)電機(jī)可進(jìn)行切換。系統(tǒng)變頻運(yùn)行為主，工頻運(yùn)行作為備用，增加了系統(tǒng)的安全冗余系數(shù)。供電系統(tǒng)示意圖見圖1。

圖1 供電系統(tǒng)示意圖

由圖1 可知，該礦采用的是手動(dòng)旁路系統(tǒng)方案，在旁路柜中K1、K2、K3 是3 個(gè)隔離刀閘，其中K2、K3為雙刀投的隔離刀閘。采用雙刀投的隔離刀閘的目的是實(shí)現(xiàn)機(jī)械互鎖，防止誤操作將工頻電源反送到變頻器輸出側(cè)而導(dǎo)致變頻器的損壞，其特點(diǎn)是兩個(gè)方向只能合其一。

1.1 運(yùn)行方式

1.1.1 變頻運(yùn)行

此時(shí)K1、K2 閉合狀態(tài)，K3 斷開狀態(tài)，斷路器DL合閘狀態(tài)，為變頻器供電，再通過變頻器本地或遠(yuǎn)程起動(dòng)電機(jī)實(shí)施變頻運(yùn)行。

1.1.2 工頻定速運(yùn)行

此時(shí)K1、K2 斷開狀態(tài)，K3 閉合狀態(tài)，斷路器DL合閘狀態(tài)，直接啟動(dòng)電機(jī)定速運(yùn)行。

1.2 維護(hù)、檢修方式

K1、K2 斷開狀態(tài)，使變頻器和高壓電源完全隔離，保證檢修人員的安全。同時(shí)，因旁路柜和上一級(jí)高壓斷路器DL 具有閉鎖關(guān)系，在旁路柜隔離開關(guān)未合到位時(shí)，斷路器DL 合不上閘，在斷路器DL 合閘時(shí)，絕對(duì)不允許進(jìn)行隔離開關(guān)的操作，以防止因拉弧對(duì)操作人員和設(shè)備造成安全影響。通過操作手柄上的電磁鎖實(shí)現(xiàn)隔離開關(guān)與斷路器DL的閉鎖，在斷路器DL 合閘狀態(tài)下，操作手柄被鎖死。

1.3 控制方式

1.3.1 本地控制

在變頻器的操作界面上完成對(duì)電機(jī)的起、停控制，并可完成對(duì)變頻器的設(shè)置等所有控制。

1.3.2 遠(yuǎn)程控制

來自現(xiàn)場(chǎng)的開關(guān)量控制可通過I/O 接口板接受。

1.3.3 上位控制

通過采用MODBUS 通訊協(xié)議，變頻器接收上位DCS 系統(tǒng)的控制。

2 優(yōu)點(diǎn)

2.1 軟啟動(dòng)

變頻器具有軟啟動(dòng)功能，保證電機(jī)平穩(wěn)啟動(dòng)，連續(xù)可調(diào)。

2.2 輸入功率因數(shù)高

無需功率因數(shù)補(bǔ)償裝置，降低供電容量。

2.3 適應(yīng)電壓范圍較寬

變頻器工作電壓范圍在額定電壓的+15%～－20%，能更好地適應(yīng)電壓波動(dòng)較大的電網(wǎng)條件。

2.4 調(diào)速方式

具有本地、模擬、多檔、上位四種調(diào)速方式。

2.5 輸出諧波含量較低。

對(duì)電網(wǎng)的污染小，無需濾波器，可直接驅(qū)動(dòng)普通電機(jī)，不會(huì)造成電機(jī)的溫度升高，從而引起電機(jī)容量的降低，電纜長(zhǎng)度不會(huì)影響電機(jī)的正常運(yùn)行，電機(jī)絕緣不受dv/dt 應(yīng)力的損害，更不會(huì)因諧波力矩引起電機(jī)使用壽命的降低。

2.6 人機(jī)界面

全中文操作為用戶提供友好的人機(jī)界面，可利用上位監(jiān)控而實(shí)現(xiàn)變頻器的網(wǎng)絡(luò)化調(diào)度控制，由上位機(jī)負(fù)責(zé)進(jìn)行信息處理和與外部的通訊聯(lián)系。可對(duì)變頻運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，如電流、電壓、功率、運(yùn)行頻率等運(yùn)行參數(shù)，并提供表計(jì)功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的過載、過流進(jìn)行預(yù)警、告警和保護(hù)。通訊方式主要是通過RS232 通訊口與主控板連接，通過RS485通訊口與I0 接口板連接，實(shí)時(shí)監(jiān)控變頻器系統(tǒng)的運(yùn)行、故障等狀態(tài)。

