变频调速技术在对旋式轴流通风机节能中的应用

李逍遥

（华阳集团泊里公司安监通风部，山西 晋中 032700）

1 概 况

主扇风机是煤矿企业为井下送风的主要设备，设备性能的优劣与安全生产和经济效益紧密相关。对旋式轴流通风机具有高效、高压、低噪音、安装简单等优点，在煤矿井下开采中广泛应用。受传统研发局限性和设计、选型等因素影响，泊里煤矿对旋式轴流通风机设备效率不高、能耗较大，存在“大马拉小车”的现象。为解决这一问题，拟该矿对旋式轴流通风机进行变频改造，以降低能耗。

2 对旋式轴流通风机的结构

泊里煤矿对旋式轴流通风机结构如图1 所示。可以看出，对旋式轴流通风机有2 个直径、轮毂比、转速形同，但旋向相反的叶轮，由2 个电机分别进行驱动，可根据需求的风压、风量的不同，进行前置叶轮、后置叶轮同时运转；前置叶轮运转、后置叶轮停止；后置叶轮运转、前置叶轮停止。通常后两种运行方式效率低、噪音大，一般不选用。

图1 矿用对旋式轴流局部通风机结构示意图Fig.1 Structure diagram of mine counter-rotating axial flowlocal fan

传统轴流风机的核心部件是叶轮，近些年对轴流风机的改造基本都在叶轮上，如增加叶轮、改变叶片形状、增设导叶片等，均未能大幅度提高风机效率，其根本原因在于无法降低风流在风机中的流动阻力，而对旋式轴流风机可以解决这一问题。对旋式轴流风机结构中无导叶片，风流运动阻力大幅下降，风机效率提升，而且在相同的通风要求条件下，风机尺寸可以做的更小，同时，双电机驱动可以降低电控系统的单机最大负荷，对电控系统的技术等级要求也随之下降，减少风机供电和电控设备的成本投入。

3 变频调速节能原理

随着电子技术、信息技术、现代控制理论的发展，变频调速系统得到越来越广泛的应用，是节能降耗的重要举措。对泊里煤矿对旋式轴流风机进行变频改造，将电机调速、计算机控制等技术进行有机结合，当工作面用风需求变化时，可以自动调速，将电机转速控制在合理范围内，减少耗电量。变频调速技术具有调速效率高、可调范围广、调节精度高、启动电流小、易于进行闭环控制等特点。变频改造过程中，不需要更换原有电机，既减少的改造费用投入，同时又减少了改造工作量，是一种理想的调速改造技术。

交流异步电机转速公式：

式中：n 为电机转速；s 为转差率；p 为定子磁极对数；f 为电源频率。

p、s 是电机的固有参数，由式（1）可知，n和f 呈正比例关系，电源频率改变，则电机转速随之发生变化。

当工作面用风量减少时，降低电源频率，可以将低耗电量。根据泊里煤矿对旋式轴流风机现场测试，风量和转速均为90%时，实际功率为额定功率的73%；风量和转速均为80%时，实际功率为额定功率的51%；风量和转速均为70%时，实际功率为额定功率的34%；风量和转速均为60%时，实际功率为额定功率的21%。由此可知，电机转速降低，其耗电量明显下降。对旋式轴流通风机节能调节原理，如图2 所示。

图2 对旋式轴流通风机节能调节原理Fig.2 Energy saving regulation principle of counter-rotating axial flowfan

风机处在管道阻力最小工作状态A 点时，对应的流量、压力、转速分别为Q1、p1、n1。该状态下风机功率与Q1×p1的乘积呈正比例关系。当生产所需风量减少，由Q1减小到Q2时，进行风门开度调整，提高管道风阻，降低通风量。此时风机工作状态由A 点转至B 点，对应的流量、压力、转速分别为Q2、p2、n1。此时风量减少（Q2＜Q1），风压有所增加（p2＞p1）。该状态下风机功率与Q2×p2的乘积呈正比例关系。此时风机消耗功率无明显变化，调节风门控制通风量，显然不利于节能。

采用变频器进行电机调速，风机转速由n1降低至n2，管道阻力未发生变化，此时风机工作状态由A 点转至C 点，对应的流量、压力、转速分别为Q2、p3、n2。风量未发生改变（Q2），风压有所下降（p3＜p1）。该状态下风机功率与Q2×p3的乘积呈正比例关系，风机所需功率明显下降。

4 对旋式轴流通风机节能的计算

查阅GB12497-2006《三相异步电动机经济运行》，对电机经济运行管理的规定有如下的计算公式。

调节流量对应电动机输入功率P1V与流量Q 的关系，见式（2）。

式中：P1e为额定流量时电机输入功率，kW；QN为额定流量，m3/s。

节电率为：

泊里煤矿对旋式轴流通风机型号为FBDCZ(A)No18，风量为21.4～67.4 m3/s，配套电机Y315M2-6，功率185 kW×2。

取Q/QN=0.65，由式（3）计算可得：

由式（2）计算可得

采用风门进行风量调节时的消耗功率为126.24 kW，变频器调节风量相对风门调节的节电率为0.6。

年节约用电量（以300 d 工作日计算）=年工作日×小时数×功率×节电率=300×24×126.24×0.6=545 356.8 kW·h；年节约电费（以0.5 元/度计算）=电费单价×电量=0.5×545 356.8=272 678.4 元。

改造设备资金投入。变频调速柜1 台、内置森兰BT40S80kW 变频器1 台、电表、熔断器、指示灯等，合计9.7 万元。投资回报期=改造资金投入/年节约电费=97 000/194 558.76=0.36 a，即4个月。

上述计算可知，泊里煤矿对旋式轴流通风机经变频改造后，每年可节约电费27.27 万元，变频改造投入资金9.7 万元，投资回报周期为4 个月，经济效益可观。

5 实践应用

该通风机变频改造在泊里煤矿实际应用后，消耗功率明显下降，具体数据见表1。

由表1 可知，前置、后置叶轮同时进行变频调速耗电量得到大幅下降。频率为50 Hz 时，功率为181.38 kW，频率为40 Hz 时，功率为95.96 kW，年节约电量615 024 kW·h，节省电费约30.85 万元，与理论计算27.26 万元基本吻合，投资回报期为4 个月。

6 结 语

对旋式轴流通风机变频调速，是通过改变电机频率实现电机转速的改变，从而控制通风机风量输出，变频调速效率高、无转差损耗、调速范围广、精度高，能够实现无极调速，易于进行闭环控制。实践表明，泊里煤矿对旋式轴流通风机经过变频改造后，节电效果显著，能较好的适应生产需求，风机转速下降，风阻降低，减少了设备的磨损，延长了设备使用寿命，减少了设备维护工作量，取得了良好的经济效益。