牛志寶

（同煤集團(tuán)四老溝礦綜合管理區(qū)， 山西 大同 037000）

1 案例概述

本次研究以同煤集團(tuán)四老溝礦作為案例。2009年8月期間，集團(tuán)為了優(yōu)化自身資源，設(shè)計(jì)在下屬煤礦開鑿中型煤炭生產(chǎn)礦井，礦井結(jié)構(gòu)由主斜井、副斜井以及一個(gè)回風(fēng)立井組成。為了確保煤礦生產(chǎn)的安全性，企業(yè)為礦井安裝了2臺(tái)通風(fēng)機(jī)，其在正常運(yùn)作期間，最大風(fēng)量達(dá)到11 200 m3/min，而該機(jī)械設(shè)備的額定轉(zhuǎn)速則為580 r/min。兩臺(tái)通風(fēng)設(shè)備中的一臺(tái)用于日常煤礦生產(chǎn)工作，另一臺(tái)則作為備用通風(fēng)設(shè)備，避免由于通風(fēng)設(shè)備故障而影響煤礦生產(chǎn)的正常進(jìn)度。煤炭企業(yè)為每臺(tái)通風(fēng)機(jī)都配備了電壓為10 kV的供電設(shè)備，并且安裝了防爆電機(jī)。

2 變頻調(diào)速節(jié)能構(gòu)想

煤炭生產(chǎn)期間，礦井處于初期開采階段，井下需要不斷通風(fēng)才能夠獲取新鮮空氣。根據(jù)礦井對(duì)于風(fēng)量的需求來看，其所需要的額定風(fēng)量小于現(xiàn)在通風(fēng)機(jī)所供給的額定風(fēng)量[1]。因此，技術(shù)人員需要改變通風(fēng)機(jī)的扇葉來調(diào)整通風(fēng)角度，并且安排通風(fēng)障礙來調(diào)節(jié)井下接受通風(fēng)的狀態(tài)，從而達(dá)到需求平衡。但盡管技術(shù)人員按照傳統(tǒng)的調(diào)解方式對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)做出調(diào)整，卻沒有從根本上轉(zhuǎn)變通風(fēng)機(jī)設(shè)備的運(yùn)作狀態(tài)，其依然保持超出井下工作需求風(fēng)量的運(yùn)作狀態(tài)，消耗著額外的電能資源。原本礦井處于生產(chǎn)初期，其能夠?yàn)槊禾科髽I(yè)帶來的經(jīng)濟(jì)收益就相對(duì)較少，而耗費(fèi)多余的電能則在無形中增加了礦井的開采成本。而在高速運(yùn)作狀態(tài)下的通風(fēng)機(jī)設(shè)備由于長(zhǎng)期連續(xù)工作，其對(duì)設(shè)備的內(nèi)部機(jī)械零件損傷嚴(yán)重。如果在開工之前以直接啟動(dòng)的形式進(jìn)行運(yùn)作，不僅需要花費(fèi)大量的時(shí)間，需要的起動(dòng)電流也相對(duì)較大，可能會(huì)影響到電動(dòng)機(jī)的絕緣性能，甚至對(duì)電動(dòng)機(jī)造成損傷。從目前通風(fēng)機(jī)的運(yùn)作情況不難看出，該種電動(dòng)機(jī)設(shè)備幾乎不具備自動(dòng)化功能，無論是調(diào)節(jié)空氣狀態(tài)還是調(diào)節(jié)運(yùn)行狀態(tài)都需要人工操作完成，該種情況會(huì)加大工人的工作負(fù)擔(dān)，影響煤礦生產(chǎn)效率[2]。

為了改善通風(fēng)機(jī)設(shè)備的運(yùn)行調(diào)節(jié)方式，需要應(yīng)用先進(jìn)的變頻調(diào)速技術(shù)，以自動(dòng)化技術(shù)來代替通風(fēng)機(jī)設(shè)備的人工設(shè)置，從而降低設(shè)備對(duì)資源的消耗。

3 變頻調(diào)速節(jié)能技術(shù)原理

3.1 基本原理

變頻調(diào)速節(jié)能技術(shù)的基本原理其實(shí)就是調(diào)節(jié)通風(fēng)機(jī)設(shè)備的轉(zhuǎn)速。而通風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速可以用公式：n=來表示。其中公式中的f代表的是通風(fēng)機(jī)的電源頻率，而s則代表通風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率，p則代表通風(fēng)機(jī)的電機(jī)極對(duì)數(shù)。以變頻調(diào)速節(jié)能技術(shù)來轉(zhuǎn)變通風(fēng)機(jī)設(shè)備的轉(zhuǎn)速，也就是說要轉(zhuǎn)變n，需要先轉(zhuǎn)變s、p或者是f。通常最有效的方式就是轉(zhuǎn)變f來實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)通風(fēng)機(jī)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)調(diào)節(jié)。

3.2 節(jié)能原理

變頻調(diào)速主要節(jié)能原理是根據(jù)流體力學(xué)的定律公式來完成對(duì)機(jī)械設(shè)備運(yùn)行頻率的調(diào)解。該公式表示為

