變頻調(diào)速技術(shù)在礦用對旋軸流式通風(fēng)機的

節(jié)能應(yīng)用與分析

作者：黃貴庭

    摘  要：針對礦用對旋軸流式通風(fēng)機的工作特性，應(yīng)用異步電動機變頻調(diào)速原理，通過分別改變兩臺電動機的運行頻率，實現(xiàn)風(fēng)機兩級動葉干涉性調(diào)速的最佳流動匹配，進而對通風(fēng)機運行工況進行隨機合理調(diào)節(jié)，滿足礦井風(fēng)量、負壓需求，減小通風(fēng)機運行功率，達到通風(fēng)機的最佳節(jié)能效果。

    關(guān)鍵詞：對旋軸流式通風(fēng)機  異步電動機  變頻  節(jié)能 Abstract：According tO mine use for Xuan the work that axle flows  out  type  ventilator  property，  the  application asynchronous motor principle Of frequency control iS clear and excessly other tO change the running frequency Of two motors，realize fan two levels tO move leaf interference operation best flow tO match，and then for ventilator operating conditions carry out radom reasonable regulation，satisfy pit air volumeand the demand Of negative pressure，reduce the best effect Of energy saving that 1ittle ventilator runs power and reaches  ventilator．

    Keyword：

    For Xuan axle flow out the type ventilator asynchronous   motor energy saving Of frequency conversion

    一、引言

    主扇風(fēng)機是礦山企業(yè)為礦井送風(fēng)的一種主要設(shè)備。設(shè)備性能的優(yōu)劣，直接影響著礦井的安全生產(chǎn)和經(jīng)濟合理運行狀況。由于軸流式通風(fēng)機具有高效、高壓、低噪音，且土建安裝工程費用較低等優(yōu)點，已逐漸被大中型礦山企業(yè)所采用。但由于傳統(tǒng)研發(fā)的局限性和設(shè)計、選型、調(diào)試等綜合管理等因素，致使礦山企業(yè)風(fēng)機類設(shè)備效率低、能耗高、“大馬拉小車”的現(xiàn)象較為普遍存在。本文通過吸取前人對對旋軸流式通風(fēng)機的研究成果，結(jié)合變頻技術(shù)的特點，進行了節(jié)能性應(yīng)用分析，僅供同行商榷。

   二、對旋軸流式通風(fēng)機的發(fā)展和主要研究成果

    礦用對旋軸流式通風(fēng)機屬葉輪機械。所謂“對旋”的概念，是指兩個葉輪以互為相反的旋轉(zhuǎn)方向旋轉(zhuǎn)。它是依據(jù)一元相似理論和相關(guān)流體力學(xué)原理為基礎(chǔ)進行設(shè)計和研發(fā)的。對旋軸流式葉輪機械的研究與應(yīng)用經(jīng)歷了幾十年的發(fā)展過程，取得了豐碩成果。早在上個世紀三十年代，對旋軸流式通風(fēng)機已被人們所悉知。設(shè)置在ONERA(法國國家航空研究局)的大型風(fēng)洞，利用兩臺55000馬力的水輪機作為動力所進行的風(fēng)洞試驗。得到了轉(zhuǎn)速在100—240轉(zhuǎn)/分的綜合特性曲線。同時，相繼獲得了前置葉輪不同轉(zhuǎn)速的特性曲線和相對功率消耗曲線^[1]。

    二十世紀九十年代，我國對對旋軸流式通風(fēng)機的研究也十分活躍，其研究的重點主要是新型高效率、低噪音的優(yōu)化設(shè)計及流場計算分析等。隨著理論設(shè)計和實際應(yīng)用的不斷深化，使我們找到了對旋軸流式通風(fēng)機兩級動葉的風(fēng)壓特性、風(fēng)量特性和功率特性的氣能特性規(guī)律，具體成果如下：

