產品與解決方案/PRODUCT AND SOLUTIONS
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解決方案
煤礦通風機的變頻節(jié)能改造
1 引言
變頻調速在風機和泵類負載上的應用具有顯著的節(jié)能效果，并且具有軟啟動和軟停機的優(yōu)良控制特性，因此變頻器首先在冶金、電力、石化、供熱和民用風機水泵的控制領域得到廣泛的應用。由于煤礦生產的特殊環(huán)境和安全上的特殊要求，變頻器在煤礦的應用起步比較晚。隨著我國市場經濟的深入發(fā)展，煤礦的增產、降耗、提效被提到了重要地位，設備節(jié)能改造勢在必行。
煤礦通風機按結構分為軸流式和離心式；通風機是保障煤礦安全的主要通風機械，365天晝夜運轉。礦井通風機一般配備兩套，一臺工作一臺備用。礦井通風機的額定通風能力（風量、風壓）是根據(jù)設計計算的礦井末期的通風阻力和達產時的風量確定。在礦井投產初期，風機的富裕能力是比較大的。
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(jié)：
（1） 閘門調節(jié)；
（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(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。
其中以閘門調節(jié)效率最差，它是人為地改變阻力曲線，增加風阻，越調節(jié)性能就越惡化；前導器調節(jié)和尾翼擺角調節(jié)效率比閘門要高；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以較高的效率運行，以達到節(jié)能降耗的目的。改變通風機速度，使其在較佳工況點運行，使風機在較大的范圍內以較高的效率運行，節(jié)能效果好。
2 礦用通風機采用變頻調速改造的優(yōu)點
隨著電力電子技術、微電子技術、信息技術和現(xiàn)代控制理論在調速系統(tǒng)中的應用，并且由于近年電力緊張，變頻調速技術已經成為現(xiàn)代電力傳動的一個發(fā)展方向，卓越的調速性能，使得變頻器在煤礦生產中的節(jié)能效果越發(fā)顯著。因此，將礦用通風機改為變頻器控制，將傳統(tǒng)的電機調速技術、現(xiàn)代電力電子技術以及計算機控制技術結合在一起，當煤礦通風量發(fā)生變化時，自動調速，使通風機在經濟的轉速下有效運行，從而達到節(jié)電的效果。變頻調速節(jié)能控制裝置的特點：（1）調速效率高；（2）調速范圍大；（3）調速精度高；（4）啟動電流小，而且容易實現(xiàn)閉環(huán)控制。由于可以利用原普通交流異步電動機，所以特別適合對原有舊設備的技術改造，它既保持了原風機、電動機不用更換的優(yōu)點，又能達到節(jié)電的顯著效果，是礦用通風機調速節(jié)能的理想方法。
3 用戶現(xiàn)場設備介紹
肥城礦業(yè)集團公司陶陽煤礦中三井2003年前使用的通風設備，為渦輪式通風機（70B2）。此類設備效率低（最高只能達到60％）、能耗大。效率低的主要原因是無法進行調速運行，只能通過調整葉片角度來控制風量和風壓，而礦井最初通風設備選型時，留有較大余量，長時間內達不到滿負荷運轉。
2K56系列風機是沈陽鼓風機（集團）有限公司與東北大學合作，共同開發(fā)的新型礦井節(jié)能風機。該機為雙級葉輪軸流通風機，葉片采用鑄造鋁合金，型線為機翼型扭曲式，安裝角度可在20°～50°之間調整。當需要返風時，可使通風機直接反轉，不需要調整風機的任何裝置。裝置最高靜壓效率達85.3%。產品有效區(qū)域寬廣，該系列風機的裝置靜壓效率比老式風機70B2提高近14%。
為改變原通風機落后運行方式，陶陽煤礦中三井領導決定把兩臺老式渦輪通風機70B2—21NO-24型風機（500 kW／6kV）更換為軸流式節(jié)能風機2K56-2N0-24，采用變頻調速的方法來控制風量的大小。
陶陽煤礦中三井領導經過慎重考察，認真比較，選用山東新風光電子科技發(fā)展有限公司生產的風光牌JD-BP37-500F型（500kW/6kV、2套）高壓變頻系統(tǒng)，對中三井1#、2#通風機進行變頻改造。高壓變頻器于2008年4月投運，設備至今運行良好。經過肥礦集團檢測中心的檢測，各項性能指標達到設計要求，通風機實現(xiàn)了有效運行，改造達到了預期目的。
陶陽煤礦中三井通風機為兩臺，一用一備，現(xiàn)場1#、2#通風機設備參數(shù)相同，下面表1給出1#通風機基本參數(shù)。
表1為現(xiàn)場電機參數(shù)，表2為風機參數(shù)。
4 山東新風光電子JD-BP37-500F高壓變頻器
4.1JD-BP37-500F高壓變頻器的主要性能指標
變頻器功率： 500kW
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
額定電流： 61A
輸出頻率： 0-120Hz
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
