煤矿主扇风机应用高压变频器的节能技术改造

赵 俊

(潞安集团 潞阳麦捷煤业有限公司，山西 晋中 045400)

潞安集团潞阳麦捷煤业位于山西省寿阳县城北解愁乡荣家沟村东，行政区划隶属于山西省晋中市寿阳县解愁乡管辖。矿井设计生产能力为150万t/a，属高瓦斯矿井；主扇通风机房装设2台同等能力的对旋轴流通风机，1台工作，1台备用，每台风机配套两台10 kV异步电动机，电机功率为2×500 kW。矿井通风方式采用机械抽出式，通过控制蝶阀的开闭状态，实现风机正常供风。

1 原系统存在的问题

1) 原主扇为矿建初期安装，已经服役25 a，工作年限已基本达到设计服役年限，另外该设备厂家已经停产，相关配件无法替换，设备维护保养存在严重问题。

2) 原主扇采用高压直接启动的控制方式拖动设备，启动电流大，对上一级变压器冲击大，存在安全隐患。每次倒换风机过程中必须将一些井下用电量大的负荷停止，风机切换完成后等到风机运行平稳才能再启动井下其他大型设备，给正常生产造成极大不便。

3) 设备运行效率低，风量不能灵活调节。风量调节需要机械调节风叶角度来实现，叶片角度调节不方便、不准确。

4) 故障情况下，倒机困难，容易出现倒机失败，造成重大安全事故。原有主扇风机遇到紧急掉电、电网波动时，风机容易停机，而且停机后紧急启动存在启动困难问题；伴随矿井生产建设延伸，负荷加大，设备的能耗也逐步增加。

2 技术改造方案

根据原有主扇风机存在的问题，对各种方案进行对比分析，最终确定采用变频器拖动控制主扇风机，具体方案如下：

1) 主扇风机设备选型。根据麦捷煤矿年产量，目前井下所需风量约为9 000 m3/min,按照井下通风需求曲线计算及矿井发展需求，选择供风量在7 200～15 300 m3/min的对旋式轴流通风机，设计服役年限为30 a。电机部分：供电电压为10 kV，额定功率为500 kW，采用变频器专用电机，支持从0～50 Hz连续调节运行；电气部分：配电系统采用双回路10 kV高压供电外加一台柴油发电机备电，三保险的供电模式确保供电系统的稳定运行，采用KVN20-12型高压柜体，选用ABB智能断路器；电机拖动部分采用西门子高压变频器作为启动装置(型号为6SR4502-5MB38-0BF1)；电气传动系统采用1台变频器驱动1台电机的方案，共配置四台变频装置，电压为10 kV输入/0～10 kV输出；两套变频器配套切换柜，当在用风机变频器出现故障时，备用风机的变频器能立即投入运行。

2) 控制工艺设计。根据对旋风机设备工艺特性，认真分析设备的各个环节，结合2016新发布的《煤矿安全规程》要求，在新风机系统中采用一键切换控制工艺及故障自动切换控制模式，实现风机切换过程不停风，采用计算机结合PLC的模式，通过上位机下发命令，由PLC执行与数据采集来实现设备控制。在切换过程中，通过对两台蝶阀精准开关控制与变频器配合的逻辑，先低频运行备用风机，正常后系统完成自检，下达切换蝶阀命令，关闭在用蝶阀，同时打开备用蝶阀，降低在用风机运行速度，在蝶阀开关到位后，在用风机停运，备用风机按照预设频率运行。

3) 方案实施。经过前期的项目考察与技术论证，最终确定设备厂家，在2018年11月至12月连续安装，于12月24日设备具备试运行条件，经过单机72 h稳定运行后满足投运条件，各方组织验收合格后进行了风机投运前的性能测试工作，随后在1月3日正式运行。

改造后风机电控系统满足智慧矿井建设无人值守的技术要求，运行过程中实时监测风机系统的全部参数，包括运行电流、电压、频率、功率、轴承温度、设备振动、系统负压、全压、风量等。风机在各种工况下，均能有效控制风机的启停，调节风机的速度，降低快速启动/快速停车过程对机械和电气系统的冲击，抑制对机械设备造成的危害，延长风机的使用寿命。

3 现场实际运行分析

3.1 改造前后功率分析

为了验证技改后的实际效果，将改造后的风机的运行数据与同期原有风机记录的数据进行对比分析，具体数据见表1。

表1 风机运行数据对照

由表1可以看出，在同等通风风量的条件下，原有高压工频运行下风机运行电流比较大，随着风叶角度的增大，电机负载也在逐步加大，在最大角度下运行的输出功率几乎接近电机额定功率；相反，改造后的风机输出功率明显下降，运行频率在30 Hz和35 Hz下效果最为显著，为原有负载的35%左右。

3.2 改造前后节能分析

在相同的风量不同频率条件下，对比分析实际工频运行与变频运行的能耗，以+3°条件为例：

1) 工频消耗功率比值P1= (工频运行电流 / 额定运行电流)×(额定功率 / 负载功率)×100% = (49.49/76.6)×(1 000/698.6)×100% = 92.48%；

2) 变频消耗功率比值P2= (变频运行电流 / 额定运行电流)×(额定功率 / 负载功率)×100% = (36.4/76.6)×(1 000/380)×100% = 125.1%；

3) 节电率为：(变频消耗功率比值P2- 共频消耗功率比值P1)/工频消耗功率比值P1= (125.1%-92.48%)/92.48%=35.3%。

由以上计算数据可知，在技术改造后节电率明显上升，变频器驱动对于电能利用效率明显提高，节能效果明显。

3.3 改造前后优势分析

1) 在主通风机拖动使用变频调速后，减少了以往因为井下所需风量变化而需要人为去现场调整风机扇叶角度的工作量，现在只需要通过修改变频器频率就可以实现风量调节，而且变频驱动，设备运行平稳。

2) 变频启动操作简单方便，“一键启动”准确快捷，减少了煤矿通风机每月主备风机切换的时间，消除了人为操作不当造成的停机事故。

3) 改善了煤矿主通风机设备运行工况。采用变频控制后，减小了电机启动时电流冲击，避免了全磁通突加，使启动电流不会超过额定电流。因此，风机变频运行解决了以前电机高压直接启动时的大电流冲击问题，消除了启动电流对电机和传动系统的冲击，确保了风机的平稳运行，延长了风机使用寿命。

4 结 语

麦捷煤业主扇风机通过高压变频器节能技术的成功改造，解决了以往高压直接启动的诸多弊端，而且节能效果显著，值得类似矿井借鉴。