东风井主通风机系统智能控制改造

李艳辉 董崇军 寇晓明

[铁法煤业（集团）有限责任公司晓南矿]

一、引言

晓南矿东风井主通风机房位于矿外东侧约1000 米处，主通风机系统采用两台同等能力的轴流式通风机，1994 年设备，一用一备。因主通风机运行多年，腐蚀严重，监控功能不能满足矿井通风要求，曾多次出现轴承温度过高，电机轴瓦磨损过快等方面的问题，另外，根据智能化要求，主要通风机需要进行远程集中控制，具备一键启停、一键倒机功能，因此，需要对主通风机进行技术改造。

1.系统组成

通风机系统除主机部分外，还有拖动系统、风门系统、供电系统、润滑系统、远程监控系统等组成。

（1）原风机拖动方式为同步电机，反风方式为调角反风。主电机功率为1250kW/6kV 的同步电动机，采用WKLF-11D型微机全控励磁装置，该形式的缺点是启动操作复杂，运行过程中需实时监视励磁变化情况，并且只能正转，风机实现调角反风，用时较长。

（2）风门系统共三道风门，风机风门采用插板式，钢丝绳拖拉，缺点是拖动过程中易出现卡劲而造成钢丝绳断绳事故；测式风门为水平固定式，测试时需全部打开，另行加阻，测试时间长，加阻困难，人员危险；风道内为平开式折叠风门，为确保通风安全，基本不进行开关操作。

（3）高压供电系统采用KYN28 型高压开关柜，低压供电系统采用MNS 型低压开关柜，单一联络柜，不利于分段检修设备。

（4）润滑系统，原风机主机润滑方式为自润滑方式，由轴承箱内存油确保主轴承的润滑及降温，因此轴承温度较高，夏季最高可达70℃，降低了轴承的使用寿命；电机为非封闭式电机，滑动轴承，故障率高，虽为强制润滑，但是极易造成跑油而影响电机绝缘。

（5）原监视系统只监视基础数据，有超温报警、超压报警等，但未进行PLC 程序控制，无法实现远程操作。

2.存在隐患

该风机于1994 年4 月出厂，除以上系统急需改进外，还存在以下几方面的问题：

（1）风机叶轮主轴和轮毂内孔划伤严重。轮毂内孔油槽在2008 年以前就已经损伤，每次分解大修时，由于油槽损伤，无法使用液压方式拆卸，而且配合过盈量大，拆卸非常困难，导致主轴和轮毂内孔划伤严重，影响配合精度，存在安全隐患。

（2）风机采用轴承箱飞溅润滑，润滑方式落后，润滑不可靠。无直接油位显示装置，通过连通器间接显示油位，存在显示油位与实际油位不一致的可能，存在安全风险。

（3）风机风叶处机壳铜衬板变形，多处出现裂纹，存在安全隐患。

（4）电机励磁绕组、滑环经多次维修，电机轴头经过大修，直径变小，安全性能降低。

（5）制动闸目前为手，操作不便，可靠性低、安全性低。

基于以上原因，现对其进行全面改造，同时为加快矿山智能化建设，增加远程监控等功能。

二、改造方案

1.主机系统

经计算，东风井主要通风机的工况点参数如下：困难时期工况（6480m3/min，3400Pa）；容易时期工况（4980m3/min，2400Pa）。

选型原则首先符合实际工况点参数与实际通风阻力。其次考虑原风机基础不变、风道及扩散塔等基础设施不变。最后考虑实际运行时电机功率与反风功率。最终风机型号选择为GAF21.1-14-1，电机功率选择800kW。主机主要参数：

（1）流量：前期83m3/s 后期108m3/s

（2）负压：前期2400Pa 后期3400Pa

（3）运行工况点风机效率：前期风机装置静压效率：78%；后期风机装置静压效率：80.9%；

（4）转速 985r/min

（5）功率：800kW

（6）运行工况点风机轴功率：前期255kW 后期454kW

润滑方式由原来的自润滑方式，改为润滑泵站供油强制润滑，增强了润滑效果，有效延长了风机轴承寿命，降低轴承运行温度。

2.拖动系统

（1）电机选择

将原系统的同步电机拖动改为异步电机拖动，根据主机参数确定电机型号Y500-6，主要技术参数如下：

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电动机定子绕组、轴承安设测温元件，机体安设测试元件，均镶嵌在相应部位，单独设置接线盒，满足监控需求。

电机制动闸采用电动形式。

（2）异步电机启动压降计算

晓南矿东风井现有2000 米LJ-120 架空线路，如改用异步电动机，通过计算电源正常时，按照计算理论值选择5 倍额定电流能正常启动，选择8 倍额定电流不能正常启动。见以下计算过程。

