摘要：本文通過介紹某煤礦變頻驅動主通風機自動化系統(tǒng)的組成及方案實施，指出煤礦主通風機采用變頻驅動不僅可以長期安全可靠運行，而且能為企業(yè)帶來良好的社會經濟效益。

1概述

    煤炭工業(yè)堪稱我國第一能源工業(yè),既是產能大戶,又是耗能大戶,同時也是節(jié)能潛力大戶，煤礦主通風機也是煤礦生產的耗電大戶。煤礦通風機節(jié)能技術措施多種多樣，目前國內采用的風機調節(jié)方式主要有三類：通風網(wǎng)路調阻、通風機結構調整及調速節(jié)能。而采用調頻調速的變頻技術對現(xiàn)有用電設備進行節(jié)能改造，是解決我國煤炭工業(yè)高消耗、低效益的根本措施。

    煤礦開采遵循以風定產的要求，有多大的風量就允許有多大的開采量，風量隨煤的產量的增加而增加。在采煤作業(yè)中瓦斯隨著煤的開采不斷地涌出，涌出瓦斯與煤的開采量呈正比，而保障每個煤礦工人正常工作所需的新鮮空氣也與煤的開采量呈正比。

    在實際的能源開采中，會隨著生產周期的延長而擴大開采范圍、加深開采深度，故對風量的需求也會有一定的變動。另一方面，隨著年復一年的礦井生產，其生產能力也會減弱，此階段礦井對風量的需求則會越來越小。

    由此可見，煤礦生產過程中對于通風量需求的變化就為生產節(jié)能提供了非常有利的條件。

2煤礦通風系統(tǒng)介紹

    礦井通風系統(tǒng)的主要功能就是趕出或者是通過通風稀釋礦井下由于能源開采產生的有害氣體和粉塵，以保證工作人員能夠有健康的工作環(huán)境。此外，通風系統(tǒng)還可以調節(jié)煤礦井下的溫度，切實改善井下工作環(huán)境，由此可以保障煤礦工人身心健康，以及采煤設備的正常運轉，如圖1所示。

    通風系統(tǒng)有三種形式。一般根據(jù)礦井的深淺、礦井周邊地理情況及開采能源自燃情況嚴重與否等，采取抽出式、壓入式或抽壓混合式通風系統(tǒng)中的一種。

    通風系統(tǒng)由通風網(wǎng)絡和通風動力設備以及相關的控制設施組成。風流由進風井進入井下，有害的氣體隨氣流由回風井排出，從而保證井下作業(yè)的安全。

    煤礦通風網(wǎng)絡是由進風井、回風井以及井下縱橫交錯的巷道構成的一個復雜系統(tǒng)，井下通風系統(tǒng)的網(wǎng)絡結構隨著生產過程的推進而不斷發(fā)生變化。隨著煤礦井下開采工作的進行，采區(qū)會有與準備、投產、結束、接替相關的工作變化，采掘工作面也會出現(xiàn)不斷推進、收縮和接替的工作進程，另外煤礦井下巷道的開拓延伸和通風構筑物的變化等諸類工程都會引起通風系統(tǒng)的網(wǎng)絡結構發(fā)生不同的變化，這樣也就難免會影響了煤礦井下通風參數(shù)，如風量分配、瓦斯?jié)舛鹊染唧w參數(shù)將會發(fā)生變化如圖1所示。

    一般地，礦井配備兩臺主通風機，其中一用一備。通風機有單電動機通風機和雙電動機通風機兩種，單電動機通風機只有一組風葉，由一臺電動機驅動。主通風機的形式采用較多的包括離心風機、對旋風機、軸流風機三種。其中，對旋風機為雙電動機通風機，其每臺通風機含兩臺電動機，兩臺通風機共四臺電動機，其結構示意圖如圖2所示。

    在煤礦生產中，所需風量風壓在不同階段有不同的要求，為滿足生產要求，煤礦風機通常采用以下幾種方法調節(jié)：

    （1）閘門調節(jié)；

    （2）改變通風機轉速；

    （3）改變通風機葉片角度；

    上述方案中以閘門調節(jié)效率最差，它是人為的改變阻力曲線，增加風阻，越調節(jié)性能就越惡化；改變通風機葉片角度，可改變風機的特性曲線，使風機在較大范圍內以相對較高的效率運行，以達到節(jié)能降耗的目的；改變通風機轉速，使其在最佳工況點運行，使風機在最大的范圍內以最高的效率運行，節(jié)能效果最好。

