宋瑞軍

（山煤集團(tuán)霍爾辛赫煤業(yè)有限公司， 山西 長(zhǎng)治 046600）

引言

主通風(fēng)機(jī)是煤礦采礦業(yè)中不可或缺的部分，同時(shí)也是煤礦采礦作業(yè)中的耗電大戶。我國(guó)的煤礦采礦作業(yè)中，主通風(fēng)機(jī)占據(jù)了整個(gè)采礦作業(yè)中將近1/3的耗電量，而由此帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)成本則占據(jù)了采礦總成本的1/4。但主通風(fēng)機(jī)大多數(shù)情況下其工作功率與實(shí)際負(fù)載并不相符，存在嚴(yán)重的功率浪費(fèi)現(xiàn)象，而研究變頻節(jié)能技術(shù)在主通風(fēng)機(jī)上的應(yīng)用，可以提升主通風(fēng)機(jī)的工作效率，降低其耗電量與經(jīng)濟(jì)成本[1]。

1 變頻節(jié)能技術(shù)的原理

1.1 變頻調(diào)速技術(shù)

為確保礦井下空氣質(zhì)量，一般的煤礦礦井中會(huì)配備兩臺(tái)主通風(fēng)機(jī)，其中一臺(tái)用于日常工作，另一臺(tái)則在第一臺(tái)無(wú)法工作時(shí)臨時(shí)發(fā)揮作用。為確保礦井下空氣得到有效流通，主通風(fēng)機(jī)的工作功率一般為最大功率，但礦井實(shí)際的空氣質(zhì)量往往會(huì)隨時(shí)間發(fā)生變化，當(dāng)?shù)V井下空氣質(zhì)量較好時(shí)，主通風(fēng)機(jī)仍然滿功率工作會(huì)導(dǎo)致功率的浪費(fèi)。而主通風(fēng)機(jī)的特殊結(jié)構(gòu)使得其難以通過(guò)常規(guī)的調(diào)速裝置實(shí)時(shí)調(diào)整風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，調(diào)整所需的成本與技術(shù)要求都很高。而變頻節(jié)能技術(shù)可以使主通風(fēng)機(jī)在無(wú)需停機(jī)的前提下實(shí)時(shí)調(diào)整風(fēng)機(jī)工作功率，根據(jù)礦井下方空氣質(zhì)量對(duì)風(fēng)機(jī)功率進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，這種調(diào)整方式精確度更高，可在保證礦井下方空氣質(zhì)量的前提下節(jié)省風(fēng)機(jī)用電量。

1.2 主通風(fēng)機(jī)的能耗

主通風(fēng)機(jī)中，對(duì)電能的消耗主要來(lái)自電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，而機(jī)械能中的大部分轉(zhuǎn)化為風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)的風(fēng)壓能，一部分轉(zhuǎn)化為摩擦熱能，少部分在電動(dòng)機(jī)工作中耗散掉。其中：ηd代表電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)換熱能的效果，即電動(dòng)機(jī)的工作效率；ηt代表電動(dòng)機(jī)耗散熱能的效果，即傳動(dòng)效率；ηm代表電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)換風(fēng)壓能的效果，即全壓效率。由于風(fēng)機(jī)的出風(fēng)量Q與出口風(fēng)壓H也會(huì)對(duì)主通風(fēng)機(jī)的耗電量產(chǎn)生影響，因此降低主通風(fēng)機(jī)耗電量的思路為降低Q與H，提升ηd、ηt與ηm[2]。

1.3 變頻調(diào)速原理

主通風(fēng)機(jī)的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速是影響其耗電量的關(guān)鍵，在不更換主通風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)的前提下，即ηd、ηt與ηm無(wú)法改變的前提下，可以通過(guò)改變Q與H實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)機(jī)耗電量的調(diào)整。而這需要通過(guò)調(diào)整電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速越低，Q與H的值就越低，風(fēng)機(jī)工作時(shí)耗電量就越小。而變頻節(jié)能技術(shù)的關(guān)鍵就在于在風(fēng)機(jī)工作中實(shí)時(shí)調(diào)整電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，在確保礦井通風(fēng)質(zhì)量的前提下減小電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而節(jié)省風(fēng)機(jī)用電。

