煤矿主通风机变频节能技术的应用

牛志宝

（同煤集团四老沟矿综合管理区， 山西 大同 037000）

1 案例概述

本次研究以同煤集团四老沟矿作为案例。2009年8月期间，集团为了优化自身资源，设计在下属煤矿开凿中型煤炭生产矿井，矿井结构由主斜井、副斜井以及一个回风立井组成。为了确保煤矿生产的安全性，企业为矿井安装了2台通风机，其在正常运作期间，最大风量达到11 200 m3/min，而该机械设备的额定转速则为580 r/min。两台通风设备中的一台用于日常煤矿生产工作，另一台则作为备用通风设备，避免由于通风设备故障而影响煤矿生产的正常进度。煤炭企业为每台通风机都配备了电压为10 kV的供电设备，并且安装了防爆电机。

2 变频调速节能构想

煤炭生产期间，矿井处于初期开采阶段，井下需要不断通风才能够获取新鲜空气。根据矿井对于风量的需求来看，其所需要的额定风量小于现在通风机所供给的额定风量[1]。因此，技术人员需要改变通风机的扇叶来调整通风角度，并且安排通风障碍来调节井下接受通风的状态，从而达到需求平衡。但尽管技术人员按照传统的调解方式对通风系统做出调整，却没有从根本上转变通风机设备的运作状态，其依然保持超出井下工作需求风量的运作状态，消耗着额外的电能资源。原本矿井处于生产初期，其能够为煤炭企业带来的经济收益就相对较少，而耗费多余的电能则在无形中增加了矿井的开采成本。而在高速运作状态下的通风机设备由于长期连续工作，其对设备的内部机械零件损伤严重。如果在开工之前以直接启动的形式进行运作，不仅需要花费大量的时间，需要的起动电流也相对较大，可能会影响到电动机的绝缘性能，甚至对电动机造成损伤。从目前通风机的运作情况不难看出，该种电动机设备几乎不具备自动化功能，无论是调节空气状态还是调节运行状态都需要人工操作完成，该种情况会加大工人的工作负担，影响煤矿生产效率[2]。

为了改善通风机设备的运行调节方式，需要应用先进的变频调速技术，以自动化技术来代替通风机设备的人工设置，从而降低设备对资源的消耗。

3 变频调速节能技术原理

3.1 基本原理

变频调速节能技术的基本原理其实就是调节通风机设备的转速。而通风机的转速可以用公式：n=来表示。其中公式中的f代表的是通风机的电源频率，而s则代表通风机的转差率，p则代表通风机的电机极对数。以变频调速节能技术来转变通风机设备的转速，也就是说要转变n，需要先转变s、p或者是f。通常最有效的方式就是转变f来实现对整个通风机设备的运行状态调节。

3.2 节能原理

变频调速主要节能原理是根据流体力学的定律公式来完成对机械设备运行频率的调解。该公式表示为

由上式可知，当风机转速由额定转速调节时，其风量Q、风压H以及功率P与转速n之间的关系：风量正比于转速的一次方，风压正比于转速的二次方，轴功率正比于转速的三次方。由此可知，在较小风量需求下，降低风机转速，其功率将按转速的三次方显著下降。因此变频调速技术应用于主通风机具有显著节能效果。

3.3 系统结构

同宝煤矿中的通风机设备所采用的变频调解器内含的控制系统主要为高压变频设备，该设备由三个部分组成，分别为功率单元、移相变压器以及控制器。在该种结构下的变频器调解中，系统对通风机设备进行功率控制，形成完善的变频调速节能系统[3]，如图1所示。

4 变频调速节能技术在煤矿主通风机设备中的应用效果

图1 变频器系统结构

煤矿在对通风机设备提出运行系统改造之前每台通风机设备的额定功率为P0=2×250 kW，而其原本的额定转速为580 r/min。为了符合矿井内部的施工要求，工作人员将设备的叶片角度调整到-9°的位置。两台设备的最大风量都在11 200 m3/min左右。在改造之前，机械设备的工作频率是50 Hz，在额定的功率下运行，将会产生最大的风量。但经过安装变频器设备以后，其频率已经受到控制和调整。当矿井的工作环境处于容易通风的状态下，工作中所需求的风量如果为7 284 m3/min，在保持风门全开的情况下，那么按照比例定律得出，当变频器对通风设备进行调整，变动其实际功率，将其调整为2×P1=2×68.8 kW，那么在设备的转速达到377 m3/min的时候，其就已经能够满足矿井工作的需求。

在上述调节状态下，可以得出，通风设备如果在全年运行的状态下，按照每年365天进行计算，其可以节省用电量为：ΔA=2×（250-68.8）×24×365≈3.17×106kWh。如果每年的电费价格为0.7元/kWh，那么煤炭企业将会在该处煤矿中每年节省222.2万元的电费。可见，将变频调速节能技术引入到煤矿的通风机设备中具有很明显的经济效益。除此之外，在该变频调节器的控制下，通风机设备的运行根据矿井工作环境而发生变化，减少了超负荷现象出现，在设备起动机运行阶段使设备机械性能的消耗相对减少，延长了机械设备的使用寿命，也降低了设备维修的频率。可见，该种变频调速节能技术在煤矿通风设备中的应用符合可持续原则，能够为煤炭企业获取长远经济利益。

5 结论

1）将变频调速节能技术应用到通风系统当中，不仅提升了煤矿企业的经济效益，也提升了对通风系统设备的维护效果。

2）将变频调速节能技术应用到通风系统当中，不再以人工形式直接启动设备，而是以软启动的方式启动设备，避免了过大电流对机械设备所造成的损害，减少了启动的时间，提升工作效率。

3）运用变频调解器，能够计算出通风设备需要运行的功率，以避免消耗过多能源带动轻负荷生产作业。

4）将变频调速节能技术应用到通风系统当中，不仅提升了系统的功率因素，也使通风机系统实现自动化控制。