煤矿通风机变频调速技术的研究与应用

2022-03-24李玮璐

机械管理开发 2022年1期

李玮璐

（晋能控股集团有限公司王村煤业有限公司，山西大同 037003）

引言

矿井空气通风机系统是保证煤矿安全清洁生产的重要关键设备, 矿井空气通风控制系统为综采矿井工作区表面的“肺”，将新鲜空气送到工人工作区，并将有害粉气体排出，从而快速高效地降低有害气体的浓度。由于因井下空间密闭通风条件差，为了一线矿工的身体健康，通风机必须24 h 连续作业，所以大负荷装备必然会导致电能的大量损耗[1]。

因此，需要控制通风机来把控风量，通过不断提高通风机的自动化工作程度，来实现节能降噪。

1 通风机调速技术方案

1.1 手动操作调速

1.1.1 恒速改变叶扇风门角度调节风量

对于双轴流式叶扇通风机来说，通过转速增大叶扇通风机构和叶片的旋转角度大小来同时调整叶扇风压，也就是能够通过转速改变叶片和轮片的齿数大小来同时调节叶扇风量。但是需要通风机停机后才能够进行调整设备，需要长时间的调整才能实现，没办法实现平滑调节的通风量，也不能随时随地根据通风状况进行改变。

离心式的通风机指的是通过手动调节整个通风机口的整体形状及其通风道口的大小，或调节通风机管道里手动开关的风口开启关闭程度，手动调节减小了通风道的流动横断面，以直接增加风道通风的流动阻力，从而直接改变了整个通风机组管网系统的性能特性变化曲线，最后再用来直接改变整个通风机组在生产工作时的状态，以此来实现整机风量的自动调节，这种手动调节风量方法其实是一非常不利的符合市场经济性和缺乏可操性[2]。

1.1.2 变速调节风量

通过变速改变驱动通风机的横向转轴角和旋转运动速度，改变驱动通风机自身的各种特性运动曲线从而调整了通风量的大小，有效地调节通风机性能。

1.1.3 调节风门与变速改变风量方法对比分析

图1 中，曲线1 是在最大转速时风压与风量的关系曲线，曲线2 是风门完全打开时的关系曲线。上边的1、2 两条曲线的相交的点A 代表自然工况点，此时的风压为Hl风量为Ql。当煤矿井下的真实通风量为Q2，此时可调节风门得到曲线3，与线1 的相交于B 点，得到风量Q2，风压也就升到了H2。也能够调整风机转速特性曲线得到曲线4，曲线4 与曲线2 相交于C 点，得到风量Q2，风压降至H3。如果假设在ABC 三个工矿点运作，通风机和相关配套机械装配效率相等，则相应工矿点运行时的风量与风压的积成正相关。从图上可以很明显地得出，PB比PA稍小，PA却远大于PC。可以得出，通过调节转轴转速消耗的能源比调节风门发小消耗的小[3]。

图1 工况性能曲线

1.2 通风机的变频调速原理

根据上述情况分析，本机的系统控制工作模式主要包括电机手动控制两种模式和电机全自动控制两种模式。在这种全自动控制工作模式下，下页图2中为PLC 自动控制变频通风调速原理图如下[4]：

图2 PLC 控制变频调速原理图

由于通风机中的电机为驱动异步电机，因此其同步转速与电机供电驱动电源工作频率间的相对关系主要可以用以下几个公式进行表述：

式中：n 为驱动转速；n0为驱动同步转速；s 为转差率；f 为电源频率；m 为电机的极对数。

由流体力学公式，推导出风量、风压、轴功率与转速之间的关系如下[5]：

式中：Q 为通风机输出风量；n 为转速；P 为通风机功率。

由上式计算得出，通风机的排风量、风压、风轴功率与风机转速、转速的平方和转速级的三次方成正相关。当风机排风量按平方减小时，转速按平方减小，风机风压轴功率按风机转速的三次方减小，真正达到用变频风机调速通风节能的目的，降低整机的能耗。

2 通风机变频调速技术的实际应用及优势分析

为了验证PLC 变频调速风机的优良性能，在矿井地面安装了两台变频风机，其中一台作为备用，当一台发生故障时，系统就会自动切换到备用系统，保证风机正常运行安全性能提高。根据矿井用风需要，可调节风机不同转速，使风机工作点高效运行，降低风机能耗。

由图3 可知，当风机最高转速为764 r/min 时，排风量是370 m3/min，运行效率仅有60%。此时运行效率低，经济效益差。要想将运行效率提升至80%以上，就要采用PLC 变频调速系统调节至最佳工况点。图3-1 中M1点的运行效率极低，M3点运行效率很好，M2点运行效率在两点之间。M3点处转速为450 r/min，工作频率与风机固有频率接近，可能会带来不利影响，故最佳工况点为M2，此时转速为500r/min，其性能曲线为图3-2。