變頻節(jié)能技術(shù)在煤礦機(jī)電設(shè)備中的應(yīng)用分析

樊曉波

（同煤集團(tuán)忻州窯礦，山西大同 037021）

0 前言

現(xiàn)階段，隨著社會(huì)與經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，資源消耗數(shù)量不斷增加，同時(shí)環(huán)境污染問(wèn)題日益嚴(yán)重，人們?cè)絹?lái)越重視節(jié)能減排工作，我國(guó)政府更是出臺(tái)了多項(xiàng)宏觀調(diào)控措施，力求達(dá)到節(jié)能減排的目標(biāo)。我國(guó)節(jié)能減排工作之中，煤礦企業(yè)是非常重點(diǎn)的節(jié)能減排對(duì)象。對(duì)于煤礦企業(yè)來(lái)說(shuō)，礦井開(kāi)采過(guò)程中消耗的能源是最大的，而其中通風(fēng)機(jī)電設(shè)備的耗能又非常多?，F(xiàn)階段，通過(guò)何種方法能夠有效的降低煤礦通風(fēng)機(jī)電設(shè)備能源消耗數(shù)量是煤礦行業(yè)亟待解決的問(wèn)題。本文作者以煤礦主通風(fēng)設(shè)備為例，通過(guò)應(yīng)用變頻節(jié)能技術(shù)，改善主通風(fēng)機(jī)電設(shè)備的能源消耗情況，以達(dá)到有效的節(jié)能效果。

表1 煤礦主通風(fēng)機(jī)技術(shù)參數(shù)與環(huán)境工況

1 煤礦概況

某礦井水文地質(zhì)類型中等，井田內(nèi)煤層底板均高于奧灰水位，不存在帶壓開(kāi)采，屬低瓦斯礦井。礦井的通風(fēng)方法屬于機(jī)械抽出式通風(fēng)方法，煤礦開(kāi)采工藝采用的是長(zhǎng)壁式機(jī)械化采煤工藝。礦井有完整獨(dú)立的通風(fēng)系統(tǒng)，主斜井、副斜井為進(jìn)風(fēng)井，回風(fēng)立井為回風(fēng)井，回風(fēng)井安裝對(duì)旋式通風(fēng)設(shè)備[1]。煤礦主通風(fēng)機(jī)技術(shù)參數(shù)與環(huán)境工況如表1所示。

2 通風(fēng)設(shè)備變頻節(jié)能設(shè)計(jì)目標(biāo)與整體設(shè)計(jì)

2.1 通風(fēng)設(shè)備變頻節(jié)能設(shè)計(jì)目標(biāo)

該煤礦通風(fēng)設(shè)備變頻節(jié)能設(shè)計(jì)要求應(yīng)當(dāng)能夠達(dá)到通風(fēng)設(shè)備軟啟動(dòng)以及自動(dòng)保護(hù)的要求，同時(shí)還能夠確保通風(fēng)設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中也可以實(shí)現(xiàn)變頻節(jié)能控制的目標(biāo)。通風(fēng)系統(tǒng)能夠依照實(shí)際的生產(chǎn)條件，利用PLC裝置完成變頻信號(hào)的輸出，以實(shí)現(xiàn)對(duì)通風(fēng)設(shè)備的變頻控制，確保通風(fēng)設(shè)備的實(shí)時(shí)風(fēng)量能夠達(dá)到實(shí)際生產(chǎn)需求[2-3]。變頻節(jié)能技術(shù)應(yīng)用于煤礦通風(fēng)機(jī)電設(shè)備控制系統(tǒng)之中，要求應(yīng)當(dāng)能夠達(dá)到信息共享的目標(biāo)，并且所構(gòu)建的變頻節(jié)能系統(tǒng)還應(yīng)當(dāng)能夠?qū)νL(fēng)機(jī)設(shè)備實(shí)時(shí)參數(shù)進(jìn)行控制，可以完成信息查詢。變頻節(jié)能設(shè)計(jì)還應(yīng)當(dāng)盡可能做到操作便捷，擁有優(yōu)良的可維護(hù)性，與操作人員的操作習(xí)慣相符合。