由上式可知，當(dāng)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速由額定轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)時(shí)，其風(fēng)量Q、風(fēng)壓H以及功率P與轉(zhuǎn)速n之間的關(guān)系：風(fēng)量正比于轉(zhuǎn)速的一次方，風(fēng)壓正比于轉(zhuǎn)速的二次方，軸功率正比于轉(zhuǎn)速的三次方。由此可知，在較小風(fēng)量需求下，降低風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，其功率將按轉(zhuǎn)速的三次方顯著下降。因此變頻調(diào)速技術(shù)應(yīng)用于主通風(fēng)機(jī)具有顯著節(jié)能效果。

3.3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

同寶煤礦中的通風(fēng)機(jī)設(shè)備所采用的變頻調(diào)解器內(nèi)含的控制系統(tǒng)主要為高壓變頻設(shè)備，該設(shè)備由三個(gè)部分組成，分別為功率單元、移相變壓器以及控制器。在該種結(jié)構(gòu)下的變頻器調(diào)解中，系統(tǒng)對(duì)通風(fēng)機(jī)設(shè)備進(jìn)行功率控制，形成完善的變頻調(diào)速節(jié)能系統(tǒng)[3]，如圖1所示。

4 變頻調(diào)速節(jié)能技術(shù)在煤礦主通風(fēng)機(jī)設(shè)備中的應(yīng)用效果

圖1 變頻器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

煤礦在對(duì)通風(fēng)機(jī)設(shè)備提出運(yùn)行系統(tǒng)改造之前每臺(tái)通風(fēng)機(jī)設(shè)備的額定功率為P0=2×250 kW，而其原本的額定轉(zhuǎn)速為580 r/min。為了符合礦井內(nèi)部的施工要求，工作人員將設(shè)備的葉片角度調(diào)整到-9°的位置。兩臺(tái)設(shè)備的最大風(fēng)量都在11 200 m3/min左右。在改造之前，機(jī)械設(shè)備的工作頻率是50 Hz，在額定的功率下運(yùn)行，將會(huì)產(chǎn)生最大的風(fēng)量。但經(jīng)過安裝變頻器設(shè)備以后，其頻率已經(jīng)受到控制和調(diào)整。當(dāng)?shù)V井的工作環(huán)境處于容易通風(fēng)的狀態(tài)下，工作中所需求的風(fēng)量如果為7 284 m3/min，在保持風(fēng)門全開的情況下，那么按照比例定律得出，當(dāng)變頻器對(duì)通風(fēng)設(shè)備進(jìn)行調(diào)整，變動(dòng)其實(shí)際功率，將其調(diào)整為2×P1=2×68.8 kW，那么在設(shè)備的轉(zhuǎn)速達(dá)到377 m3/min的時(shí)候，其就已經(jīng)能夠滿足礦井工作的需求。

在上述調(diào)節(jié)狀態(tài)下，可以得出，通風(fēng)設(shè)備如果在全年運(yùn)行的狀態(tài)下，按照每年365天進(jìn)行計(jì)算，其可以節(jié)省用電量為：ΔA=2×（250-68.8）×24×365≈3.17×106kWh。如果每年的電費(fèi)價(jià)格為0.7元/kWh，那么煤炭企業(yè)將會(huì)在該處煤礦中每年節(jié)省222.2萬元的電費(fèi)?？梢姡瑢⒆冾l調(diào)速節(jié)能技術(shù)引入到煤礦的通風(fēng)機(jī)設(shè)備中具有很明顯的經(jīng)濟(jì)效益。除此之外，在該變頻調(diào)節(jié)器的控制下，通風(fēng)機(jī)設(shè)備的運(yùn)行根據(jù)礦井工作環(huán)境而發(fā)生變化，減少了超負(fù)荷現(xiàn)象出現(xiàn)，在設(shè)備起動(dòng)機(jī)運(yùn)行階段使設(shè)備機(jī)械性能的消耗相對(duì)減少，延長(zhǎng)了機(jī)械設(shè)備的使用壽命，也降低了設(shè)備維修的頻率?？梢?，該種變頻調(diào)速節(jié)能技術(shù)在煤礦通風(fēng)設(shè)備中的應(yīng)用符合可持續(xù)原則，能夠?yàn)槊禾科髽I(yè)獲取長(zhǎng)遠(yuǎn)經(jīng)濟(jì)利益。

5 結(jié)論

1）將變頻調(diào)速節(jié)能技術(shù)應(yīng)用到通風(fēng)系統(tǒng)當(dāng)中，不僅提升了煤礦企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，也提升了對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)備的維護(hù)效果。

2）將變頻調(diào)速節(jié)能技術(shù)應(yīng)用到通風(fēng)系統(tǒng)當(dāng)中，不再以人工形式直接啟動(dòng)設(shè)備，而是以軟啟動(dòng)的方式啟動(dòng)設(shè)備，避免了過大電流對(duì)機(jī)械設(shè)備所造成的損害，減少了啟動(dòng)的時(shí)間，提升工作效率。

3）運(yùn)用變頻調(diào)解器，能夠計(jì)算出通風(fēng)設(shè)備需要運(yùn)行的功率，以避免消耗過多能源帶動(dòng)輕負(fù)荷生產(chǎn)作業(yè)。

4）將變頻調(diào)速節(jié)能技術(shù)應(yīng)用到通風(fēng)系統(tǒng)當(dāng)中，不僅提升了系統(tǒng)的功率因素，也使通風(fēng)機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制。