    高壓電機要實現(xiàn)調速，主要采用以下三種方式：

    （1）液力耦合器方式。作為液壓調速方案，它的維護工作量較大，效率也較低。

    （2）串級調速。因為采用繞線電機，滑環(huán)維護工作量大，屬于落后技術。

    （3）高壓變頻器。隨著高壓變頻器技術成熟，性價比越來越高，越來越多的場合開始采用高壓變頻器。

3系統(tǒng)方案

    本文要介紹的某大型煤礦主扇風機為兩臺對旋軸流風機，型號：FBCDZ-8-NO28，額定轉速740rpm；每臺風機配用電機功率：2×630KW，電機電壓：10KVAC,額定轉速740rpm；總回風量：11500m3/min，總進風量：11200m3/min，因為巷道延伸或工作面布置的關系，用風量可能實時變化。作為煤礦安全生產最為關鍵、重要的設備之一，主扇風機選用西門子完美無諧波系列高壓變頻器作為它的驅動系統(tǒng)。

3.1設備組成

    該礦變頻驅動主通風機自動化控制系統(tǒng)設備組成情況如下：

    ●風機：對旋風機2臺

    ●電機：防爆4臺

    ●箱式風門：和風機對應2套

    ●液壓站：和風機對應2套

    ●高壓配電系統(tǒng)

    ●切換柜

    ●變頻器：完美無諧波變頻器4套

    ●低壓配電系統(tǒng)

    ●直流屏

    ●UPS柜

    ●PLC柜

    ●控制臺

    ●監(jiān)控計算機

    ●相關傳感器

    變頻驅動主通風機自動化及流拓撲結構圖如圖3所示。

3.2主回路

    該項目兩臺主通風機采用對旋式風機，風機為雙風扇雙電機結構，共四臺電機。變頻器采用西門子完美無諧波系列高壓變頻器共4套，變頻器輸入電壓10000VAC，輸出電壓0-10000VAC，輸出電流70A，功率800KW。

    系統(tǒng)的供電電源分為動力供電和控制系統(tǒng)供電兩部分。動力供電來自不同的動力開關柜，兩路電源引自不同的母線段，保證動力供電的可靠性。

    變頻器與電機的回路設計上增加一臺切換柜，當某臺變頻故障時，可以采用其他備用回路的變頻臨時驅動，當該變頻檢修完成再按照原來回路正常投入使用如圖4所示。

3.3控制系統(tǒng)

    為了增強系統(tǒng)可靠性，本項目采用西門子S7-412H冗余控制器作為主控制器，采用PROFIBUS-DP通訊方式與高壓變頻器通訊。控制電源一路由動力開關柜內的降壓變壓器獲得，作為主供，另一路由不間斷電源（UPS）提供作為備用。

    該PLC系統(tǒng)與上位機操作站、現(xiàn)場傳感器、變頻器以及其他設備一起組成風機自動化監(jiān)控系統(tǒng)，完成如下功能：

（1）遠程操控功能

    上位機操作站操作員通過鼠標點擊操作，控制風機系統(tǒng)的遠程起停、切換以及反風操作，系統(tǒng)按照各設備的連鎖關系順序自動運行。

（2）主機與輔機聯(lián)動、自動控制功能

    風機可與風門等輔助設備自動聯(lián)鎖控制，實現(xiàn)自動停車、風機自動切換。采用自動控制可使風機切換時間由人工控制的10分鐘降低到3分鐘，大大提高井下供風的可靠性。

（3）自動反風功能

    根據(jù)操作規(guī)程，可實現(xiàn)自動反風操作。

（4）在線監(jiān)測顯示功能

    在線監(jiān)測風機運行參數(shù)并分析和報警。如出現(xiàn)重大事故，可自動啟用備用風機。一方面對設備的運行狀態(tài)和運行參數(shù)進行監(jiān)測，另一方面是對于通風運行參數(shù)如風量、風壓、瓦斯?jié)舛?、風流溫度等的監(jiān)測，并將參數(shù)上傳至監(jiān)控計算機，和煤礦生產調度系統(tǒng)相接。

