红庆梁煤矿主通风机电控系统设计.pdf

第4 7 卷 第7 期 煤炭工程 C OAL ENGI NE ERI N G Vo 1 ． 4 7． No ． 7 do i 1 0． 1 1 7 9 9 ／c e 2 O1 5 0 7 O1 0 红庆 梁煤矿主通风机 电控 系统 设计 王惠臣 中国煤炭科工集团 北京华宇工程有限公司，北京1 0 0 1 2 0 摘要 矿 井主通风机是矿 山的重大安全设备 ，其正常运行 与否直接 关 系到矿井的安全 生 产，因此设计一套可靠稳定的通风机电控系统至关重要。红庆梁煤矿主通风机电控系统主要包括 高压变频调速 系统、P L C控制 系统、智能上位监控 系统和 高低压配电系统共四部分。着重探讨 了 该 电控 系统的设计特点，介绍了系统框 图和 系统 实现的功能等，此外还对 电控设备的相关参数进 行 了详细阐述，同时指 出了该系统和其他电控 系统之间的不同之处。经实践证明．该电控 系统 实 现 了主通风机的精确控制 ，另外该 电控 系统可靠性 高、操作 简单、运行稳定，可确保矿井的安全 生 产 关键词 主通风机 ；高压 变频器；P L C控制系统 ；智能上位监控 系统；高低压配电系统 中图分类号T D 7 2 4 文献标识码 A 文章编号1 6 7 1 0 9 5 9 2 0 1 5 0 7 - 0 0 3 0 - 0 4 De s i g n o n El e c t r i c a l Co nt r o l S y s t e m o f M a i n Fa n i n Ho n g q i n g l i a n g Co a l M i ne W ANG Hu ic h e n B e i j i n g Hu a y u E n g i n e e r i n g C o m p a n y L i mi t e d ，C h i n a C o a l T e c h n o l o g y a n d E n g i n e e ri n g G r o u p ，B e i j i n g 1 0 0 1 2 0 ，C h i n a A b s t r a c t Ma i n f a n i s a m j o r m i n e s a f e t y e q u i p m e n t ，t h e s m o o t h o p e r a t i o n o f w h i c h i s d i r e c t l y r e l a t e d t o t h e p r o d u c t i o n s a f e ty，a n d a s t a b l e e l e c t r o n i c c o n t r o l s t e m f o r ma i n f a n i s c rit i c a 1 ． T h e ma i n fan e l e c t ric a l c o n t r o l s y s t e m o f Ho n g q i n g l i a n g C o a l Mi n e ma i n l y c o n s i s t e d o f h i g h f r e q u e n c y c o n t r o l s y s t e m， P L C c o n t r o l s y s t e m， i n t e l l i g e n t h o s t mo n i t o ri n g s y s t e ms ，a n d h i g h a n d l o w v o l t a g e d i s t ri b u t i o n s y s t e ms ． T h e d e s i g n c h a r a c t e ris t i c s of e l e c t ri c a l c o n t r o l s y s t e m w e r e d i s c u s s e d，i n c l u d i n g b l o c k d i a g r a m a n d s t e m f u n c t i o n s ，p a r a me t e r s o f t h e e l e c t r i c c o n t r o l e q u i p me n t w a s d e t a i l e d ， a n d t h e s p e c i f i c i t y of t h e d e s