马道头矿轴流式主通风机变频拖动方案分析及应用

王亮

1 前言

主通风机在矿井通风系统中的作用至关重要，同时也制约着煤矿的生产安全。首先，主通风机能够保障矿井内输入足够量的新鲜空气，以此满足井下工作人员的安全生产需求；其次，主通风机能够将开采过程中产生的有毒、有害气体进行稀释，达到安全生产的浓度标准，进而将其排出矿井；再者，矿井通风系统的非正常运行很可能诱发重大安全事故。因此，矿井通风机的正常运行至关重要[1-3]。

在煤矿的安全生产过程中，主通风机需要昼夜运行，再加之矿山机械设备的功率相对来说也比较大，因此它所消耗的电能在整个矿山的电能消耗中占据相当大的比重。节能减排是当代经济发展的主流趋势，所以对通风机进行变频调速控制，提高风机工作效率，降低整个矿山的生产成本是所有煤矿企业的发展趋势[4,5]。

2 通风机变频拖动技术

根据同煤马道头矿井的开拓形式，确定通风系统为中央并列式，通风方式为抽出式，副井作为进风口，主井作为回风口。通过对该矿矿井的所需风量以及负压情况的进行计算，再结合技术方案的经济对比，最终决定该矿井的通风设备选用轴流式通风机，该类型通风机能较好的适应高负压，同时运行效率也比较高，型号选定为GAF20-10.6-1（GZ），数量为两台，一台用于工作，另一台留作备用，每台风机配一台Y400-6型电动机，其功率为250 kW，电压为10 kV。

2.1 电源供电系统

主通风机属于一级负荷，主通风机房由双回电源供电，双回10 kV电源电缆引自地面35/10 kV变电所10 kV不同母线段，一回运行，一回带电备用。当其中一个回路电源发生故障，不能继续供电时，另一电源能够担负起全部的负荷。配电室内设KYGC-Z型高压开关柜，以10 kV向两台主通风机及两台变频器供电。

2.2 反风措施

通风设备为轴流通风机，风机反风时将动叶调到反风位置就可实现反风，能在10 min内改变巷道中风流的方向，当风流方向改变后，反风量不小于正常风量的40%。

2.3 变频拖动方案

机械调节和电气调节是调节主通风机的两种方式，而以节能、安全可靠、适应力强等优点著称的变频调速则是电气调节的主要形式，并逐步发展为主通风机的重要调节方式。每台GAF20-10.6-1（GZ）轴流式主通风机配置有一台电动机，故在进行变频调速时，探究的拖动方案主要三种。

3 变频拖动方案对比

方案一设计主要是利用一台变频装置拖动一台电动机，形成一套完整的通风机变频拖动系统（如图1所示）。两台通风机形成两套系统，一套用于工作，一套留作备用。主通风机房内的两回10 kV电源电缆引自不同的母线段，房内主接线采用单母线分段的形式，并设置有联络、隔离柜。每段母线设置一台高压出线柜（内含有断路器QF1、QF2），为每套主通风机的电机变频设备（VFD1、VFD2）提供电源。图中M1、M2分别为两台主通风机的电动机。

图1 方案一设计图

方案二设计主要是利用一台带工频旁路的变频装置拖动一台电动机，形成一套完整的通风机变频拖动系统（如图2所示）。两台通风机形成两套系统，一套用于工作，一套留作备用。以工作的一回路通风系统为例，工频旁路柜内含有隔离开关QS11、QS12、QS13，以此来实现变频状态和工频状态的切换；闭合开关 QF1、QS11、QS12、QS14，启动变频器运行电动机M1；当变频器发生故障时，闭合开关QF1、QS13、QS14，启动工频来运行电动机M1，这样主通风机得以连续性工作。主通风机的反风可以利用正反转切换开关QS14来调节电动机的反转，另外，在变频运行状态下，还可利用变频装置来实现反风。备用回路同样以此来实现变频状态和工频状态的切换。

方案三设计主要是利用一台带工频旁路的变频装置同时拖动两台电动机，形成两套拖动系统（如图3所示）。一套用于工作，一套留作备用。其中QF1、QF2为每套主通风机电动机上所设置的工频出线柜，QS12和QS13、QS22和QS23是双刀双掷隔离开关，自然机械互锁；QS11和QS21、QS12和QS22不能同时闭合，实现电气互锁；闭合QF1、QS11、QS12，则可通过变频器VFD运行电动机M1，此时QS13、QS21、QS22呈现断开状态，避免反送电和拖动两台电动机；当变频器VFD在工作过程中出现故障时，闭合QF2、QS23即可通过工频直接运行电动机M2，实现变频和工频的相互切换。同理，闭合QF2、QS21、QS22，即可通过变频器VFD启动电动机M2，当变频器VFD出现故障时，闭合QF1和QS13，通过工频启动电动机M1，保障主通风机能够正常工作。

图2 方案二设计图

图3 方案三设计图

以上所述的三种变频拖动方案中，主通风机的变频拖动系统都是一套用于工作，一套用于备用，符合电控系统的备用要求。但在实际生产过程中，如果工作变频器出现故障无法正常运行时，启用备用变频器，这只是理想状态，由于变频器本身的质量问题，也存在两台变频器同时出现问题的状态，所以这种情况下就有必要增加一个工频旁路，在变频器出现问题的情况下切换至工频状态运行。在早期投资经费充足下，可考虑带旁路的变频拖动方案。

根据马道头矿井风量与风压的变化情况，加之早期的投资预算概况，及以长期低耗节能为出发点，最终选用方案三，用一台带工频旁路的高压变频器，拖动两台功率为250 kW的Y400-6型电动机，利用高压变频调速技术，风机的工作效率可提高12%，节能功率可达39.7 kW，按电费0.56元/（kW⋅h）计算，每年可节省电费约19.4万元。

4 结语

主通风机通过变频器进行调速之后，实现了风机的软启动，延长了设备的使用寿命，同时风机的工作效率也得到提高，电能损耗得到降低。同煤马道头矿井在采用方案三设计的的变频拖动方案之后，通风机工作状态下最高效率能达到84.5%，风机效率得到极大的提高，也为企业带来巨大的经济效益。

[1]郝文科.变频调速技术在煤矿通风机节能的应用研究[J].煤炭与化工,2017,40(9):141-142+145.

[2]杨志林.高压变频技术在煤矿主通风机上的应用[J].机械工程与自动化,2017,(3):183-185.

[3]陈一兵.煤矿对旋轴流式主通风机高压变频拖动方案的设计及应用[J].煤矿机电,2013,(6):24-27+31.

[4]李永刚.基于PLC控制的变频调速通风机系统[D].太原理工大学,2012.

[5]索永峰,李爱国.高压变频在峰峰集团九龙矿主要通风机中的应用[J].煤炭科学技术,2012,40(S1):87-88+90.