主通风机的应用与节能效果的研究

葛 鹏

(阳煤集团长沟煤业有限责任公司，山西 晋中 032700)

1 新型通风主机优势

某煤矿引进安装了一台1250kW主通风机，其型号为FBCDZ-10-NO38/2×1250kW，主要控制元件为变频控制器。该设备无论是机械机构还是控制系统与传统风机相比都有很大优势：

1)综合提高熵增能力的理论基础之上，使用最优集中控制理论，压力梯度在准正交风向得到确认的基础上，对动叶片和静叶片的曲线设计进行了优化，叶轮直径、轮毂比、叶栅稠度、流线型等重要参数都进行了最优设计；叶栅翼型的加载规律采用分布参数控制理论进行计算，以达到最理想的工作状态；采用全三维法夫拉平均N-S方程求解叶片曲面的气动正交、几何正交相关条件及其准则，得出弯掠量的最佳分布形式；采用计算机平面辅助设计和三维建模分析，优化元件的加工工艺。对风机各个部件进行多次坐标测量，根据每次测量结果不断修正，使其气动性和工作效率大幅度提升。

2)变频控制的引用，可以使用高压变频软启动的控制方式，根据叶片角度进行控制调节，随时根据井下环境的需要对风机的转速进行调整，使通风效果达到最佳，使得通风机工况点处于高效区运行，同时实现通风机电机的软起动及软停车。

3)风机叶片材质选用复合型铸铝合金，结合弯掠组合正交型三维扭曲叶型技术，该技术降低了叶片的厚度，降低了自身负荷，同时叶片自身强度却更高，这使得整体技术参数可以进一步优化，提升风机工作效率；叶片刚度增大，更不容易产生形变，其他部件也更容易组合搭配，提升了风机运行的稳定性；叶片材质选用特殊的铸铝材料，这种材质非常耐磨并且不会被氧化腐蚀，与其他零件和物体发生摩擦时不会产生静电和火花，所以运行无损耗、使用寿命长、防爆性极强；在叶轮转轴位置安装了护圈，避免杂物进入叶轮筒，与附件摩擦产生火花，再次增加了防爆性能。

4)采用双变频器控制模式。由于井下工况环境恶劣，变频器极易出现故障，当一台变频器发生故障，系统将自动无差别地切换到备用变频器进行接替控制，并对人机控制界面发出控制器故障代码，提醒工作人员及时做好维修工作。

2 变频控制系统工作方式

本次控制所采用的主要元件是变频器，可以采用一台控制器对多台风机进行控制的工作模式，变频器可以根据需要随意转换控制所有风机，与改造前一台变频器智能控制一台风机的运转模式相比，可以解决单台风机长时间运转的状态，可以保证供风的稳定性，两台风机可以工作、备用，按照一定的设定频次相互转换，提高了供风系统的可靠性，使煤矿井下生产工作现场持续获得新鲜空气。变频器可以通过调节电源频率来改变电动机的转速，所以通过变频控制可以实现电机从零速逐渐启动，逐渐加速至风机的工作转速，这个控制过程与改造前相比，大大减小了启动冲击，节省了电能，简化了控制流程。尤其是此次改造还采用了直接转矩控制技术，使整个起动过程都进行了量化处理。在建立的转矩控制系统中有自适应控制模块，该模块是让异步电机随着实际工况进行自动调节。因为异步电机在实际的工况中结构特性并不明显，所以使用数学模型进行表达是一个比较复杂的计算过程，与接转矩控制技术对应的数学模型是离散法，需要将电流的矢量输出进行分解为转矩和励磁做功，再使用系统内调节器进行调节，通过以上过程就可以实现对电机转速和转矩进行控制，也就是变频控制器对异步电机的自动调节控制，这可以有效提高通风主机在工作状态下的稳定性和安全性。

使用变频控制还可以解决两台电机做功不平衡的问题，一台风机中同时需要安装一级电机和二级电机，两台电机做功一致的情况下，风机的排风效果最佳，变频器与控制程序的调节下，可以将转速、转矩两个变量中的一个作为输出的基准，对另一个变量进行微调。例如，将转矩作为基准，电机的转矩将会保持稳定，而转速则会围绕一定的数值上下浮动；反之，转速保持稳定，转距则会围绕一定的数值上下浮动，这样就可以保证两个风机运行参数完全被可控，将一级电机的基准参数作为二级电机的调整基准，二级电机的参数调整就会围绕一级电机的参数变化得以调整，这样就完全实现了两个电机的做功一致性。

3 新系统的节能分析

在两个风机供电线路上接入电功率测量表以及综合自动化单元，通过这两种仪表可以测量两个主通风机工作状态下的电流、电压等功率参数。同时需要对两个风机产生的负压值进行检测，采用的是U型玻璃管以及4个煤矿用压力传感器，4个传感器分别测量两个通风主机的全压和负压。

1)改造前使用的是4台YBF560M-8F风机，两个风机工作，另两个风机备用，其性能参数见表1、表2。

ACS5000变频器性能参数如表3所示。

表1 改造前风机性能参数表

表2 改造后风机性能参数表

表3 变频器性能参数

由于改造前后风机产生的风量和消耗的电功率都是不同的，所以不能直接以消耗电能的多少直接进行比较，需要转换成一个统一能量参数进行比较，本次对比实验采用的是年用电量与年产风量的比值作为对比参数，年用电量为Y、年产风量为Q，则节能量E=(Y旧/Q旧-Y新/Q新)×Q新，改造前后年产风量和用电量见表4。

表4 改造前后年产风量和用耗电量

节能量计算如下：

E=(Y旧/Q旧-Y新Q新)×Q新=[600×104(/9×60×24×356)-756×104/(16×60×24×356)]×16×60×24×356=311×104kW·h。

因此，改造后相对改造前每年节能为311×104kW·h，能量与标准煤的折合系数为3.4，所以折合节约标煤311×3.4=1057.4t。

4 结语

改造后对通风主机采用了变频自动控制，不仅在结构和材质上进行了改善，而且使用了变频软起动、一对多控制、备用控制无差别接替等多项先进技术，使通风系统更稳定、安全，而且节省了相当可观的电力能源，对井下煤炭开采的安全生产和抗灾能力的提升具有重要意义。