i g n e d s y s t e m w a s a n a l y z e d ． T h e p r a c t i c e s h o we d t h a t ， a c c u r a t e c o n t r o l of ma i n f a n w a g r e a l i z e d ， a n d t h e e l e c t r o n i c c o n t r o l s y s t e m h a d h i s h r e l i a b i l i t y， g o o d man e u v e r a b i l i t y a n d s t a b l e o p e r a t i o n ， t h e s a f e t y p r o d u c t i o n w a s e n s u r e d ． Ke y wo r d s ma i n f a n ； h i 一 v o l t a g e i n v e r t e r ； P L C c o n t r o l s y s t e m； i n t e l l i g e n t h o s t mo n i t o rin g s y s t e m ； h i s h a n d l o w v o l t a g e d i s t ri b u t i o n s y s t e m 矿井主通风机全年不停地运行 ，其电耗量较大，平均 电耗约 占矿井 电耗 的 1 5 ％。近年来 我国矿井 多采用对 旋式 通风机，该类型风机传统的调节系统是根据所需风量的多 少，靠调节叶片角度来实现的，这种调节必须在风机停机 时才能进行，只适合较长阶段的风量调节，调节起来不方 便，可调范围也不大，节电不明显。另一种调节系统是调 节风机电机转速，通过变频调速的方法是异步电机最有前 途 的调速方法 。 红庆梁煤矿设计生产能力 6 ． O Mt ／ a ，采用中央分列式通 风系统，通风方法为机械抽出式，由工业场地主斜井、副 立井进风 ，风井场地 回风立井回风。主通风机主要参数 风机型 号为 F B C D ZN o 3 2 ／ 26 3 0 ；电动 机 电压 为 l O k V； 3 0 电动机功率为2 X 6 3 0 k W；额定转速为 7 4 0 r ／ m i n 过载能力 为大 于等于 2 ． 5倍 。该 矿主通 风 机采用 高压变 频 的驱 动方 式 ，交流变频调 速装 置根据 通风机 运行 特点 ，控 制通 风机 按适当的起 、停加速度曲线起动和制动，可以通过就地及 远程调整转速、频率 ；转矩和速度控制精确平滑，可减少 对负载机械的冲击；可在不拖动电机的情况下进行空载调 试操作。由于变频调速具有性能稳定、控制精度高的特点 ， 所以，在通风机驱动领域有广泛的应用⋯。 1 电控 系统总体技术要求 1 ． 1 系统 构成 主通风机电控系统包括高压变频调速系统、P L C控制 收稿 日期 2 0 1 5 0 30 1 作者简介王惠臣 1 9 8 3一 ，男，河北邯郸人，工程师，从事煤矿电气设计工作，E m a i l w h c 8 3 8 6 1 6 3 ． C O rn。 引用格式 王惠臣．红庆梁煤矿主通风机电控系统设计 [ J ] ．煤炭工程，2 0 1 5 ，4 7 7 3 03 2 ，3 5 ． 2 0 1 5年第7 期 煤炭工程 系统、智能上位监控系统 、通风机在线监控仪等。本控制 系统采用两套 P L C现场控制站和两套操作站，对通风机的 运行过程进行检测、显示 、控制、保护 、报警 、记录和管 理。另外 ，每台风机选用一套 H DF JG风机专用监控 仪，可实时对风机主要运行参数，如温度、压力、振动等 的监测、显示、诊断、报警、历史数据存储及趋势分析 ， 具有喘振报警功能。 1 ． 2系统 功能要 求 1 ． 2 ． 1 传动系统 传动系统采用全数字高压交 一直 一交变频调速系统 。 要求能适应通风机的各种工作情况，变频器的过载能力大 于电动机的过载能力 ，按照预定的速度和工艺要求实现通 风机的启动、加速 、匀速、减速 、停车等运行方式 ，使通 风机具有较高的运行效率。 1 ． 2 ． 2 控制系统 P L C控制系统的电源引自 U P S电源柜，U P S电源柜安 装 U PS 、U PS 电池以及出线 回路 的小型断路器等。通风机 房的所有电气设备均采用 自动控制、手动控制 、检修、模 拟试车四种工作方式和就地、远控两种控制方式。 