华阳一矿主扇风机高效运行的应用研究

李鑫

（华阳一矿 机电工区，山西 阳泉 045000）

1 概况

煤矿井下开采作业中，矿井通风是保障安全生产的重要方面。巷道的风量和通风网络阻力时常发生变化，须根据实际工况进行通风机转速调整以满足生产需要。因此为确保安全生产，大多矿井在实际选配风机时，会提高风机的富余量，然后再依靠不同的调节措施进行风量调节，例如轴流风机改变叶片安装角度、离心式风机改变前导器叶片转角、调节风门闸板等。但这一做法不仅风机成本较高，配套的调节措施也较为机械化，存在调节范围窄、能耗高等问题，运行效率不高。

目前大部分煤矿采用的轴流式风机在启动时，风门处于全开状态，启动负荷较大，启动过程中飞轮惯性大、启动转矩大、启动电流高、启动困难，不利于通风机的安全运行。

对上述矿井风机普遍存在的运行效率不高和启动不稳定的问题进行分析研究。依照风机特性，优化通风机的效率可采取2 种途径实现：合理布局巷道通风网络，最大限度降低风阻（此非本文研究内容，不做赘述）；选用适当的风量调节模式，让通风机和通风网络匹配合理，确保通风机在高效区间内运转。诸多实践表明，转速调整是通风机高效运行的最佳模式，而变频技术的快速发展，是电动机转速调节的一大助力，其调速性能优越，兼具软启性能，在通风机应用具有较大前景。

2 风机调速节能原理及启动特性分析

2.1 风机调速节能原理

风机运行工况点曲线如图1所示。

图1 风机运行工况点比较Fig.1 Comparison of fan operating point

由图1可知，曲线1 为通风机在全速运行情况下的风压—风量特性，曲线2 为风门全开情况下的管网特性。曲线1、2 的交点A 表示自然运行工况点，此时风压为H1、风量为Q1。若井巷所需通风量为Q2，采用风门控制管道风阻达到所需风量，得到特性曲线3，曲线3 和曲线1 相交于B点，此时风量为Q2，该状态下风压增加到H2。通过对电动机转速的控制进行风量调整，得出特性曲线4，曲线4、2 相交于C 点，也可获得所需风量Q2，此时风压下降至H3。假设通风机在A、B、C 各工况点工作时，机械和电气方面的效率相等，3 个工况点消耗电量和对应工况点的风量及风压的呈正比例关系，即和矩形AH10Q1、BH20Q2、CH30Q2的面积呈正比关系。由此可见，通过对电动机转速调整的方式调节风量，其节能效果优于风门控制风量的方式。

2.2 风机启动特性分析

太宰治：我的不幸，恰恰在于我缺乏拒绝的能力。我害怕一旦拒绝别人，便会在彼此心里留下永远无法愈合的裂痕。

车间中3种待加工工件的加工批量、到达时间、交货期、在搬运设备上的额定容量如表2所示，所有工序完工后需搬运至车间质检中心进行人工质检，质检完成后搬运至下一工序所选机床处。车间机床的型号、功率以及与质检中心的距离如表3所示，搬运设备额定功率及运输速度如表4所示，辅助物料能耗相关系数如表5所示，工序加工所用刀具的质量信息如表6所示，工件所有工艺路线下每个工序的可选机床、刀具集、夹具集以及工序加工能耗、工序加工时间等信息如表7所示。

图2 风机半S 形启动速度Fig.2 Semi-S-shaped starting speed of fan

3 常用调速方式比较

雪落得最密的那年冬天，我生了一场大病。父亲却跟一帮人去了南方做生意。我躺在床上，人烧得迷糊，一个劲儿地叫：“爸爸，爸爸……”母亲求人捎了口信去，说我病得很重，让父亲快回家，但父亲没有回。

通过对上述3 种调速方式进行比较，可以看出变频调速技术综合效果最佳，具有良好的调速性能、兼容性好，并且可以进行软启动，一套装置可同时解决设备调速及设备软启，应用于主扇风机是一种可行性较好的调速方案。本文据此对华阳一矿MAF-3000/1700-1G 型风机进行变频优化改进。

焦坤向记者解释说，倍丰农资集团在当前阶段进驻农业肥领域，就行业整体发展趋势而言稍显晚了一些，但又不太晚。首先，两大集团公司强强联手，双品牌站台撑腰，其信誉保证与综合实力的优势自不必多说。

（2） 串级调速。该调节方式的特点是调速平滑、调节效率高，并且资金投入较少。通常采取高压调速、低压控制的方式，一旦调速设备出现异常时，可及时调整为全速运行。不足之处在于可调节范围区间小（70%～95%），谐波污染较为严重，功率因数不高，维护难度系数大，不能进行软启动。