    1、對旋軸流式通風(fēng)機因為沒有靜葉不存在靜葉損失^[2]，因此其通風(fēng)效率比普通風(fēng)機要高。

    2、對旋軸流式通風(fēng)機有較大的逆向送風(fēng)能力，其一般可達70％—80％，而普通風(fēng)機的逆向送風(fēng)能力僅為30％—40％。

    3、根據(jù)不同的風(fēng)壓、風(fēng)量要求，對旋軸流式通風(fēng)機可采用前置葉輪、后置葉輪同時運轉(zhuǎn)；前置葉輪運轉(zhuǎn)，后置葉輪停止：后置葉輪運轉(zhuǎn)，前置葉輪停止。這三種運行方式(但試驗中后兩種運行方式效率偏低，噪音也效高，一般不宜采用)大大拓寬了實際應(yīng)用范圍^[3]。

    4、對旋軸流式通風(fēng)機的壓力一風(fēng)量特性曲線較陡，因此較小的風(fēng)壓變化，即可得到較大的風(fēng)量變化，較好的滿足實際風(fēng)量的需求。

    5、在實際應(yīng)用中，由于礦井管網(wǎng)特性的變化，致使對旋軸流式通風(fēng)機的運行工況逐漸偏離設(shè)計工況。通過對實際運行中有關(guān)數(shù)據(jù)的分析得知：后置葉輪的氣動負荷要比前置葉輪的氣動負荷較大，且前置、后置兩級葉輪的功率特性也發(fā)生了相應(yīng)變化。

6、在保持前、后兩級葉輪工況特性在高效區(qū)運行的前提下，因為前置葉輪為后扭型，后置葉輪為預(yù)扭型，后置葉輪的風(fēng)壓一風(fēng)量特性相對于前置葉輪的風(fēng)壓一風(fēng)量特性較陡。因此，前置葉輪安裝角度的變化主要影響風(fēng)機的風(fēng)壓特性的變化;后置葉輪的安裝角度的變化主要影響風(fēng)機風(fēng)量特性的變化。同理：在前置、后置兩級葉輪安裝角度(預(yù)設(shè))不變的情況下，前置葉輪轉(zhuǎn)速的變化主要影響對旋軸流式通風(fēng)機風(fēng)壓特性的變化；后置葉輪轉(zhuǎn)速的變化主要影響對旋軸流式通風(fēng)機風(fēng)量特性的變化。其轉(zhuǎn)速比、功率比大致在1.07—1.68之間，也可獲得較大范圍的高效運行區(qū)(約為10％)。

7、采用雙電機雙端驅(qū)動方式，有利于根據(jù)礦井實際風(fēng)壓、風(fēng)量需求和礦井管網(wǎng)特性隨機進行調(diào)整，使對旋軸流式通風(fēng)機能夠保持較為安全合理的經(jīng)濟運行狀態(tài)。

綜上所述：對旋軸流式通風(fēng)機前置葉輪和后置葉輪的結(jié)構(gòu)較為緊湊，但其驅(qū)動結(jié)構(gòu)過程特性較為復(fù)雜。前置葉輪和后置葉輪合理的軸向間隙和徑向間隙，兩級葉輪轉(zhuǎn)速的最佳合理匹配，不僅影響到機器的噪音程度，同時還對對旋軸流式通風(fēng)機壓縮性、失速裕度、運行效率，對旋級壓升、風(fēng)壓一風(fēng)量的綜合氣動特性有著最關(guān)鍵的影響因素，這就為我們提供了探討和研究新的調(diào)速方式，改善綜合性能提供了較為可靠的理論依據(jù)。因此我們試想運用變頻調(diào)速技術(shù)對旋軸流式通風(fēng)機前置葉輪和后置葉輪進行干涉性運轉(zhuǎn)以求實現(xiàn)高效、合理、節(jié)能的運行工況。

 

三、變頻調(diào)速節(jié)能原理：

1、異步電動機的變頻調(diào)速性能

根據(jù)電機學(xué)原理，交流異步電動機的轉(zhuǎn)速公式；

n=         (1-s)           （3—1)