自动控制由 P L C按照预先编制的控制程序进行 自动 控制 ，实现 “ 一键式”开车以及定时 自动切换和故障 自动 切换 。 手动控制 为了保证 风机运行和操作的绝对可靠性， 系统设置一套手动控制，由设在控制柜上的按钮进行风机 启、停以及相关辅机的启 、停控制和动叶调节操作，并在 控制柜面板设置风机轴承、电机轴承、电机定子温度巡检 报警仪 ，实时显示风机轴承、电机轴承、电机定子温度。 检修 当P L C或系统发生故障，不能进行 自动和手动 控制时的应急起动方式。由设在开关柜上的按钮或现场就 地按扭箱上的按钮进行操作 ，此时低压柜上的所有转换开 关必须是就地 。 模拟试车 由操作站打开 “ 模拟试车”窗 口，对停止 风机进行开车前的测试 ，按预先编制的程序进行起动和停 止控制，但风机不启动 ，检查风机各环节是否正常。 远控是在矿井调度 室的操作 终端启 、停风机 。 2 主要电控设备的配置 2 ． 1 高压变频调速装置 对风机电机的拖动有以下两种方式 一拖一方式，即 利用两台变频器分别拖动前置、后置叶轮电动机；一拖二 方式，即利用一台合适容量的变频器同时拖动前置 、后置 两级动叶风机电动机；经比较一拖二方式的电控设备投资 较一拖一方式低，可节约变频设备投资。一拖二方式的缺 点必须使前置、后置叶轮电动机同时启动，因此启动 电 流较大，要求变频器容量大于两台电机容量的总和。根据 风机的性能参数、矿井管网特性曲线和投资回收期等因素 综合考虑 ，该矿井采用一拖二方式来拖动风机电机。 变频器为 H A R S V E R TV A1 0 ／ 1 1 5 额定输出 1 6 0 0 k W 高压交 一直 一交变 频调 速装置 。主体采 用单元 串联 多电平 拓扑结构 J 。1 0 k V每相 8个单元，1 7电平。高压变频调速 系统输人侧采用移相变压器，移相整流变压器采用多重化 设计 ，将网侧高压变换为二次侧的多组低压，各二次绕 组在绕制时采用延边三角形接法，相互之间有固定的相位 差，形成多脉冲整流方式 ，使得变压器二次侧各绕组的谐 波电流相互抵消，不反映到高压侧 ，基本上消除了变频器 对电 网的谐波污染 。变频器技术参数见表 1 。 表 1 变频器技术参数表 型号H AR S V E R TV A1 0 ／ 1 1 5 变频器容量／ k V A 电机 功 L ／ k W 输A．／ 输 出电 k V 额定输 出电流／ A 调制技术 输入功率因数 效率 含变压器 ／ ％ 输出频率范围／ H z 输出频率漂移 过载能力 2 O o o 2 X6 3 0 1 0 ／ 1 0 l 1 5 多级正弦 P WM控制 额定负载下 0 ． 9 5 额定负载下 0 ． 9 6 0～5 0 0 ． 5 ％ ． 一0 ． 5％ 1 2 5 ％额定转矩 1 m i n 2 ． 2监控 系统 监控系统选用西门子公司的 s 74 0 0可编程控制器， 完成以下功能 1 无论是在自动控制或手动控制时，均严格按启动程 序控制各设备的起、停。风机在 自动控制时，实现 “ 一键 式”开车以及定时自动和故障自动切换。 2 在操作站显示通风系统动态流程图、供电系统图、 工艺参数表、电气参数、设备运行状态 工作、停止、故 障 以及报警参数表等。 3 自动建立数据库，对于重要的工艺参数、电气参数 自动生成趋势曲线。数据库管理程序借助通讯软件为系统 提供数据库服务 ，并对实时数据进行刷新；打印运行报表 班、日、月、年 和报警、故障实时报表。 4 按预先编制的控制程序，对各台通风机正常切换和 故障切换进行控制和操作指导；各台通风机根据其运行时 间进行轮值切换。 5 当通风机发生故障时，利用运行记录的曲线对故障 进行分析和判断，同时在条件许可时，自动启动备用风机。 其次 ，无论是故障报警，还是事故跳闸系统除具有声光报 警外 ，还具有语音报警。 6 监控主机冗余／ 双机切换正常工作时，一台为主 机，另一台处于热备状态为从机，并且定时进行 自诊断和 互诊断，此时为双机冗余运行方式【 4 ] 。当从机发生故障， 则原主机改为单机运行方式，故障机退出运行。当主机发 生故障时，原从机升为主机并在单机方式下运行 ，原主机 则因故障退出运行。双机冗余工作时，其他节点一般只与 主机交换应用数据。双机之间的数据库 由专门的数据库管 31 煤炭工程 2 0 1 5年第7 期 理程序维持数据的一致性，以保证系统的安全可靠运行。 7 风机性能测试 通过对风机入 口的风量 、负压 、电 机功率、电流和电网电压进行在线监测 ，实时显示风机运 行的工况点和效率。 