相較于傳統(tǒng)的調(diào)整電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的方式，變頻節(jié)能技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)多臺(tái)風(fēng)機(jī)的調(diào)整，操作簡(jiǎn)單便捷，調(diào)節(jié)精度較高，可以最大限度地提升主通風(fēng)機(jī)的工作效率。在下文中，我們將以某煤礦礦井為例，對(duì)其主通風(fēng)機(jī)應(yīng)用變頻節(jié)能技術(shù)，并對(duì)應(yīng)用前后的耗電效果進(jìn)行測(cè)評(píng)[3]。

2 主通風(fēng)機(jī)變頻節(jié)能技術(shù)應(yīng)用工況及效果

2.1 工程概況

該煤礦礦井屬于雙突礦井，礦井中瓦斯含量較高，建設(shè)規(guī)模為650 萬(wàn)t/年。該礦井中的通風(fēng)方式為對(duì)角式通風(fēng)，對(duì)角中的兩臺(tái)風(fēng)機(jī)送風(fēng)，中央處的風(fēng)機(jī)抽風(fēng)。根據(jù)計(jì)算，該礦井主通風(fēng)機(jī)所產(chǎn)生的風(fēng)量為95 m3/s，礦井空氣質(zhì)量較好時(shí)，風(fēng)機(jī)所產(chǎn)生的平均負(fù)壓為830 Pa，空氣質(zhì)量較差時(shí)的風(fēng)壓為2 100 Pa。為滿足該礦井的通風(fēng)以及應(yīng)用變頻節(jié)能技術(shù)的需求，為該礦井選擇了型號(hào)為FBCDZ-8-24B 型風(fēng)機(jī)共兩臺(tái)，其中一臺(tái)為備用風(fēng)機(jī)，該型號(hào)風(fēng)機(jī)的工作電壓為10 kV，額定功率為240 kW，最大轉(zhuǎn)速為760 r/min。

一般來(lái)說(shuō)，按照煤礦礦井中風(fēng)機(jī)的設(shè)置條件，在礦井下空氣質(zhì)量較差時(shí)，風(fēng)機(jī)的工作效果較好，此時(shí)成為風(fēng)機(jī)工作的高效區(qū)；而礦井下空氣質(zhì)量較好時(shí)，風(fēng)機(jī)的工作效果較差，此時(shí)成為風(fēng)機(jī)工作的低效區(qū)。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，大部分風(fēng)機(jī)在低效區(qū)時(shí)的資源利用效率只有高效區(qū)時(shí)的50%左右，而井下處于低效區(qū)的時(shí)間明顯比高效區(qū)更長(zhǎng)，因此造成了嚴(yán)重的電量浪費(fèi)。而通過(guò)變頻節(jié)能技術(shù)實(shí)時(shí)改變風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，可以確保其始終在高效區(qū)工作，降低因低效區(qū)導(dǎo)致的電量損耗。

2.2 變頻調(diào)速方案

主通風(fēng)機(jī)中的變頻器除了需要帶動(dòng)風(fēng)機(jī)工作以及調(diào)整其轉(zhuǎn)速外，還需要在風(fēng)機(jī)工作時(shí)抵消其所產(chǎn)生的諧波，諧波會(huì)對(duì)風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)整造成影響，進(jìn)而影響變頻器的工作。因此選擇了型號(hào)為RHVC-A10的變頻器，此變頻器對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的諧波有較好的防護(hù)能力，可以在電動(dòng)機(jī)高速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)起到實(shí)時(shí)調(diào)整其轉(zhuǎn)速的作用。