2.2 通風(fēng)設(shè)備變頻節(jié)能系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

通風(fēng)機(jī)電設(shè)備的變頻節(jié)能系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。變頻節(jié)能系統(tǒng)所采用的控制裝置是型號(hào)為L(zhǎng)ogix1769PLC控制裝置，該變頻節(jié)能系統(tǒng)之中包含有上位機(jī)裝置、PLC裝置、驅(qū)動(dòng)裝置、信號(hào)監(jiān)測(cè)裝置以及風(fēng)機(jī)保護(hù)裝置等。

（1）上位機(jī)裝置。上位機(jī)采用型號(hào)為610L的工業(yè)計(jì)算機(jī)，一共購(gòu)置兩臺(tái)相同的上位機(jī)，一臺(tái)作為主機(jī)一臺(tái)作為備用機(jī)。主機(jī)承擔(dān)監(jiān)測(cè)和控制的功能，若是主機(jī)出現(xiàn)故障則備用機(jī)將直接轉(zhuǎn)換成為主機(jī)，確保變頻節(jié)能控制系統(tǒng)能夠安全的運(yùn)行。

（2）PLC控制裝置。該裝置為變頻節(jié)能系統(tǒng)控制過(guò)程中的核心裝置，主要完成相關(guān)信息的收集、運(yùn)算以及信息輸出工作。所采用的PLC控制裝置型號(hào)為L(zhǎng)ogix1769，并且按照系統(tǒng)控制先進(jìn)性以及可靠性要求，采取雙CPU冗余[4]。

（3）變頻驅(qū)動(dòng)裝置。變頻節(jié)能系統(tǒng)中所采用的變頻器設(shè)備為高壓變頻器，擁有自動(dòng)保護(hù)的功能，具體操作過(guò)程也較為簡(jiǎn)便，可以實(shí)現(xiàn)信息的共享，確保通風(fēng)機(jī)設(shè)備能夠安全與節(jié)能地運(yùn)行。

（4）信號(hào)監(jiān)測(cè)裝置主要是針對(duì)井下的溫度、風(fēng)量、瓦斯氣體濃度以及電機(jī)電壓和電流進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

圖1 通風(fēng)設(shè)備變頻節(jié)能系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)示意圖

3 煤礦通風(fēng)機(jī)電變頻節(jié)能系統(tǒng)的具體設(shè)計(jì)

3.1 高壓部分設(shè)計(jì)

該煤礦通風(fēng)機(jī)電設(shè)備變頻節(jié)能控制系統(tǒng)高壓部分主要是為通風(fēng)機(jī)提供動(dòng)力，并且還為通風(fēng)監(jiān)測(cè)裝置提供運(yùn)行所需電能。進(jìn)行高壓部分的設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)堅(jiān)持經(jīng)濟(jì)性原則以及適用性原則，其中主接線采取的是單母分段接線，兩個(gè)回路的進(jìn)線從不同變壓器中引入，這樣能夠確保整個(gè)系統(tǒng)供電的可靠性。高壓饋電柜裝置主要是為了向主通風(fēng)設(shè)備提供其運(yùn)行所需電源，其中包含有進(jìn)線柜、變頻裝置柜、隔離柜和站用變柜等。在高壓柜之中設(shè)置有型號(hào)為VAD-12型的短路器裝置，該裝置擁有電流三段保護(hù)的功能，同時(shí)還擁有接地報(bào)警功能[5]。另外，在配電柜之中也設(shè)置有零序保護(hù)，不同的保護(hù)裝置能夠依照現(xiàn)實(shí)情況加以調(diào)節(jié)，具體操作相對(duì)來(lái)說(shuō)較為方便。該煤礦通風(fēng)機(jī)電設(shè)備高壓饋線柜實(shí)物圖如圖2所示。

圖2 煤礦通風(fēng)機(jī)電設(shè)備高壓饋線柜實(shí)物圖

3.2 操作控制臺(tái)