8 报警测试风机在运行时，可对运行 的风机或备用 的风机进行重要 回路如电机定子温度、轴承温度、振动 等报警、跳闸测试 ，此时，无论是运行的风机或是备用的 风机均不影响其状态。 9 具有手动和计算机双重调节变频器的频率控制功 能 。 1 0 与矿井综合 自动化系统联网将通风机房各台设 备运行的状况通过高速以太网实时地传送至矿井综合 自动 化系统 J 。 2 ． 3 高、低 压配 电 系统 该通风机配 电系统共需 K Y N 2 81 2型高压开关柜 1 7 台 要求配备数字 式仪表 、数字式综合保护器并具 有 R S 4 8 5接口、永磁断路器，具有 “ 五防”功能及各种电气 保护和闭锁装置齐全的新型高压配电装置 ，双投高压隔离 开关4台，单母线分段运行。 I 段母线高压配电系统 图如 图 1 所示 Ⅱ段母线高压配电系统和I 段相同 。 另外还设置 MN S型低压开关柜 3台。A A1柜内为 C A 1 自动转换开关，保证通风机低 压负荷也为双 电源供 电， A A 2柜、A A 3柜内为 C M2智能型断路器、C K 3型低压接触 器等低压元器件，负责 P L C控制器、风门就地控制箱等低 压设备的配电。 AHl AH2 AH3 AH4 AH5 AH6 AH7 AH8 AH9 } I { ～ } 踊 f ] [ ] I 由 I n 中 { ； 蛳 2 5 0 A r 嵋 ⋯ 皇 i 圭 皇 圭 l 至 i 圭 誓 ．j{ BA 措 上 至 一 一 一 一 KYN2 8 A． 1 2 KYN2 8 A． 1 2 KYN2 8 A． 1 2 KYN2 8 A． 1 2 KYN2 8 A． 1 2 KYN2 8 A． 1 2 KY N2 8 A． 1 2 KYN2 8 A． 1 2 KYN2 8 A． 1 2 7 5 A 7 5 A 2 5 0 A 5 O A 2 0 0 A 2 0 0 A 2 o 0 A 6 3 0 A， 2 5 k A l 6 3 O A／ 2 5 l A 1 6 3 O A／ 2 5 k A l H T c R _ 1 2 D f M ．1 6 0 1 }f f c R _1 2 D 『D - M ．1 6 0 C K G 4 - 4 0 0 ／ 】 O J _ 5 2 ’ s 巧A 2 7 5 ／ 5 A 2 1 5 O ， 5 A 2 L MZ J 1 ．n 5 3 O 5 A 3 2 0 5 A 2 2 O 5 A 2 3 J D Z ． 1 0 l 0 ／ 0 ． 1 k V 1 l 0 ／ 0 ．4 k V 1 l l l l 1 1 l NRM． 5 1 2 1 NRM． 5 l 2 1 N L． 5 l 1 l NR K． 5 l 1 1 NR L． S l l l NRL ． 5I 1 1 l 风机2 级电机 l ,R V IIL 1 级电机 l 换相柜 1 风机变频器 l 所用变 l 旋转电机保护柜 1 电压互感器 P T 1 进线 联络 6 3 0 k W 6 3 0 k W 1 2 6 0 k w 2 x 6 3 0 Ⅳ 1 2 5 七l 一 l 1 g- V 0 “L J J变频器 双投高压隔离开关 GN】 9 - 1 2 S T ／ 6 3 0 1 I 2 级电机I 1 级电机 3 设计体会 图 1 高压配电系统图 3 ． 1 控 制 与传动 系统 控制系统与以往的一套 P L C控制两台通风机的模式不 同，采用两套 P L C控制两套通风机，并且两套 P L C之间为 冗余设计 ，当主控 P L C发生故障时，从控 P L C升为主控运 行 。而以往遇到 P L C故障时，需要先停通风机再手动直启 3 2 通风机，大大提高了控制系统的可靠性。两套 P L C均设置 了用按钮 、中间继电器 、指示灯等设计 的硬件 回路，当 P L C自动模式下故 障时，可 以转换为手动模式，由设 在 P L C控制柜 上 的按钮 进 行 风机 启 、停 以及相 关 辅 机 的启 、 停控制，这不同于以往 P L C自动模式下故障时，只能由设 在开关柜上的按钮和变频器上的按钮进行操作 ， 从而保证 下转 第 3 5页 2 0 1 5 年第7 期 煤炭工程 2 m的柱子。原柱断面为 6 0 0 ram6 0 0 m m，外包成直径为 2 m的圆柱，而横梁没有加大断面，如图3所示。 丙煤矿的加固措施是采用椭圆形筒体结构把原框架结 构包围起来 ，形成 了强大的筒体架构，同比厚度 2 5 0 m m， 但是简体没有达全高，上部一层框架外露 ，如图 4所示。 