变频调速技术在煤矿通风机节能的应用研究.pdf

第4 0 卷第9 期 2 0 1 7年 9 月 煤 炭 与 化 工 C o a l a n d C h e m i c a l I n d u s t r y Vo 1 ． 4 0 No ． 9 S e p ． 2 0 1 7 变频调速技术 在煤矿通风机节能的 应用研究 郝文科 山西煤炭进出口集团 左权宏远煤业有限公司，山西 左权0 3 2 6 0 0 摘 要阐述 了煤矿通风机变频调速节能原理，并通过变频器、P L C的选择及变频调速系统 的设计等方面，给出了通风机变频调速方案。实施结果表明，变频调速技术可为矿井每月节 约 5 ． 6 万元，节能降耗显著，并提出可在运输、排水等系统应用变频调速技术，以此提高矿井 智能化水平和节支降耗水平。 关键词通风机；变频调速；P L C ；效果分析 中图分类号 T M9 2 1 ． 5 1 文献标识码 B 文章编号 2 0 9 5 5 9 7 9 2 0 1 70 9 0 1 4 1 0 2 Ap pl i c a t i o n r e s e a r c h 0 f f r e q ue n c y c o nv e r s i o n t e c hno l o g y i n e ne r gy s avi ng ol m l ne t an ● ● n ● Ha o k e S h a n x i C o a l R e s o u r c e s I m p o r t a n d E x p o rtG r o u pZ u o q u a n Ho n g y u a nC o dI n d u s t r y C o r p o r a t i o n L t d ， Z u o q u a n 0 3 2 6 0 0 , C h i n a Ab s t r a c t E n e r g y s a v i n g p r i n c i p l e s o f f a n fr e q u e n c y c o n v e r s i o n s p e e d r e g u l a t i o n i n c o a l mi n e we r e d e s c r i b e d ， a s w e l l a s f r e q u e n c y c o n v e e r , P L C s e l e c t i o n and d e s i g n o f v a r i a b l e f r e q u e n c y s p e e d r e g u l a t i o n s y s t e m， e t c ． Va r i abl e f r e q u e n c y s p e e d r e g u l a t i o n s c h e me o f f an Was p u t f o r w a r d ． T h e r e s u l t s h o we d t h a t v a r i ab l e fre qu e n c y s p e e d reg u l a t i o n t e c h n o l o g y c o u l d s a v e 5 6 tho u s a n d y u an p e r mo n th for the mi n e wi th r e ma r k abl e e n e r g y s a v i n g and c o n s u mp t i o n red u c t i o n ． At the s a n l e t i me ， t h i s t e c h n o l o gy c o u l d b e u s e d i n t r an s p o r t a ti o n and d r a i n a g e s y s t e m， wh i c h c o u l d i mp r o v e i n t e l l i g e n t l e v e l o f mi n e an d e n e r gy s a ving s ． Ke ywo r d s f a n ； f r e qu e n c yreg u l a ti o n ； P L C ； e ff e c t an a l y s i s 通风机是煤矿最重要的机电设备之一，其依靠 电动机来进行拖动运转。