变频节能控制技术在煤矿通风中的运用范文

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焦家寨煤矿的通风机每年90%时间处于稳定工作状态，由于其电机功率较大且工作时间较长，使得通风机的耗电量占企业总电量的10%左右，给企业的带来了较大金额的经济支出。因此，有必要开展矿用通风机变频节能控制技术研究。

1矿用通风机结构组成

矿用通风机根据结构类型分为离心式和对旋式轴流通风机，按通风量的大小，可分为主通风机、辅助通风机和局部通风机。本文将以焦家寨煤矿上的旋式轴流式主通风机作为研究对象。旋式轴流式通风机主要包括电动机、叶轮、机壳、整流罩、进出口消声器、集流器、导流片、主轴、轴承等部件。其中，叶轮采用质量轻、高强度耐腐蚀性的优质合金钢，可通过调节叶片角度，实现对风机状况的调节；集流器采用圆锥型结构，可均匀气流通过的通过速度，提高风机的通风效率和降低风机噪声；为提高风机技术水平和企业生产效率，目前煤矿行业中应用较为广泛的是具有反转功能的风机，该风机的反风效率相对较高，可直接用于煤矿作业中，无需修建其他专门的反风道设施。同时，通风机设置了两级电动机，通过第一级电动机将空气压缩后送入到第二级电动机，由第二级电动机推出，提高了通风机的通风效果和通风安全性。

2变频节能技术节能优势

2.1现有通风机节能措施存在问题

目前，矿用通风机的节能措施相对较多，主要包括改变电机转速、改变叶轮角度、改变管网阻力等方法，但均存在一定问题。针对离心式通风机的节能，主要采用调节通风的风门和电机转速来实现对通风量的控制，但增加了通风机的管网阻力，通风效果较差；针对现有轴流风机节能，主要采用通过调节风机叶轮的角度来降低风机的通风阻力，但对电机的磨损较为严重且电机电能消耗较多，易导致电机出现烧坏或短路等安全故障，影响井下作业安全。同时，可设置不同功率电机的方式实现节能，主要是在通风机前期选用功率较小的风机进行工作，后期根据井下的实际通风需求，启动较大功率的风机进行工作，其节能效果较好，但存在监测井下风量的系统复杂、设备采购及维修成本较高等问题。因此，结合现有通风机节能措施，需探索新的节能方法，以实现企业节能的最大利润化。

2.2变频节能控制技术节能优势

变频控制技术是提高煤矿通风机节能效果的重要技术。其主要原理为：变频调速装置安装了变频器调速系统和IGBT串级调速系统，通过改变风机系统中的电压大小和电压频率，实现对电机转速的调节和控制、降低电机能耗的目的，具有系统可靠性和自动化程度高、系统集成度好等优点，是未来发展的主要趋势。通风机在启动过程中，可通过电机变频进行软启动，通过转换开关作用和输出电信号，带动两台电机的同时运转工作，也可实现对单电机正转、反转、电压等控制；通过控制系统中的电位器，实现对风机中风阻、风压、通风量等参数的控制。和传统通风机节能措施相比，变频调速控制技术具有更高的自动和智能化程度，调速精度更高。根据国家标准GB3485-83的规定，大型电机调速装置的功率因数需保持在0.95以上。因此，有必要加大变频调速控制技术在煤矿中的技术应用和市场推广。

3通风机变频节能控制系统方案设计

3.1变频节能控制系统目标设计

结合工程实际，焦家寨煤矿主通风机需具有自动监测风机运行参数、通风机系统故障监测及报警、系统信息查询、操作简单、维修性好、实现对系统平台的自动化控制等要求。因此，确定了变频技能控制系统的设计目标：对通风机系统中的全压、瓦斯浓度、通风量等参数进行实时监测，针对参数超出预警阀值，通过声音、语音、文字等方式进行报警提示；针对系统中出现的故障问题，能实时进行监测、判断并发出指令，实现故障的有效控制；可实现对通风量与电机转速、电压等参数的匹配判断，做出对系统最优的变频节能控制；控制系统中设置上机位监控平台，对电机运行参数、变频装置运行状态进行实时监控和管理。

3.2变频节能控制系统总体方案设计

结合工程实际需求，开展了变频节能控制系统总体方案的设计研究。该方案系主要由PLC控制系统、上机位监控系统、变频驱动系统、信号监测系统、通风机保护系统、通信系统等系统组成。其主要系统功能包括：（1）PLC控制系统是变频节能控制系统的核心部门，采用了美国罗克韦尔Logix176系列的PLC控制，并设计了双CPU对系统进行冗余设计，其主要负责对系统的数据采集、计算和分析，并对转换后的信号进行输出。（2）上机位监控系统采用北京研华的510L控制机，利用最新的Forccontrolsp6.3系统对系统的进行了组态界面设计。为提高井下作业安全，设计了主机监控、备机监测，备机主动向主机转化的双机热备装置。（3）变频驱动系统采用了三菱牌的10KV高压变频器作为变频装置，可实现对系统自动保护，具有控制灵敏、节能效果显著、操作简单等优点。

3.3变频节能控制系统主要硬件设计

变频节能控制系统硬件系统主要包括PLC控制柜、高压馈电柜、变频驱动系统、操作控制台（监控系统）等组成，其主要硬件系统如下。（1）PLC控制柜。PLC控制柜主要包括1769ENBT以太网模块、A3系列机架模块、1769L35型CPU模块、1769RM冗余模块，其中，一台CPU负责所有设备启停及速度给定等控制工作，另一台CPU与主CPU进行通讯，当主CPU出现故障时，辅助CPU可根据检测信号自动切换为主CPU，保证系统的正常运行。（2）高压馈电柜。高压馈电柜主要实现给主通风机中各系统提供工作电源。在控制系统高压部分设计过程中，高压主接线采用单母分段接线，通过不同电压等级的变电器对两回路进行输电，以保证系统供电的可靠性。

4变频节能控制系统节能效果分析

将变频节能控制系统应用到焦家寨煤矿主通风机上，针对通风机电机频率在40Hz和45Hz情况下，对变频节能控制系统进行节能效果分析。在应用变频节能技术后通风机消耗功率计算公式如下：当通风机电机频率在40Hz时，通风机消耗功率：（1）当通风机电机频率在45Hz时，通风机消耗功率：（2）式中：Pe=600kw结合焦家寨煤矿场地的实际情况，每年工作8000h，电费0.45元/度。可算出风机在40Hz和45Hz下运行过程中消耗的电量分别为256万度电和364.5万度电，就一年的用电费用就有115.2万元和164万元。通过变频节能控制技术，将通风机运行频率进行降低，从45Hz降低至40Hz，可为企业节约电费开支约48.8万元，其节能效果明显。变频节能控制技术的应用，可有效改善了井下作业环境、降低企业了生产成本、增加了企业受益，非常有必要在煤矿行业中可进行大力推广。

5结语

针对现有通风机节能措施存在问题，分析了变频节能控制技术的节能优势，以焦家寨煤矿主通风机为研究载体，开展了通风机变频节能控制系统的方案设计和现场应用节能效果分析，研究表明：采用变频节能控制技术，通过降低通风机运行频率，可有效减少煤矿企业关于电费方面的支出金额，对改善井下作业环境、降低企业生产成本、增加企业受益、推动绿色智能化煤矿的建设具有重要意义，加大对变频节能控制技术在煤矿行业中的技术应用和市场推广非常必要。

作者:董国伟 单位:大同煤矿集团轩岗煤电有限责任公司焦家寨煤矿