操作控制臺(tái)之中包含有兩個(gè)型號(hào)一致的工業(yè)計(jì)算機(jī)以及相應(yīng)操作柜，可以實(shí)時(shí)地對(duì)通風(fēng)機(jī)電設(shè)備進(jìn)行操作，還可以實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)控功能。兩臺(tái)工業(yè)計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)是同時(shí)運(yùn)行的，其中一臺(tái)不僅能夠進(jìn)行監(jiān)控同時(shí)還能進(jìn)行操作，作為主機(jī)使用；而在主機(jī)發(fā)生故障情況下則另外一臺(tái)備用機(jī)則轉(zhuǎn)變?yōu)橹鳈C(jī)，這樣便能夠確保系統(tǒng)可以更加安全與可靠的運(yùn)行。在操作臺(tái)之中設(shè)置有不間斷電源UPS實(shí)現(xiàn)對(duì)操作臺(tái)的供電，即便是在電源發(fā)生故障的情況下，還能夠確保3 h之內(nèi)操作臺(tái)不會(huì)斷電，從而保證了系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。在風(fēng)機(jī)監(jiān)視系統(tǒng)之中，能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程的操作，可以在線對(duì)設(shè)備運(yùn)行加以監(jiān)測(cè)，同時(shí)還能完成信息的查詢工作。操作系統(tǒng)包含有3種不同的控制方式，分別為遠(yuǎn)程控制方式、就地控制方式以及檢修控制方式。

3.3 變頻驅(qū)動(dòng)裝置

依照該煤礦通風(fēng)機(jī)電設(shè)備具體運(yùn)行環(huán)境，在此系統(tǒng)之中采取的是一驅(qū)一運(yùn)行模式，也就是一臺(tái)容量是650 kVA高壓變頻裝置來(lái)控制一臺(tái)電機(jī)的變頻操作，由于一共擁有4臺(tái)電機(jī)，需要4臺(tái)高壓變頻控制裝置。利用變頻調(diào)速技術(shù)可以確保滿足礦井生產(chǎn)需要風(fēng)量基礎(chǔ)上，有效降低通風(fēng)設(shè)備能源消耗，減少通風(fēng)設(shè)備維護(hù)工作，而且變頻調(diào)節(jié)的操作也較為簡(jiǎn)單[6]。該煤礦通風(fēng)機(jī)電設(shè)備變頻裝置采用的是東芝三菱生產(chǎn)的19 kV高壓變頻控制裝置，該裝置包含有控制柜、單元柜、旁路柜以及變壓器柜等，并且可以平滑地輸出0～10 kV電壓。采用此變頻裝置無(wú)需把電機(jī)轉(zhuǎn)變?yōu)榻墙臃绞?，這樣便不需要再加設(shè)切換柜，確保了變頻節(jié)能系統(tǒng)變得更為簡(jiǎn)單。

該煤礦通風(fēng)機(jī)電設(shè)備變頻節(jié)能系統(tǒng)采取非常先進(jìn)的矢量控制技術(shù)，在實(shí)際的使用過(guò)程中操作較為便捷，而且也非常耐用。三菱變頻裝置擁有相對(duì)大的扭矩，而且具有較強(qiáng)的過(guò)載能力，可以確保電動(dòng)機(jī)設(shè)備能夠在一些較為惡劣環(huán)境之下正常運(yùn)轉(zhuǎn)，而且借助于其整流逆變控制能夠確保電壓線性增長(zhǎng)，消除了接啟動(dòng)過(guò)程中對(duì)于電機(jī)造成的影響，從而保證了通風(fēng)機(jī)電設(shè)備能夠安全、可靠運(yùn)行，達(dá)到變頻節(jié)能的目標(biāo)[7]。

4 變頻節(jié)能系統(tǒng)運(yùn)行中的問(wèn)題分析

變頻節(jié)能系統(tǒng)于3月15日運(yùn)行，至5月26日期間1#變頻器出現(xiàn)2次故障問(wèn)題，2#變頻器出現(xiàn)2次故障問(wèn)題，3#變頻器出現(xiàn)6次故障問(wèn)題，4#變頻器出現(xiàn)12故障。所以，對(duì)變頻器裝置之中的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢與分析，在分析之后發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)故障問(wèn)題情況下，變頻器裝置的電壓輸入數(shù)值要減少30%左右，導(dǎo)致了輸入電壓減少到了失壓保護(hù)設(shè)定值，從而出現(xiàn)了自保護(hù)現(xiàn)象，如圖3所示。導(dǎo)致這一問(wèn)題的主要原因是由于煤礦中一些大型的機(jī)電設(shè)備投入運(yùn)行過(guò)程中，而未采取相應(yīng)的軟啟動(dòng)技術(shù)措施。