煤矿所用通风机风量常常 是依照区域所需最大风量来进行选型和布置的，这 样在使用过程中常会造成通风机处于低负荷状态。 由于通风机功率较大，耗电较多， 且容易引起通风 机故障，进而引起通风系统紊乱，轻则影响生产， 重则会造成严重的安全事故。实践和理论认为，通 过改变电动机转速来实现风量的调节 ，当前调速主 要有串级调速、电压调速和交流变频调速，且随着 电子控制技术的发展 ， 交流变频调速已经逐渐替代 其他调速技术，成为了当前最为直接有效的调速方 式。通过变频调速，可以实现通风机电动机无级调 速，实现对风量的控制。为保证矿井 电能最佳利 用，提高矿井节支降耗水平，有必要对矿井所用通 风机进行变频调速研究，对提高通风机使用性能和 使用寿命具有积极意义。 1 变频调速节能原理 通风机所带电动机多为交流异步电机，交流异 步电机具备尺寸小、性能稳定、造价低廉、使用寿 命长等诸多优点，缺点是调速复杂。针对交流异步 电机的特点，当前该类型电机调速方法主要有串级 调速、斩波调速、液力耦合器调速、油膜离合器调 速和变频调速等， 其中串级调速、斩波调速、液力 责任编辑任伟D O I 1 0 ． 1 9 2 8 6 ． c n k i ． c c i ． 2 0 1 7 ． 0 9 ．0 4 3 作者简介 郝 文科 1 9 6 6 一 ，男 ，山西左权人 。 引用格式郝文科． 变频调速技术在煤矿通风机节能的应用研究【 J 】 ． 煤炭与化工，2 0 1 7 ，4 o 9 1 4 1 1 4 2 ，1 4 5 1 41 2 0 1 7 年第9 期 煤炭与化工 第4 0 卷 耦合器调速、油膜离合器调速控制相对复杂，电子 元件更换率较高，同时电动机起动电流较大，静差 率较高，容易影响风机的运行稳定性。针对交流异 步电机，改变电动机定子绕组电源频率可以改变电 动机的同步转速和转子转速，同步转速的改变也造 成电动机转速的改变，故改变电源频率可以实现电 动机转速改变 ，交流变频调速正是应用于此原理实 现电动机转速改变。简单的来说，交流变频调速是 通过对电动机提供可变频率电源来实现电动机转速 的控制。理论研究表明，仅仅依靠改变电源频率来 实现电动机转速控制，容易造成电动机运行失稳， 运行性能下降，因而，在利用交流变频技术时往往 会引入恒磁通、恒功率等技术来实现变频调速。在 矿井选用风机时一般按照最大需风量进行选择 ，这 样就容易造成通风机长期处于低负荷运行状态，如 若不采取措施，势必造成大量的电能浪费，通过交 流变频调速的应用，可根据所需风量进行实时调 节，降低电动机启动电流，确保风机实现电能的节 约，有利于保护供电网络和延长通风机使用寿命 ， 对于矿井节支降耗具有重要的意义。 通风机风压 H与风量 Q关系如图 1 所示 ，其 中曲线 1 和曲线 2 分别为调节前和变频调速后的 H - Q曲线。由图 1 可知，当风量由 减至 时， 工况点由 A变为 B ，轴功率面积 B H 2 O Q 2 相应减 少；采用变频调速后，工况点由A变为 c ，轴功率 面积为 C H 3 O Q 2 ，小于 B H E O Q 2 的面积 ，而二者之 差也就是变频调速所节约的功率。由通风机风量与 电动机转速关系计算可得电动机功率 与其转速 n的关系为 Wk n 3 ，即将电动机转速 n降低 1 ／ 3 ， 风量 Q为其原来的 1 ／ 3 ，但是功率 仅仅为 1 ／ 2 7 ，由此可知，通过变频调速技术的应用，可以大 幅度降低通风机的电能消耗。 1 4 2 Q 2 Q Q／ m 3 s 图1 通风机风压 H与风量 0特性曲线 F i g ． 