主通风机分时变频控制技术的研究与应用

2020-09-21顾新宇李小玉史俊文

中国矿山工程 2020年4期

顾新宇，李小玉，史俊文

(1.山东能源临矿集团会宝岭铁矿，山东临沂 277712； 2.山东煤炭技师学院，山东临沂 276017)

1 前言

据统计，对各类金属非金属地下矿山而言，通风系统能耗占整个矿井能耗的24.4%～40.5%[1]。矿井主通风机的运转是否合理将直接影响矿井的能耗水平。目前国内部分矿山通过调整主通风机的电机运行频率达到了一定的节能效果，但该方法仅限于矿井生产初期通风能力大于生产能力时使用，具有较大的局限性。因此，研究一种适合矿井全寿命周期的主通风机变频控制技术，在满足井下安全生产的前提下采取适当的措施降低通风机能耗，对于提高经济效益，保障安全生产具有显著地意义[2-4]。

2 主通风机分时变频理论的提出

2.1 井下生产情况决定矿井需风量

矿井主通风机的容量是按照矿井最大需风量设计的，因此矿井主通风机基本上处于欠载运行[5-6]。矿井需风量计算主要考虑井下爆破、作业人数、设备功率以及爆破装药量等因素。而对大多数矿井来讲这几个因素是动态变化的，主要有以下两方面的原因：一是大部分矿山井下工作的情况是白班多，晚班少。现在大部分矿山井下主要采、掘、爆破等作业都安排在白天，晚上只是安排少量出矿、维修等作业。二是不同作业工序的需风量不同的，例如矿房大爆破后需要增大风量及时排出炮烟，而交接班时间段井下没有人员作业需风量就很少，这就意味着矿井的总需风量是动态变化的。若一直保持主通风机以固定频率运行，则会造成能量的浪费，最佳的矿井配风模式即根据井下生产需风量动态调整矿井总风量。

2.2 分时变频技术的理论基础

《金属非金属矿山安全规程》(GB 14623—2006)6.4.3.1中规定：“当井下无污染作业作业时，主扇可适当减少风量运转；当井下完全无人作业时，允许暂时停止机械通风”。即可以根据井下的生产组织安排自动调整主通风机运转频率达到调节矿井总风量、节能降耗的目的。

根据流体力学理论可知，在只改变风机转速的条件下，风机频率n与风压P、风量Q、功率N之间的关系为[7]

随着频率的降低，电机能耗和风量降低变化趋势如图1所示。

针对金属地下矿山通风特点，以通风安全为前提，在一定范围内井下风量越大越好。在尽量降低风机运行功率的前提下实现矿井风量减少量最小，根据图1可知理论上风机运行频率为29Hz时“降低能耗幅度”与“降低风量幅度”的差值最大，即风机变频节能效果最明显，此时能耗降低80.49%，风量仅降低42%。

图1 主通风机功率、风量随频率变化曲线

3 主通风机分时变频控制技术在会宝岭铁矿的应用

会宝岭铁矿通风方式为对角抽出式，副井、进风井、斜坡道进风，东、西回风井回风，主井辅助回风。地面东、西回风井，分别安设了两台DK- 10- №28型对旋轴流式主通风机，风机功率为2×200kW，一台运转一台备用。

3.1 不同时段需风量的计算

根据会宝岭铁矿井下生产组织安排，可以将全天的生产安排与需风量的不同划分为12个时间段，其对应的矿井需风量和需要的主通风机频率见表1。

表1 井下不同时间段需风量及风机频率

3.2 分时变频控制技术的实现

会宝岭铁矿选用一套变频装置可直接拖动任一台风机(2×200kW)运行的(一拖二)模式，可实现在变频状态下，一套高压变频器可在两台风机之间切换，每台风机可在变频运行状态与工频运行之间切换，变频系统如图2所示。

图2 主通风机变频系统控制图

同时在主通风机变频控制系统中设计增加了一套可以分时段定时改变频率运行的程序。在原有系统上基于PLC设计一段程序，首先在上位机上设计输入风机变频运行时间段画面窗口，其次读取西门子S7- 300 PLC的时间。利用RD_LOC_T(读本地时间)模块将读取的当前计算机PC本地日期时间保存在输出OUT中。然后将时间拆为时和分，再利用比较逻辑指令对和上位机输入的时和分分别进行比对，完全匹配时段时则执行变频器的频率增减动作。自动调频界面如图3所示。

根据12个时段频率的变化，理论上可节约24.4%的电量。实际运行过程中每月可节电13万度，节电效果显著。