3 社會(huì)、經(jīng)濟(jì)效益分析

1)在滿足井下風(fēng)量和風(fēng)壓要求的情況下，風(fēng)機(jī)運(yùn)行效率高，節(jié)能效果明顯。對(duì)比情況見表1。

表1 變頻改造前后對(duì)比情況表

2)原通風(fēng)機(jī)電控系統(tǒng)電機(jī)多數(shù)情況下為直接起動(dòng)，起動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)，起動(dòng)電流大，若電動(dòng)機(jī)的各種保護(hù)功能不齊全，會(huì)對(duì)電機(jī)造成嚴(yán)重?fù)p壞，而且對(duì)電網(wǎng)也會(huì)造成較大的沖擊。改造后為變頻起動(dòng)，對(duì)電網(wǎng)沒有任何沖擊，實(shí)現(xiàn)了變頻軟起動(dòng)，避免了起動(dòng)電流的沖擊。功率因數(shù)大幅提高到0.96 以上，電網(wǎng)質(zhì)量明顯提高。

3)直接通過變頻調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)風(fēng)量，無需使用調(diào)節(jié)風(fēng)門開度來控制風(fēng)量，變頻調(diào)節(jié)的范圍是0～100%，因此，可隨生產(chǎn)需要隨意調(diào)節(jié)風(fēng)量。

4)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速降低，軸溫、噪音、震動(dòng)大幅降低，改善了工作環(huán)境;安全系數(shù)高;風(fēng)機(jī)維護(hù)量減少，使用壽命延長(zhǎng)。

4 結(jié)束語

通過改造，實(shí)現(xiàn)了主通風(fēng)機(jī)的變頻調(diào)速，使風(fēng)機(jī)始終保證在高效區(qū)運(yùn)行，不僅減輕了風(fēng)機(jī)的負(fù)荷，也節(jié)約了大量的電能，原風(fēng)機(jī)運(yùn)行效率低，在60%左右，采用高壓變頻調(diào)速裝置后，效率提高到90%以上，年節(jié)電120 萬kWh 左右，折合人民幣68.4 萬元。同時(shí)利用變頻調(diào)節(jié)，電機(jī)啟動(dòng)實(shí)現(xiàn)了軟啟動(dòng)，對(duì)電網(wǎng)的沖擊大大減輕。對(duì)風(fēng)機(jī)葉片、電機(jī)的機(jī)械損傷也大大降低;風(fēng)機(jī)噪音和振動(dòng)明顯減輕，同時(shí)上位機(jī)可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操作，無人值守，對(duì)于改善職工工作環(huán)境，降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度等方面成效卓著。

目前，該變頻技術(shù)使用于該礦離心式通風(fēng)機(jī)上，也可用于礦井軸流式(含對(duì)旋式)通風(fēng)機(jī)上。目前，我國(guó)煤礦使用離心式通風(fēng)機(jī)的還占大多數(shù)，特別是一些服務(wù)年限超過20年的礦井中，這些離心式主通風(fēng)機(jī)大多存在能力富裕、長(zhǎng)期低效運(yùn)行的問題，調(diào)整風(fēng)量主要是采用減少進(jìn)風(fēng)閘門開啟高度或者是改變?nèi)~片角度等方法，風(fēng)機(jī)的實(shí)耗功率并未降低，造成大量電能的浪費(fèi)，同時(shí)也損壞風(fēng)機(jī)。通過對(duì)該礦離心式通風(fēng)機(jī)的變頻改造實(shí)踐，利用調(diào)頻可實(shí)現(xiàn)通風(fēng)機(jī)的調(diào)速運(yùn)行，因此，可根據(jù)需要方便地改變風(fēng)機(jī)運(yùn)行工況點(diǎn)，有效地提高了主通風(fēng)機(jī)的運(yùn)行效率，運(yùn)行穩(wěn)定性和自動(dòng)化程度有了進(jìn)一步的提高，節(jié)能效果顯著。而且將單元裝置的IGBT 等功率元件增大后，最大可適應(yīng)4 000kW的主通風(fēng)機(jī)。