软启动实质是启动过程中让电动机缓慢加速，直至达到工作需求，实现启动过程的平稳过渡、平滑加速，减少对设备的冲击；并且降低电机的起动电流，防止电机绝缘损坏、冲击电网。

4 变频调速在煤矿主扇风机中的应用

以华阳一矿阳坡堰MAF-3000/1700-1G 型风机为研究对象，该风机主要参数见表1。

表1 MAF-3000/1700-1G 通风机主要参数Table 1 MAF-3000/1700-1G fan main parameters

（3） 具有就地、远程、上位机3 种控制模式，可任意切换，用户根据需要自行选择。在风机运行平稳的状态下，用户优先将变频器控制模式切换到远程或上位机状态，在集控室进行操控；当现场需要进行手动控制变频器或系统调试时，将变频器切换至就地控制模式，然后进入人机界面进行相应操作。

4.1 变频器主要技术特点

（1） HIVERT-YK06 130 型高压变频器为宽电压设计，允许电压存在一定的波动，一般在电网电压额定值的80%～115%均可正常工作。该变频器具备电网掉电状态下的保护设置，断电时间小于1 s 时，变频器可持续运行；当断电时间过长后恢复供电时，具有高压失电自启功能。

（1） 液力耦合器。液力耦合器又称液力联轴器，是一种以液体作为工作介质的非刚性联轴器，其特点是可实现无极调速、可调节范围广，适用于大容量风机的转速调整。液力耦合器可以实现电机的空载启动，为柔性启动方式。在高速运转的设备上应用液力耦合器较节流调节的节能效果更加显著。液力耦合器不足之处在于设备体积相对较大，发热量高；低速运行过程中转差损耗偏大，传动效率、调节精度不高。

此方法需要把各方面变动所形成的差距联系到一起，然后再逐一进行分析，整个过程的关键点在于需要确定“亏损边界点”，然后在对其展开工作，需要注意的是，动态上所出现的变动因素与单位的盈亏是存在一定关联的，而这对单位从经营决策中采取相应措施有很大的帮助。

（4） 具有电机过流、变频器限流及过流、单元过压、过热保护等功能，为电气设备的安全运行奠定基础。

（5） 采用空间矢量控制正弦波PWM 技术，响应速度快、调节精度高，输出的正弦波形完美，有效减少谐波输出。

4.2 风机高效运行的调节

按照华阳一矿阳坡堰日常生产通风量、负压和现阶段风机工作状态，结合设备不同叶片安装角度下的性能曲线，让各个工况点应位于高效区（系统效率≥80%）；若工况点位于低效区，则调整叶片安装角度，使得工况点处于高效区。

通风机进行变频改造后，先将通风机叶片角度微调，让工况点处于高效区，然后在满足安全生产风量要求的前提下，降低风机转速。华阳一矿根据实际情况，不断优化调整风机叶片角度和转速的组合，最终让风机效率基本处于82%左右，实现了有效风量和高效率的双重目标。针对高速低效风机运行状态，可通过增大风叶安装角度、降低转速的方式达到使用需求。

变频器设定为开环定速运行，依照现场通风需求随时调节电机转速。频率调整范围0～60 Hz，分辨率0.01 Hz，调速平稳、易于操作、效率高。

4.3 稳定的软启特性

HIVERT-YK06 130 型高压变频器带有软启特性，具有多种启动曲线，根据上文研究，通风机最适合半S 形加速曲线，加速时间在2～1 600 s 连续可调，最大启动电流为额定电流的1.3 倍左右，对电网的冲击较小，确保了电网的安全稳定性。采取低速转矩补偿技术，使其低速状态下仍然具有较好的转矩输出，且稳定性也较好。

改造后的变频通风机可平稳启动风机，风机噪音、振动显著下降，减少了检修维护作业量，延长了设备使用寿命，提高了风机的安全性和可靠性。

5 结语

根据矿井主扇风机高效运行和稳健启动这两个基本要求，对矿井风机调速原理和方式，以及风机启动特性进行研究，表明变频调速方式是目前最适合的调速方式，以半S 形速度曲线进行启动加速度的控制相对合理。根据这些研究对华阳一矿阳坡堰MAF-3000/1700-1G 型风机进行变频改造，选用HIVERT-YK06 130 型高压变频器。改造后的变频通风机效率可长期保持在82%左右，有效提高了风机运行效率，同时可平稳启动风机，风机噪音、振动显著下降，减少了检修维护作业量，延长了设备使用寿命，提高了风机的安全性和可靠性。