為確保主要風(fēng)機(jī)以及備用風(fēng)機(jī)都能正常工作，在變頻器線路上安裝有調(diào)控線路，當(dāng)主要風(fēng)機(jī)因故障無(wú)法正常工作時(shí)，通過(guò)調(diào)控線路可立即切換到備用風(fēng)機(jī)的變頻器上使之工作，這一操控流程完全自動(dòng)進(jìn)行，可避免因主要風(fēng)機(jī)故障導(dǎo)致備用風(fēng)機(jī)無(wú)法工作。變頻器與礦井下方的氣體濃度檢測(cè)裝置連接，通過(guò)氣體濃度檢測(cè)裝置反饋的結(jié)果，將變頻器按照預(yù)定的程序?qū)崟r(shí)調(diào)整風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，在保證礦井下方空氣質(zhì)量達(dá)標(biāo)的前提下使風(fēng)機(jī)始終工作在高效區(qū)內(nèi)，從而提升其工作效率。

在安裝好變頻調(diào)速系統(tǒng)后，對(duì)風(fēng)機(jī)的工作效率以及礦井下方的空氣質(zhì)量的關(guān)系進(jìn)行了研究。當(dāng)?shù)V井內(nèi)空氣質(zhì)量最好時(shí)，變頻器會(huì)將風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)整為550 r/min，根據(jù)測(cè)算，在此速度下風(fēng)機(jī)的工作效率為80%，相比之前為安裝變頻器時(shí)提升了24%。

3 主通風(fēng)機(jī)變頻技術(shù)節(jié)能效果

3.1 節(jié)電量

在未安裝變頻器之前，風(fēng)機(jī)的電源頻率為50 Hz，最大轉(zhuǎn)速為740 r/min，供風(fēng)量96 m3/s，按照工作低效區(qū)工作效率0.56 計(jì)算，風(fēng)機(jī)每年將消耗3.24×106kWh。而安裝變頻器后，風(fēng)機(jī)在礦井通風(fēng)良好時(shí)的轉(zhuǎn)速為550 r/min，按照效率0.80 計(jì)算，年耗電量為2.25×106kWh，可得出安裝變頻技術(shù)后風(fēng)機(jī)省電效率為25.02%，省電效果較為顯著。

3.2 經(jīng)濟(jì)效益

以電費(fèi)計(jì)算，電費(fèi)為每0.5 元/kWh，按照改造后的年均省電量來(lái)看，每年可節(jié)省電費(fèi)約39 萬(wàn)元，而為風(fēng)機(jī)所安裝的變頻器價(jià)格為50 萬(wàn)元，合計(jì)安裝費(fèi)用共計(jì)105 萬(wàn)元，在第三年時(shí)便可通過(guò)節(jié)省的電費(fèi)收回安裝成本，而變頻器的實(shí)際工作壽命遠(yuǎn)超過(guò)此時(shí)間，因此安裝變頻器是非常劃算的。以其他經(jīng)濟(jì)效益來(lái)看，安裝變頻器后，可以通過(guò)實(shí)時(shí)調(diào)整技術(shù)實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)的功率調(diào)整，避免風(fēng)機(jī)因始終工作在最大功率導(dǎo)致壽命快速降低，預(yù)計(jì)可延長(zhǎng)工作壽命約30%，同時(shí)，風(fēng)機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行使得維修與養(yǎng)護(hù)的成本大幅降低，同時(shí)還降低了因風(fēng)機(jī)宕機(jī)期間對(duì)采礦工作的影響所帶來(lái)的成本，這些成本雖無(wú)法測(cè)算，但也是相當(dāng)可觀的一部分。

4 結(jié)論

通過(guò)實(shí)時(shí)調(diào)整風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)機(jī)工作效率的提升和耗電量的下降，以對(duì)某煤礦礦井的實(shí)驗(yàn)來(lái)看，使用變頻器后可節(jié)省電量25%，而煤礦企業(yè)收回成本的速度也很快，可以認(rèn)為變頻節(jié)能技術(shù)對(duì)于降低主通風(fēng)機(jī)耗電量和為煤礦生產(chǎn)帶來(lái)較為顯著的經(jīng)濟(jì)效益。