網側功率因數(shù)：0.95（高速時）
過載保護： 150%1分鐘
防護等級： IP20
環(huán)境濕度： 90%,無凝結
4.2性能特點
（1） 全中文WINDOWS操作界面，彩色液晶觸摸屏；
（2）輸入功率因數(shù)高，電流諧波少，無須功率因數(shù)補償/諧波抑制裝置；
（3）輸出階梯正弦PWM波形，無須輸出濾波裝置，對電纜、電機絕緣無損害，電機諧波少，減少軸承、葉片的機械振動，輸出線可以長達1000米；
（4）功率電路模塊化設計，維護簡單；
（5）高壓主回路與控制器之間為光纖連接，安全可靠；
（6）完整的故障監(jiān)測電路、精確的故障報警保護；
（7）內置PLC，易于改變控制邏輯關系，適應多變的現(xiàn)場需要；
（8）可靈活選擇現(xiàn)場控制/遠程控制；
（9）可接受和輸出0～5V/4～20mA工業(yè)標準信號；
（10）可根據(jù)用戶需要內置PID調節(jié)器；
（11）完整的通用變頻器參數(shù)設定功能。
5 改造主回路控制方案
風光高壓變頻調速系統(tǒng)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(xiàn)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1所示。
DL：用戶高壓真空斷路器
K1、K2、K3：高壓變頻器內置高壓隔離開關
BPQ：JD-BP37-500F高壓變頻器
D：500kW/6kV異步電動機
圖1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(xiàn)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(xiàn)拉弧現(xiàn)象，確保操作人員和設備的安全。
6節(jié)能計算
6.1風機節(jié)能計算公式
風機流量變化量，如前所述，采用變頻調速是有效的節(jié)電措施。根據(jù)GB12497-1995《三相異步電動機經濟運行》對電機經濟運行管理的規(guī)定有如下的計算公式。
6.2節(jié)能計算
采取風門調節(jié)風量時風機所需的軸功率為401kW，變頻器調風量時相對調節(jié)風門調風量的節(jié)電率為0.364。
（1）每年節(jié)電量計算（每年按工作300天計算）
每年工作天數(shù)小時數(shù)功率節(jié)電率=300X24x401x0.364=1050940.8kW·h
（2）每年節(jié)電費計算（電價按0.5元/計算）
電費單價x用電量=0.5x1050940.8=525470.4元
6.3實際節(jié)能情況
風機采用變頻器改造投入運行后，電流從55A下降到26A左右，運行頻率35Hz，輸入電流26A，輸入電壓6.3kV，輸出電流49A，輸出電壓4kV，風機電機功率從411.52kW下降到260.68kW，一年節(jié)電量(411.52-260.68)X300X24=1086048kW·h，實際年節(jié)電費用543024元，與理論計算值基本吻合。
7變頻改造的其他優(yōu)點
（1）采用變頻器后啟動風機時可以實現(xiàn)變頻軟啟動，避免了啟動電流對電網及控制設備的沖擊，可以有效地延長電氣設備的使用周期。
（2）按需調節(jié)風量，調速范圍寬且調速精度高，避免浪費。進行變頻改造后，風機的風量不再需要通過改變葉片角度來調節(jié)，而是由變頻器通過調節(jié)電機的轉速來實現(xiàn)，調節(jié)線性度好，因而可以根據(jù)井下生產需要隨時調節(jié)風量，避免了浪費。
（3）降低了風機的工作強度，延長了使用壽命。進行變頻改造后，風機的大部分時間工作在低速狀態(tài)下，因而大大降低了風機的機械強度和電氣沖擊，大大延長了風機壽命，提高了風機的安全運行系數(shù)和運行周期。
（4）變頻器具有短路、過載、過壓、欠壓、缺相等各種保護，有效地保護了電機。
（5）改善了現(xiàn)場工作環(huán)境，由于降低了風機的轉速，風機噪聲大大降低，深受現(xiàn)場工作人員的歡迎。
（6）減少了反風中的操作環(huán)節(jié)，以前反風需要操作系統(tǒng)的立式風門、水平風門以及反風風門，工序繁多而且經常出現(xiàn)倒錯風門的事故。現(xiàn)在使用軸流式風機和變頻器控制后，反風時極其簡單，只要在人機界面上將運行頻率調整為負的頻率，電機就會先減速至零點然后再反轉到所調頻率，這期間不用再調整整個風門系統(tǒng)，減少了工作量，降低了操作過程中的故障率。
8結束語
肥城礦業(yè)集團公司陶陽煤礦中三井通風機經過變頻改造之后，不僅達到了良好的節(jié)能效果，并且使整套通風系統(tǒng)的穩(wěn)定性提高了一個大臺階。我國是世界上的產煤大國，也是噸煤電耗比較高的國家。如果煤礦需要調速的設備，多數(shù)能使用變頻調速裝置改造，節(jié)約的能源將是非常可觀的。
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