LOGO分时段变频控制井下主风机转速及输出风量

袁梅芳

(湖南有色冶金劳动保护研究院)

经对湖南省18个有色金属、黄金矿山的井下通风系统测定和统计，通风系统能耗占整个矿井能耗的24.4%～40.5%。近几年来部分矿山通风节能效果虽有一定改善，但通过复杂的控制系统，要实现自动控制主风机转速及输出风量，需要增加前期较大的投资和维护成本。因此，研究一种适合于各矿山采掘作业时间安排、并且控制简单、维护量少的控制系统，在不同作业时段调节主风机转速及输出不同风量，既能保证良好的通风效果，又能达到在变频调速的基础上进一步节能的目的，是我国采矿界面临的一个具有现实意义的课题。

1 变频器控制通风系统主风机节能机理

(1)主风机转速与风量的关系。风机属平方转矩负载，转速n的变化，将引起电机转矩T和功率P的变化。由流体力学理论可知，在只改变风机转速的条件下，风机转速与风量一次方成正比［1］:式中，n1为风机的转速，m/s;n2为风机变速后的转速，m/s;Q1为风机的风量，m3/s;Q2为风机变速后的风量，m3/s。

由式(1)可见，使用变频器改变主风机转速，其风量成正比例的变化。

(2)风机转速与风压的关系。风机的转速平方与风压成正比［1］:

式中，Pst1为风机的静压，Pa;Pst2为风机变速后的静压，Pa。

(3)风机转速与功率的关系。风机转速三次方与风机输出功率成正比［1］:

式中，N1为风机的输出功率，kW;N2为风机变速后的输出功率，kW。

从式(3)清楚地看出，采用变频器降低主风机的转速，则风机的输出功率将以三次方量级减少，体现出显著的节能效果［2］。

2 变频器控制主风机与矿井通风网络匹配节能分析

2.1 矿井通风系统主风机选型的依据

目前国内工程技术人员设计矿井通风系统在主风机选型的依据是:

(1)主风机风量的确定是根据矿井开采中期最大年产量和生产特点，按矿井同时作业的各工作点需要的最大风量和需要独立通风硐室(水泵房、炸药房、提升机房等)的风量之总和，同时还要考虑矿井漏风，生产不均衡及风量调节的难易程度等因素，再乘以1.1～1.5的风量备用系数之后所得的风量作为选取主风机型号的依据［3］。

(2)主风机风压的确定原则:在确定风量的基础上，计算矿井通风总阻力时是选择一条摩擦阻力最大的通风线路，同时考虑通风局部阻力、风机装置阻力、风流流到大气的出口动压损失及与风机风向相反的自然风压之总和，作为选取主风机的风压。

(3)一般是按主风机使用10～20 a服务年限选取。一个矿井从最初开始投产到开采至中期最大产量是要经过调试和多年发展过程的，而设计人员选择主风机的服务年为10～20 a。主风机一经投入运行均在工频50 Hz条件运转，在开采初期产量小、风量过剩，如果不对主风机进行变频器控制，则主风机在10～20 a的时间内，其转速、风量、风压、功率均不变，势必造成很大的能源浪费。

2.2 改变主风机频率与不同生产时期通风网络匹配

使用变频器调整主风机的电机转速，则风机的风量、风压、输出功率均发生相应的变化。在矿井生产系统建成的初期，通风网络简单需风量少:当矿井开采到中期产量大、通风网络也较复杂、需风量也增大;当矿井进入深部开采时，通风网络的阻力大需风量更大，所以对主风机进行变频调速，使主风机与3个不同开采时期的通风网络实现真正的匹配，既能满足各开采时期的风量、风压要求，又能在10～20 a内节约大量的能源消耗。

3 LOGO分时段控制主风机转速节能效果

3.1 矿山井下采掘作业的时间安排

大多数矿山井下工作的实际情况是白班多，晚班少。这一方面是随着物质和文化生活水平的提高，井下工人更加注重身体健康，都不愿意上晚班，另一方面是经统计，晚上从事采、掘、爆破等主要作业发生事故的概率特别高，所以现在大部分矿山井下主要采、掘、爆破等作业都是安排在白天上班，而且作业人员多需风量大，晚上只是安排少部分放矿、设备维修等辅助作业，并且晚上井下作业人员少需风量也小。

3.2 根据不同的作业时段自动控制主风机转速

LOGO是一种微型可编程序控制模块，其特点是:体积小，性能价格比高、编程方便简单(适用于控制不是很复杂的场合)。将LOGO与变频器组合形成对主风机进一步调速节能的控制系统，由LOGO来实现对主风机分昼夜时段不同转速控制比较简单，如选用一个8入4出230PC本机模块直接输出，对时间进行编程控制变频器的两档输出速度，根据各矿山采掘爆破作业具体时段设置，实现白天、晚上自动调整主风机的转速，使主风机昼夜以不同的转速运行，从而达到比单一的变频器调速更加节能的目的。

3.3 LOGO分时段控制变频主风机转速节能应用

水口山有色金属有限责任公司康家湾矿采用斜坡道开采，采矿量45万t/a，井下通风系统是中央进风两翼对角轴出式通风，即新鲜空气从斜坡道和竖井进入井下，污风从1#、2#回风井排到地表。

井下工人白天是两班6 h工作制，即从8:00～20:00之间是采矿、掘进、爆破、汽车运矿、并且井下工作人员多需风量大，晚上20:00至次日早晨8:00之间井下只有少量设备检修和排水人员作业需风量小。根据井下的作业工种和人员多少的实际情况，为了节约能源，对1#回风井DK40－6－No21－2×220 kW主风机采用LOGO分时段调速，即8:00～20:00时段，2×220 kW主风机电机转速由980 r/min(额定转速)调到850 r/min时运行功率为288.5 kW(能满足生产需要)，晚上20:00至次日早晨8:00主风机的转速由850 r/min降到500 r/min，运行功率65.8 kW，采用LOGO分时段调整的节能效果见表1。

4 结语

(1)将DK40－6－No21－2×220 kW主风机变频后，每年节电950 460 kWh，节约电费80.79万元。既取得了第一步节能效果，又能使主风机与通风网络达到良好的匹配。

表1 主风机变频及LOGO分时段调速前后年耗能比较

(2)在对主风机变频的基础上，使用LOGO在20:00至次日早晨8:00时段再将主风机转速调到500 r/min，每年节电975 426 kWh，节约电费82.91万元。解决了非主要作业时段主风机“大马拉小车”的能源浪费问题，达到了第二步良好的节能效果。

(3)使用LOGO在8:00～20:00时间段又可以使主风机转速由500 r/min自动升到850 r/min运转，继续满足井下主要采掘爆破作业的通风要求。

(4)将LOGO与变频器组合实现对主风机分时段节能控制，节能效果显著，控制系统简单，投资少，是目前矿山主风机节能的有效途径，具有广泛的推广前景和实用价值。

［1］ 商景泰.通风机手册［M］.北京:机械工业出版社，1996.

［2］ 潘永沛，赫崇俊.用变频装置控制拖动电机转速调节风机风量［J］.本钢技术，1996(5):52-55.

［3］ 卢义玉，等.矿井通风与安全［M］.重庆:重庆大学出版社，2006.