经计算简体部分很安全，但外露框架配筋如考虑地震效应， 则配筋严重不足，变形超规。但是若不考虑地震和进一步 堆煤的情况下，则不会出现变形超规的情况；而在不考虑 地震，只考虑堆煤的情况下，则会 出现上部框架强度不足 的情况。为了安全起见，建议简体加高至原框架支撑钢桁 架的牛腿处，保证在 8度地震设防强烈的情况下的安全。 若考 虑到 将 来 的进 一 步优化升级，目前考虑到 有煤侧压存在的栈桥支承 结构全部采用圆筒形同体 结构，效 果更 好。例 如， 某选煤厂 的储煤场如图 5 所示 ，该 选 煤 厂采 用 圆筒 形溢流煤仓支承栈桥。由 图 5 某选煤厂储存场 图 5可以看出不均匀煤压显然存在，但使用安全，体现了 圆筒形结构的可靠性。 4结论 1 输煤栈桥高度较两侧栈桥跨度较大时，应严格禁止 在栈桥下堆煤，如有特殊情况需在输煤栈桥支架两侧堆煤， 应采取防栈桥框架侧面变形 的措施 ，否则一定要考 虑对 栈 桥支架进行加固设计。 2 煤从四柱式多层混凝土框架支架输煤栈桥卸煤时， 在煤压实作用下 ，对支架产生的侧压力可认为两柱形成 了 挡煤墙 ，结构计算时，对煤压宽度的测算应增加，同时应 充分考虑煤压变形作用因素。 3 基于计算模型考虑，根部与基础相连按固定考虑， 顶部由于钢桁架的约束 ，在栈桥方向取为不动铰，而另一 方 向为悬 臂。 4 栈桥框架加固时，若经计算得出变形内力都控制不 住 ，则应设计成四边形、圆筒形、椭圆形等抗侧压变形的 简体结构。 5 为了保护环境，新建矿井 已不允许栈桥下露天堆 煤 ，现在多采用封闭式储煤场，封闭式储煤场场内设计成 间距较大的钢筋混凝土圆筒形支架，支承栈桥和屋面载荷 ， 它的特点是各向同性以满足地震作用下最大内力和变形要 求 ；同时封闭式储煤场较筒仓而言投资少。 参考文献 [ 1 ] 朱碉莉 ，王德 锋 ，王朝 霞．特宽 型钢结构 输煤栈 桥的设 计 [ J ] ．煤炭工程 ，2 0 1 4 4 3 7 3 9 ． [ 2] 许涛 ，叶志 坚 ，王振 江．三河 口煤 矿输煤 栈桥 加固设 计 [ J ] ．煤炭工程，2 0 1 3 s 2 1 0 2 1 0 ，1 0 6 ． [ 3 ] 夏卫国 ，王凤祺 ，张锐．钢结构输煤栈桥设计及力学 问题分 析 [ J ]低温建筑技术 ，2 0 1 4 9 8 58 6 ，9 1 ． [ 4 ] G B 5 0 5 9 2 --2 0 1 0 ，煤矿矿井建筑结构设计规范 [ s ] ． [ 5] G B 5 0 0 7 7 --2 0 0 3 ，钢筋混凝土简仓设计规 范 [ s ] ． 责任编辑杨蛟洋 上接第3 2页 了风机运行和操作的绝对可靠性。传动系统采用一拖二变 频器，而不采用一拖一变频器 ，节省了空间并 降低 了设备 投资成本。 3 ． 2配 电 系统 设置正反转控制柜和直接启动柜，当高压变频器故障 时，可以直启通风机，并且可以反风运行；正反转控制柜 采用三相五极柱式真空接触器 ，防止正反转切换时由于触 头粘连引起的短路故障，提高了系统安全运行的可靠性。 母联柜中设置无扰动切换装置 ，此装置监测到工作 电源故 障时，可以快速合上母联开关 ，利用热备电源给通风机供 电 ，通风机可 以不 停机连 续运 行 ，减小 了 由于 电源切换 对 母线电压和通风机机械设备造成的冲击。 4结语 该电控系统中高压变频器采用一拖二的驱动方式。达 到了节约变频设备投资的 目的；P L C控制系统为主从冗余 设计 ，一台工作，一台热备，提高了控制系统的可靠性； 智能上位监控系统设有一台主控机 ，一台监视机 ，实现了 冗余设计。该电控系统已调试完毕，投入运行，经实践证 明，该电控系统实现了通风机控制精确、系统可靠性高、 操作简单、运行稳定 ，为煤矿创造了较大的经济效益 ，同 时保证了矿井的安全生产和工作人员的生命安全，具有较 高的推广价值。 参考 文献 [ 1 ] 顾永辉．煤矿 电工手册 第三分册 [ M] ．北 京 煤炭工业 出版社 。1 9 9 9 ． [ 2 ] 天津电气传动设计研究所．电气传动自动化技术手册 第 2 版 [ M] ．北京 机 械工业 出版社 ，2 0 0 6 ． [ 3 ] 卞绍顺．高压变频 器在 煤矿主 通风系 统中 的应 用 [ J ] ．变 频器世界 ，2 0 1 2 7 5 1 5 3 ． [ 4 ] 郭宗仁．可编程序控制器及其通信网络技术 [ M] ．北京 人民邮电出版社 ，2 0 0 0 ． [ 5 ] 易继锴．电气传动自动控制原理与设计 [ M] ．北京机械 工业出版社 ，1 9 9 7 ． 责任编辑赵巧芝 3 5