东风井主电机供电电压降计算：

供电距离L——2000m

电源线为架空铝绞线 LJ-95 截面积95mm2

电机功率P——800kW（初步选定Y5004—6 异步电动机）

供电电压U——6kV

铝电阻率ρ——0.0294 mm2/m

电机额定电流I=P/1.732UcosФ=800/1.732×6×0.8=96.9A

线路电阻R=ρL/电源线截面积=0.0294×2000/95=0.62Ω

电动机启动一般为额定电流的5 倍～8 倍选择计算

电压降 ΔU=IR=（I 小～I 大）×0.62

=（95×5～95×8）×0.62

=（475～760）×0.62

=294.5V～471.2V

启动电压降一般选取5%U=5%×6000=300V

按照计算电机启动为5 倍的额定电流时，可以满足电压降的要求。

3.风门系统

在保持原有风门系统不变的情况下，对所有风门进行更新改造。室内风机风门保留插板形式，传动方式改为齿条传动，将风道内风门及测试风门改造为旋叶式风门，可实现不停风倒机。

此方案具有以下四方面优点：

其一，不停风倒机减小倒机过程对井下通风影响。

其二，在性能测试及备用风机试运时不影响运行风机。

其三，在性能测试时可以通过调整水平旋叶风门实现不同通风阻力测试。

其四，保留原风机插板门作为检修风门，一旦立式旋叶风门故障，可以关闭风机插板门对立式旋叶风门进行检修维护。

（1）风机风门

该风门仍采用插板式，改为齿条传动，解决了原风门传动方式的不利因素。其布置在风机进口、整流环之前，通过过渡段与进风道相连，能在风机停机或维修时将进风道与风机隔开。

风门的传动机构主要由齿轮箱和多回转风门电动装置组成，齿轮箱的进

出轴分别与电动装置和齿轮、齿条组直联。电动装置的电机接到指示（控制命令）先带动齿轮轴转动，齿轮轴带动齿轮和齿条运动，进而达到风门开启或关闭的目的。

该风门设有电子和机械双限位机构，风门电动装置和风门壳体上各带有开度位置指示，防止电机过载；风门启闭可用两种方法操作：电控操作和手动操作；在失电状态时，可用风门电动装置上的摇动手柄启闭风门，确保完成风门启闭。

（2）风道风门和测试风门

将风道内折叠风门和水平测试风门均改为自密式旋叶风门。

风道内风门为立式安装，因此也称其为立式风门；测试风门为水平安装，也称其为水平风门。

自密式旋叶风门的优点：

①自密式旋叶风门开启/关闭速度快，用时短，一般在45 秒内即可完成。

②风门叶片所用钢板采用双层不锈钢316L 材料，叶片设计为菱形对称结构既保证了叶片强度又能减少在风道内的风阻。

③自密式旋叶风门动力由电动执行器提供，可实现远程、就地及手动控制，带有全开/全关限位开关、机械限位挡块、风门开关位置显示装置和位置反馈信号，具有力矩过载和过电流保护装置。

④自密式旋叶风门使用齿轮、齿条传动，机构运转灵活。

⑤风门关闭时应密闭性好，全关时泄露量小于1%。

⑥配有可靠的油温循环快速加热系统，以防止冬季结冻。

⑦水平风门在进行性能测试时，可自动或手动逐步调节风门大小，任意调节风阻，保证风机性能测试曲线的连续性和准确性，同时也大大提高了测试过程的安全性。

（3）反风方式

改造后风机系统具备反转反风与调角反风两种反风形式。反转反风操作简便、反风速度快、反风时电机电流较小，不易发生超电机额定功率情况。调角反风时风量大且不使用反转反风柜，是很好的备用反风方案。

4.供电系统

（1）高压供电系统

采用KYN28-12 型高压开关柜，主授柜2 台、变压器操作柜 2 台、变压器柜（100kVA 干式变压器）2 台、电机正向启动柜2 台、高压联络柜2 台，电机反向启动柜2 台。

将变压器安装在柜内，便于日常检查、维护。增加两台反向启动柜，满足系统实现反转反风条件。

（2）低压供电系统

采用MNS 型低压开关柜，低压授入柜2 台、低压联络柜2 台、低压配电柜2 台。增加一台联系柜，满足日常单线路检查检修需要。

主授开关断路器为框架可抽出式断路器，每个抽屉单元能够就地操作，配启停按钮置。

5.润滑系统

主机润滑方式改为强制润滑，由润滑站供油，电机润滑方式改为自润滑，因新电机为轴承支承，所以无需强制润滑。

主机采用2 台独立的润滑站，每台润滑站采用双泵结构，一用一备，油泵安设于油箱内，设有吸油、排油过滤。

润滑站冷却方式为风冷式，同时配有专用的液压冷油机，两种冷却方式可随意切换，并根据温度自动投入运行。

PLC 就地控制箱可实现开、停泵、故障自动倒泵功能，并与远程集控系统兼容。

6.远程监控系统

主通风机远程控制系统由远程监控站和现场控制站、视频监控系统等组成，能够可靠实现2 台主通风机所有相关设备的远程集中控制、运行工况参数的实时监测和远程视频监控，达到现场无人值守等功能。

