施工隧道长距离掘进通风机变频调速节能研究

王 伟，罗小佳

(湖南交通职业技术学院，湖南长沙 410004)

隧道长距离巷道掘进中，一般按隧道施工的最大通风阻力和最大风量来配备通风设备的。但随着掘进的延深，送风风筒的长度逐渐增加，风筒的摩擦阻力和漏风量逐渐加大，这样就要求风机所提供的压头和风量随着掘进距离的增加而逐渐增加，因此风机运行工况是动态变化的。在掘进距离较短时，由于风筒的实际长度小于设计时的长度，风筒的摩擦阻力损失和漏风量都小于设计时的值，这就必然导致在掘进过程中掘进面的通风量大于设计通风量，会出现“大马拉小车”的现象，其结果就会造成很大的能源浪费，因为不论通风距离的远近，风机均在额定功率下运行。利用变频器调节电机转速以适应风机的部分负荷是一种最方便和最节能的方法，采用变频器对风机进行变速控制，不仅可以满足掘进工作面的通风量始终为设计值，而且风机的能耗将会显著减少，将产生巨大的节能效益。

1 通风机变频调节原理

风机的变频调速是通过变频器改变电机电源的输入频率，从而改变风机转速的调节方式。根据相似律，改变风机的转速，可改变风机的性能曲线，从而使风机运行工况点移动，风机风压和风量均随之改变。风机变频调速后，在满足相似工况的条件下，风机能耗与其转速的三次方成正比［1］。例如，当风量与转速均下降到80%时，风机所做的有效功率将降低到额定功率的51.2%;当风量与转速均下降到60%时，有效功率将降低到额定功率的21.6%。

变频调速风机系统由变频调速器、交流电动机和风机组成。变频调速器用来改变风机的转速，从而改变风机的性能曲线，降低风机在部分负荷运行状态下运行能耗，变频调速风机功率示意见图1［2］。

图1 变频调速风机系统示意图

在图1中，Nin为总输入功率，Nm为电机输入功率，Ns为风机轴功率、Nt为风机有效输出功率。从能耗来说，这四种功率中，研究总输入功率Nin是最有意义的。但目前对变频调速风机功率的分析主要集中在轴功率Ns或有效功率Nt上，这是不全面的。

图1中 ηVFD、ηm、ηp分别为变频调速器、交流电动机、风机在部分负荷下运行时的效率。一般这些效率都不是定值，它们随风机负荷的变化而变化。Nin与 Q 和 H 之间的关系如公式(1)所示［3，4］。

式中，Nin为总输入功率，kW;H为风机的全压，Pa;Q为风机的风量，m3/s;ηVFD为变频器效率，ηm为电机效率，ηp为风机效率，ηVFD、ηm、ηp均为无量纲数。

2 掘进通风机变频运行实例分析

2.1 工程概况

某隧道掘进工作面，计划开挖总长度为2 400 m，掘进断面积55.6 m2。掘进速度 6 m/d，掘进工作面需风量为588 m3/mim。采用胶皮送风风筒，风筒直径为1.00 m，风筒摩擦阻力系数 α为0.002 25 N·s2/m4，风筒百米漏风率为2%，单位电价0.8元/(kW·h)，电机额定频率时的效率为0.942。

2.2 掘进风机性能参数

根据掘进工作面所需风量和风筒的漏风情况，计算风机出口最大需风量为16.16 m3/s，风筒总的摩擦损失为5 878 Pa，风筒出口动压损失94.5 Pa;集流罩阻力系数取 0.1，则集流罩阻力为 9.5 Pa［5］。因此，风机全压损失为5 980 Pa。

选用一台FBD№8.2/2×75 kW对旋轴流通风机。风机的实际运行工况点为Q=16.06 m3/s，H=5 980 Pa，风机设计运行工况点如图2所示。

3 变频调节节能效益分析

图2 风机的设计运行工况点

为了可以直观的认识到风机变频调速在巷道掘进通风中的节能效率，本文以掘进距离每100 m为一个单位，分析比较了风机采用变频调速和不采用变频调速在整个施工期间内的运行能耗。表1为在整个施工期间内，风机在两种不同运行方式下的能耗比较，以及采用变频调节后的节能效益。

表1 整个施工期间内风机能耗比较

根据表1可得:不采用变频调速控制时整个施工期间的电费为54.3万元，采用变频调速控制时的电费仅为28万元，节省电费26.3万元，节能效率为48.4%。另外，由于表1是按100 m为一掘进段的近似计算。实际上，采用变频调速控制装置后风机的实际能耗可能要高于该计算值，节能效率也会低于该计算值。

4 结论

1)在设计的施工距离内，安装变频器后，通风机的节电率从掘进距离200 m的87.00%，随掘进延伸到2 300 m下降为1.86%;节电率随掘进延伸而逐渐衰减，但总节电率仍达48.40%，可减少电费支出54.3万元，有显著的节能效益。

2)安装变频器后，可以有效降低风机的启动电流，避免了大启动电流对电网的冲击和大启动力矩对电动机的机械冲击，同时可防止风机突然高风压启动而破坏风筒。

［1］周谟仁.流体力学泵与风机［M］.北京:中国建筑工业出版社，1994.

［2］丁云飞，江长平.变频调速水泵的能耗分析［J］.流体机械，2001，29(3):25－26.

［3］Michel A，Bermier，Bernard Bourret.Pumping Energy and Variable Frequency Drives ［J］.ASHRAE Journal，1999(12):37－40.

［4］田效伍.交流调速系统与变频器应用［M］.北京:机械工业出版社，2011.

［5］钱均波.轴流风机集流器阻力损失计算公式及最优结构参数的确定［J］.山东科技大学学报(自然科学版)，1986(3):72－77.