    （5）其他如報表、打印、存儲等功能

4項目中的要點難點分析

4.1關于系統(tǒng)的可靠性問題

    煤礦主要通風機的長期可靠穩(wěn)定運行以保證礦井足夠的風量，是煤礦通風安全控制的關鍵一環(huán)。所以在風機變頻系統(tǒng)的設計方面，考慮最多的就是如何保證風機系統(tǒng)可靠運行。

    除上述在供電電源、主回路設計，以及控制系統(tǒng)的設計方面考慮冗余功能外，變頻設備本身的可靠性也必須非常高。西門子GH180完美無諧波變頻系統(tǒng)在安全可靠方面具有非

    常好的設計優(yōu)勢：

    ●采用功率單元串聯(lián)結構，功率單元模塊化設計，采用IGBT、二極管等成熟可靠高的低壓器件件，可靠性非常高

    ●具有功率單元旁路技術，旁路時間在250ms以內的自動旁路技術可以從物理上完全旁路掉故障功率單元，而且具有三相線電壓平衡(中心點漂移)技術，允許每相有不同的功率單元數(shù)量

    ●在電源適應性方面，允許電網(wǎng)±10%波動，電源電壓低至55%～90%之間，仍可降容使用

    ●自動再啟動功能，系統(tǒng)有瞬時停電電源恢復后的自動再啟動功能，能很好地避開雷電或其他負載變化所造成的電

    源瞬時波動現(xiàn)象

    ●旋轉負載功能，允許變頻器測定已經處于轉動狀態(tài)的電機的速度，憑此變頻器可以輸出與電機旋轉頻率相同頻率的電壓，使得變頻器供電時對電機的沖擊最小

4.2風機切換操作

    按照有關的規(guī)定，煤礦每一年都要進行井下的反風演練，這樣做就是為了保證災害發(fā)生的時候，通風機能夠迅速的進行反風操作，為煤礦井下提供充足的反風量。而變頻器驅動電機的方案，可以很方便地實現(xiàn)反轉。通過人機界面的操作使主通風機先減速到零，然后反轉到負頻率轉速，這樣既減少了人工操作的工作量和誤操作幾率，又提高了反風安全性。

    此外，在煤礦實際生產過程中也不可避免地會出現(xiàn)礦井主通風機定期或不定期地檢修倒機和故障倒機操作，而過長的倒機時間是一般高瓦斯、高突礦井所不能承受的。變頻驅動通風機自動化系統(tǒng)則能非常方便地實現(xiàn)“一鍵式”操作倒機和自動識別運行通風機故障的自動倒機功能，可以實現(xiàn)礦井主通風機的快速切換，將倒機時間由傳統(tǒng)設備的10分鐘縮短到1～3分鐘左右。

    倒機操作能有效縮短時間的關鍵點就是風機的啟停如何與風門協(xié)同配合。操作過程簡述如下：

    反風操作：調整1＃風機減速——1＃風機降到50轉/分后抱閘停車——調整1＃風機使其開始反轉啟動——風機達到額定轉速——風機進入正常反風工作狀態(tài)。

    倒機操作：調整1＃風機減速——1＃風機降到50轉/分后抱閘停車——關閉1＃風門——開動2＃風門——風門開啟1/3時啟動2＃風機——風機達到額定轉速——風機進入正常工作狀態(tài)。

4.3風速調控方案

    煤礦通風控制系統(tǒng)中使用的變頻技術可以對風機的轉動速度進行控制。通風機的出風口位置安裝了風速與壓力的傳感器，根據(jù)兩個傳感器發(fā)出的信號對煤礦通道的具體通風情況做出判斷。在風速不能達到通道的通風標準時，可以迅速地對通風機的運轉速度實行調整，保證煤礦安全生產要求。通風機控制系統(tǒng)對于風速沒有比較嚴格的要求，風速的合格范圍還是比較大的，一般不需要頻繁地對風速進行調控。

    另一方面，控制系統(tǒng)與瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)，當井下采煤工作面瓦斯突然涌出時，通過瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)自動調整變頻器工作頻率，提高主通風機轉速，及時沖淡瓦斯?jié)舛龋ＷC安全生產。