1 C h a r a c t e r i s ti c c u r v e s o f f a n wi n d p r e s s u r e H a n d a i r v o l u m e Q 2通风机变频调速应用研究 2 ． 1 变频器和 P L C的选择 变频器的正确选择对于实现通风机最佳运行性 能和最大节能效果具有重要的作用。当前，市场上 的变频 器可分 为交 一交变频器和交 一直 一交变频 器两类，前者又称为直接式变频器，即可将工频电 流直接转换为可调电流，后者称为间接式变频器， 是通过将工频电流转为直流再转为可调电流的变频 器。结合矿井实际和所应用通风机特性 ，决定采用 C S 8 0 0 0 4系列变频器，该型号变频器输出功率可 达 2 6 0 k W，工作频率为 0 4 0 0 H z ，同时具有过 载、过压、过速等保护功能，另外还可以实现其他 功能的编程。 P L C主要由中央处理器、输入 ／ 输出单元、存 储器、电源等单元组成，中央处理器起到数据的控 制、程序的存储、故障的诊断、信息错误的处理等 作用， 是 P L C的核心控制单元。根据实际，决定选 用 s 7 2 0 0 型 P L C ，其优点是成本低廉、运行稳定、 尺寸小、存储能力大、计算速度快、易于更换，且 可实现在线程序编辑。考虑到所研究所用通风机特 点 ，决定采用 P L C通讯方式对变频器进行控制。 2 ． 2 P L C变频调速系统设计 P L C控制包括控制主程序、各子程序和中断程 序等部分，其中主程序实现各个程序的控制和电动 机变频调速的控制，子程序和中断程序实现控制系 统的过载、过压等保护作用和程序启动的初始化检 查等。在 P L C主程序启动前，相应子程序作用进 行 自 检，若正常则启动主程序进而实施电动机变频 调速 ，同时根据所测现场瓦斯情况来 实现 P L C相 应控制程序的启停 ，通风机 P L C变频器控制如图2 所示。根据规定，电动机附近 2 0 m范围内瓦斯浓 度不允许超过 1 ．5 ％，否则立即切断电源。鉴于现 场条件的多变性 ，且 随着采掘工作面的不断下延 ， 采掘区域瓦斯浓度变化较大，故对瓦斯浓度区域进 行模糊划分，在相应的瓦斯浓度区域内设定相应的 电源频率，进而改变通风机的风量来实现现场所需 风量的控制。根据通风机工作地点情况， 将瓦斯浓 度 分 为 0 0 ． 5 ％ 、0 ． 5 ％ ～0 ． 8 ％ 、 0 ． 8 ％ ～1 ． 0 ％ 、 1 ．O ％ 1 ．3 ％、1 ． 3 ％～1 ．5 ％和1 ．5 ％六个区域等级， 其对应的电源频率分别为 3 1 H z 、3 5 H z 、4 0 H z 、 4 5 Hz 、5 0 H z 和 0 ，相应 的变频器输 出电压分别 6 V 、6 ． 8 v 、8 V 、9 ．2 V 、1 0 V和 0 ，其中当瓦斯浓 度超过 1 ．5 ％时，程序 自 动中断，电动机停电。 下转第 1 4 5页 孙长凯综放工作面集中缩减支架技术 2 0 1 7年第 9 期 4采掘平行作业技术 7 7 1 2工作面补风巷的合理优化设计与施工 ， 是在工作面正常回采的情况下进行的。 4 ． 1 准确预判贯通位置 在同一工作面内同时进行回采与掘进工作 ，要 求贯通位置准确，安全措施跟得上，因此需要技术 人员严密掌握工作面采线和掘进头的动态，技术管 理到位，确保工作面与掘进头顺利贯通。根据最近 一 周时间内回采和掘进的平均进度，认真预测并严 密计算工期 ，保证采线提前 2 d到达预定停采位 置， 使贯通作业时采面和掘进头之间准确配合，安 全可靠 ，将相互间影响程度降到最低。 4 ． 2 协调采掘单位运输保障 工作面与采线贯通期间，回采单位在机尾进行 扩帮作业。掘进与回采单位共同使用溜子道皮带 ， 机组司机、支架工严格掌握工作面煤量，每天派专 人清理、检修皮带，确保皮带使用正常。回风巷外 段运料任务繁重，通过协调，回采单位调整了进料 时间，合理高效利用回风巷绞车设备。 4 ． 