圖3 變頻器錄波分析圖

針對(duì)這一常發(fā)生問(wèn)題，采取相應(yīng)的軟啟動(dòng)措施，而且一些大型設(shè)備要求盡可能的分階段投入使用，避免煤礦電網(wǎng)之中電壓發(fā)生較大波動(dòng)。

5 主通風(fēng)機(jī)節(jié)能分析

5.1 節(jié)能效果

該煤礦2016年完成了通風(fēng)系統(tǒng)的構(gòu)建工作，并且經(jīng)由設(shè)備檢測(cè)站的安全測(cè)試，1#通風(fēng)機(jī)設(shè)備與2#通風(fēng)機(jī)設(shè)備均能夠穩(wěn)定的運(yùn)行，各個(gè)參數(shù)也能夠達(dá)到規(guī)定的要求?，F(xiàn)在變頻節(jié)能系統(tǒng)應(yīng)用后通風(fēng)機(jī)已經(jīng)安全運(yùn)行近1年時(shí)間，在具體的運(yùn)行過(guò)程中系統(tǒng)維護(hù)較為簡(jiǎn)單也易于操作。在2017年通風(fēng)機(jī)設(shè)備平均以37 Hz的頻率運(yùn)行，較2016年2臺(tái)通風(fēng)機(jī)設(shè)備總的耗電量減少了430萬(wàn)kW·h左右，電費(fèi)按照0.5元／（kW·h）計(jì)算，2017年僅電費(fèi)節(jié)約高達(dá)215萬(wàn)元，具有非常明顯的節(jié)能效果，經(jīng)濟(jì)效益非常顯著[8]。

5.2 降低了電機(jī)設(shè)備啟動(dòng)過(guò)程中電流沖擊

若是電機(jī)直接進(jìn)行啟動(dòng)，則啟動(dòng)過(guò)程中的電流將會(huì)增加到6IN左右，雖然采取星三角啟動(dòng)，那么電流也會(huì)超過(guò)4IN。而應(yīng)用軟啟動(dòng)則機(jī)電設(shè)備的啟動(dòng)電流僅僅增加2IN左右。就變頻器來(lái)說(shuō)，可以有效避免啟動(dòng)過(guò)程中電壓對(duì)于電機(jī)裝置帶來(lái)的沖擊，定子電流會(huì)隨著轉(zhuǎn)速而呈現(xiàn)線性增長(zhǎng)，不過(guò)卻低于額定電流。所以，在通風(fēng)機(jī)電設(shè)備之中應(yīng)用變頻節(jié)能技術(shù)，能夠有效避免電機(jī)直接啟動(dòng)過(guò)程中沖擊電流的出現(xiàn)，能夠顯著改善電機(jī)裝置運(yùn)行的工況。

6 結(jié)束語(yǔ)

煤礦機(jī)電設(shè)備在應(yīng)用變頻節(jié)能技術(shù)之后，確保了企業(yè)自動(dòng)化程度進(jìn)一步提升，進(jìn)一步推動(dòng)了企業(yè)從粗放型生產(chǎn)轉(zhuǎn)變?yōu)榧s型生產(chǎn)的步伐，對(duì)煤礦生產(chǎn)效率提升起到了很好的促進(jìn)作用。在應(yīng)用變頻節(jié)能技術(shù)之后，確保提升設(shè)備能夠安全、自動(dòng)運(yùn)行，還能夠?qū)收霞右耘袛嗖⒓皶r(shí)發(fā)出預(yù)警信號(hào)，預(yù)警信號(hào)能夠直接輸送至上位機(jī)之中，確保維護(hù)工作人員可以更加迅速與準(zhǔn)確的找到故障位置，從而顯著減輕了工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，也使得作業(yè)人員的工作環(huán)境得以優(yōu)化。