4.4社會經濟效益分析

4.4.1軟啟動功能帶來的經濟效益

    眾所周知，變頻器具有良好的軟啟動功能。根據(jù)主通風機的電氣參數(shù)確定最佳的S加速曲線，可以達到最佳的軟啟動效果，啟動電流小，啟動過程中的節(jié)電效果好。

    此外，軟啟動功能還保證機械系統(tǒng)沖擊降到最低，降低維護維修成本。

4.4.2調速功能帶來的社會經濟效益

    目前各類型主通風機大都具有葉片可調的功能，但如果僅采用調整扇葉角度的方法，電機的轉速仍然是額定轉速，而礦井通風系統(tǒng)的工況點隨著不同生產時期變化而變化。在轉速不變的情況下，一臺主通風機沒有辦法兼顧各個時期的工況，尤其在某些時期風機的工況點是在低效率區(qū)，此時僅靠調節(jié)扇葉角度調整工況點能耗仍然較大。所以采用變頻調速技術后，可以和調整葉片角度功能互相配合使用。按照井下所需風量和風壓大小，預先調整通風機葉片處于最佳的角度，再根據(jù)主通風機特性曲線選定最佳工況點和主通風機轉速，最后確定變頻器的運行頻率，這樣可以達到最經濟的運行工作點。因為我們知道，只要實際運行的頻率低于50Hz的額定頻率，就具有節(jié)能的優(yōu)勢，尤其是風機這類平方轉矩負載。

    因為變頻調速的采用，也減少了傳統(tǒng)停機調節(jié)扇葉角度的次數(shù)，大大提高了礦井通風安全的系數(shù)。

    此外，通風機運轉速度下降后，改善了設備運轉部位的潤滑條件，減少了傳動裝置的故障。

4.4.3縮短倒機時間帶來的社會經濟效益

    煤礦主通風機倒機時間大大縮短，就會大大減少因倒機期間通風中斷、風流紊亂造成的瓦斯積聚、瓦斯超限現(xiàn)象，消除了安全隱患，提高了整個通風系統(tǒng)的安全可靠性，有效地保證了煤礦的安全生產，具有積極的社會效益；同時由于消除了風機倒機期間瓦斯超限的問題，也節(jié)省了原來因為瓦斯超限而必須進行瓦斯排放所浪費的時間及人力物力，可以實現(xiàn)節(jié)約創(chuàng)收的經濟效益。

5項目運行

    該系統(tǒng)在2010年底改造投入使用后，運行情況良好，系統(tǒng)可靠穩(wěn)定。在多年的運行過程中，切換柜甚至從來沒有使用過。按照當前該礦的生產情況，系統(tǒng)運行在41Hz，電機功率315KW，電流41A。圖5所示為2#風機實時監(jiān)控畫面。

6應用總結

    隨著我國供給側結構性改革的大力推進，過去那種超能力、超強度開采、井下作業(yè)人數(shù)多而效率低下的生產方式會逐漸優(yōu)化，對煤礦機械化、自動化程度的要求也會逐漸提高。在此背景下，煤礦通風系統(tǒng)進行變頻驅動自動化改造也會成為一種現(xiàn)實的要求，而自動化程度的提高也會為煤礦的安全生產提供強有力的保障。

    上述案例中，變頻驅動主通風機自動化控制系統(tǒng)主要實現(xiàn)了自動化運行、控制、報警等功能，我們還可以在此基礎上進一步開發(fā)通風機故障預警專家系統(tǒng)，為煤礦安全生產保駕護航。利用自動化系統(tǒng)實時監(jiān)測的包括風機風壓、風量、轉速、軸溫、通風溫濕度和三項振動以及電機電參數(shù)、轉速、軸溫和三項振動等多種參數(shù)，進一步根據(jù)風機機械設備事故診斷原理，通過建立一定的數(shù)學模型，形成通風機故障預警監(jiān)控系統(tǒng)，提前對潛在故障進行診斷分析預警，發(fā)現(xiàn)通風機損壞程度的細微變化，從而提出維修建議，不僅可避免通風機的計劃外停機，還可提高通風機的利用率和礦井的生產效率。