3 强化贯通安全管理 严格制定贯通安全措施，采线与掘进头间距小 于 2 0 m时，掘进头施工放炮时工作面停止工作 ， 并安排专人负责，与对方联络，确保贯通措施落实 到位，通过各方人员的通力协调 ，对掘进与回采工 作正规循环作业的合理优化 ，实现了在同一工作面 范围内采掘平行作业。 5 结 论 1 优化设计效果明显。7 7 1 2 轻放工作面在 回采期间，通过合理优化设计，掘进一条与刮板输 送机槽平行的补风巷，既避免了回采时逐渐减架作 业，降低了工作面的回采管理难度，确保了工作面 安全回采，技术效益明显。 2 缩短面长，集中缩减支架措施到位 ，安 全可靠。上下两巷压力大，失修严重， 此时如果采 用逐渐缩减支架，支架拆除和运输期间的安全不易 保证。通过采取措施，集中缩减支架，安全可靠。 3甩掉断层 ，提高煤质 ，经济效益突出。 使工作面甩掉了断层，提高了该面原煤的煤质，据 保守计算，工作面原煤含矸率降低 2 0 个百分点， 创造了可观的经济效益。 4 类似条件下有推广应用价值。施工期间， 成功实现了在同一工作面范围内采掘平行作业，降 低了工期。采线到达断层位置后，利用集中减架技 术缩短工作面，简化了施工工艺，扩大了综采工艺 的适应性 ，类似条件下有推广应用价值。 参考文献 [ 1 】 刘贤庆．大采高作业面巷道布设优化分析【 J 】 ． 能源与节能， 2 0 1 7 0 7 1 8 81 8 9 ． 【 2 】 邓联枝． 红旗煤矿巷道布置的改进及优化分析【 J 】 ． 煤炭科学 技术，1 9 9 6 0 6 4 2 4 6 ． [ 3 ] 王恩鹏 ，马端志，王彪谋． 元堡矿综放工作面液压支架使用 情况及适应性能研究[ J 煤矿开采，2 0 1 4 0 6 1 7 2 0 ． 【 4】 庞矿安 ，刘俊峰，董德彪． 大倾角放顶煤液压支架稳定性动 态分析【 J 】 ． 煤矿开采，2 0 0 5 0 6 5 7 ，1 6 ． [ 5 】 黄志增 ，任艳芳，张会军． 大倾角松软特厚煤层综放开采关 键技术研究[ J 】 ． 煤炭学报，2 0 1 0 1 1 1 8 7 8 1 8 8 2 ． 【 6 】 刘锦荣． 大同矿区薄煤层综采设备配套与开采实践【 J 】 ． 煤炭 科学技术 ， 2 0 1 1 1 1 4 O一4 3 ． 上接 第 1 4 2页 一 臣 医 一 匾 图2 通风机 P L C 变频器控制结构示意 F i g ． 2 S t r u c r e o f f a n wi t h P L C f r e q u e n c y c o n v e e r c o n t r o l 3应用效果分析 在通风机实行变频调速前月耗 电 1 2 ． 2万 k Wh ， 采用变频调速后降低了约 7 万 k Wh ，根据当前电价 0 ． 8 元 ／ k Wh ，计算可得通过通风机的变频调速，可 节约电费约 5 ． 6万元 ／ 月。由此可知 ，通过变频调 速可大幅度节约通风机所耗电能。另外 ，通过变频 调速技术的应用，可有效提高通风机的运行稳定性 和使用寿命，对于煤矿节支降耗具有重要的作用。 另外，鉴于煤矿所用大型机电设备较多，鉴于变频 调速的优越性，可考虑在通风、提升运输和排水等 系统应用，有利于提高矿井 自动化和智能化水平， 为矿山节约大量的电能资金投入，具有积极意义。 参考文献 [ 1 】 袁弘誉． 变频调速技术在主要通风机中的应用【 J 】 ． 煤，2 0 1 1 ， 8 4 8 ． 【 2 】 赵俊文． 变频调速技术在煤矿主通风机中的应用【 J 】 ． 科技情 报开发与经济，2 0 0 7 ，1 7 3 2 7 9 2 8 0 ． [ 3 】 周博，王浩． 基于P L C的通风机智能变频调速系统【 J 】 ． 煤矿机电，2 0 1 2 ， 5 1 1 0 1 1 2 ． 【 4 】 梁南丁，李焱琳． 基于高压变频器技术的矿井通风机节能改 造[ J 】 ． 机电产品开发与创新，2 0 1 0 ， 2 3 3 1 6 6 1 6 7 ． [ 5 】 商坤，王建军． 变频调速在煤矿矿井通风机上的应用【 J ] ． 煤矿安全，2 0 0 6 ， 7 1 8 2 0 ． 1 45