（1）远程监控站和现场控制站

系统核心采用西门子最新的SIMATIC S7-1500 系列PLC，远程监控站采用工业级控机主机，现场PLC 控制柜设有液晶触摸屏和控制选择开关。

设备控制优先级为：就地控制→现场集中控制→远程集中控制。

①就地控制：将风机启动柜、油站、风门、水泵就地控制箱等转为就地控制方式，在就地进行设备操作，远程集中控制和现场集中控制无效。

②现场集中控制：通过现场PLC 控制柜人机界面（液晶触摸屏）对主扇风机及相关附属设备进行集中控制操作。

③远程集中控制：通过远程控制站上位机实施远程集中控制操作。

④集中控制方式具备手动、自动控制功能，自动控制模式下，可实现“一键”操作自动按照相关设备的控制顺序及联锁关系，完成风机的启动和停机过程，以及“一键”操作实现两台风机的自动倒机。

⑤具备“故障自动倒机”功能，自动判断运行风机如果出现非正常停机情况，自动启动另一台备用风机。

⑥系统能够准确、实时监测2 台风机各种运行数据并自动保存到历史数据库，对监测参数进行快速分析处理，发现异常情况及时通过风机监控装置发出声、光和语音报警信号，并形成历史报警记录，方便查阅。

（2）视频监控系统

对现场关键场所进行远程视频监控，视频监控探头采用高清网络摄像机，采用DID 液晶拼接屏显示、存储。

现场安装烟雾传感器，接入视频监控系统，全系统设置语音报警提示装置，能够在设备启动前提示人员躲离设备运转部位。

三、应用效果

全部设备经过安装调试、性能测试后，已经投入正常使用，实现了以下目的：

1.新型风机性能以对抗恶劣的地理条件，具有承载能力大，性能稳定的特点，充分满足当前晓南矿安全生产的需求。

2.全部设备安装在不影响矿井正常生产的情况下进行，主体设备保持原基础不动，节省了安装时间，确保了生产安全。

3.主机润滑方式改为强制润滑，很好地解决了原有设备自润滑造成的轴承温升过高的现象。

4.拖动电机改为异步电动机，控制简单、安全、可靠，同时增加反转柜，实现风机的反转反风。电机轴承形式由滑动式改为滚动式，运行稳定、易维护。

5.增加远程监控设备，分级设置，既保留了手动操作的各项功能，更增加了PLC 柜和上位机操作等远程操作功能，实现了程序控制一键启停、一键倒机、不停风倒机等远程控制功能。

6.完善视频监控系统，增加视频覆盖率，完善温度、振动、烟雾等传感器，增加语音提示功能，全面具备无人值守条件。

四、效益分析

1.东风井主通风机原来每班设岗位司机2 名，原班9 人。改造后，具备无人值守条件，可以设一人巡检，减少岗位人员5人。人均工资7.8 万元/年，年节省人工费7.8 万元×5 人=39万元。

2.东风井改造后，电机、风机效率提升，根据高压线路实际消耗电量统计，2020 年3 月份～12 月份主扇消耗电量529万度，2021 年同期消耗电量为465 万度，10 个月减少电量消耗64 万度，估算年节约电量76.8 万度，节约电费55 万元。

3.改造后风机运行稳定，异步电机无易损部件，基本免维护，原来同步电机需经常维修、更换轴瓦，更换碳刷、修理滑环等。每年可节约材料费、人工费10 万元。

4.东风井主通风机改造立项于2020 年，筹建初期，晓南矿还未申请智能化示范矿，国家还未全面推行智能化煤矿的建设。在这种情况下，秉承既然改造必须先进的理念，预见性地提前完成了智能化示范矿建设相关要求，避免了智能化示范矿验收标准下发后，因不符合标准，重新建设的问题。参照2021 年及2022 年中央风井集控改造费用，节约二次改造费用225 万元。

五、结束语

主通风机作为煤矿最重要的大型固定设备，影响着全矿井的安全，主要通风机停运超过10 分钟，井下工作面必须撤人，如果停运更长时间，可能需要全矿井撤人，主要通风机如果不能稳定运行，极易造成重大安全事故。晓南矿东风井主要通风机更新改造，一方面解决了风机故障率高，安全风险大的问题，另一方面利用更新改造的契机，敢于创新，提前筹划，在智能化示范矿提出明确要求之前，预见性地完成了智能化示范矿建设要求，避免了重复建设。通过对东风井主通风机的全面更新改造，达到了保证安全生产、提高矿井智能化水平的预期目标，为矿山智能化建设添加了浓重的一笔，同时也开启了晓南矿智慧矿山建设的新里程。