式中：n——電機轉(zhuǎn)速

      s——轉(zhuǎn)差率

      p——定子磁極對數(shù)

      f—電源頻率

由上述公式得知，在保持p、s不變的條件下，若均勻的改變電源頻率f，可以平滑的改變電動機的轉(zhuǎn)速。

對風(fēng)機進行調(diào)速控制屬于減少空氣動力的節(jié)電方法。它同—般常用的調(diào)節(jié)風(fēng)門控制風(fēng)量方法相比，有著明顯的節(jié)電效益。其節(jié)電原理見圖3-1。

曲線(1)為風(fēng)機在恒速下風(fēng)壓一風(fēng)量(H—Q)特性：曲線(2)為恒速下功率一風(fēng)量(N—Q)特性；曲線(3)為礦井管網(wǎng)風(fēng)阻特性(風(fēng)門全開)。

若風(fēng)機在設(shè)計時工作在(A)點效率最高，輸出風(fēng)量Q_I為100％，此時軸功率N₁與Q₁、H_I的乘積面積AH_IOQ₁成正比。根據(jù)工藝要求，當(dāng)風(fēng)量需由Q_I下降到Q₂ (例如50％風(fēng)量)時，如采用調(diào)節(jié)風(fēng)門方法，相當(dāng)于增加礦井管網(wǎng)阻力，使礦井管網(wǎng)阻力特性變到曲線(4)，系統(tǒng)由原來工況點(A)移到新的工況點(B)進行，由圖3-1可見，此時風(fēng)壓反而增加，而軸功率N₂與面積BH₂0Q₂成正比，減少不多。而如果采用變頻調(diào)速控制，風(fēng)機轉(zhuǎn)速由N₁降到N₂，根據(jù)風(fēng)機參數(shù)的比例定律，畫出在轉(zhuǎn)速N₂下的風(fēng)壓一風(fēng)量(H—Q)特性，如曲線(5)所示，可見在滿足Q₂的情況下，風(fēng)壓H：大幅度下降到H₃，功率N₃(相當(dāng)于面積CH₃0Q₂)，隨著顯著減少，節(jié)省的功率損耗△N=△H×Q₂與面積BH₂H₃C成正比，可見節(jié)能效果是十分顯著的。

    2、調(diào)節(jié)風(fēng)機風(fēng)量的途經(jīng)。

(1)、通過改變風(fēng)機的管網(wǎng)阻力特性來實現(xiàn)對風(fēng)機風(fēng)量的調(diào)節(jié)如 圖3—2所示。

 

 

   

 

 

 

 

 

這種辦法結(jié)構(gòu)簡單，操作方便。相對節(jié)流調(diào)節(jié)風(fēng)量能減少節(jié)流損耗。但是，① 隨機調(diào)節(jié)性能較差，費工、費時。

 ②對于對旋軸流式風(fēng)機而言，風(fēng)機節(jié)風(fēng)機調(diào)整角度有效分格(風(fēng)葉角度)為三格，平均為30度、35度、40度，調(diào)整的適應(yīng)性較差，不能在滿足風(fēng)量需求的情況下達到應(yīng)有的節(jié)能效果和實現(xiàn)較高的風(fēng)機效率。

(3)通過改變風(fēng)機的轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)風(fēng)機風(fēng)量的調(diào)節(jié)。當(dāng)風(fēng)機的轉(zhuǎn)速改變時，其性能曲  線的變化如圖3—4所示。當(dāng)風(fēng)機轉(zhuǎn)速為n₁時，風(fēng)機的風(fēng)壓-風(fēng)量曲線與管網(wǎng)特性曲線R₁相交與M₁點，其風(fēng)量一風(fēng)壓分別為Q₁、H₁。若工藝變更，需要的風(fēng)量為Q1可將風(fēng)機轉(zhuǎn)速調(diào)到n2，風(fēng)機的性能曲線(H—Q)相應(yīng)下降并與R₁相交與M₂點，此時風(fēng)量為Q₂，風(fēng)壓為H₂，可將風(fēng)量風(fēng)壓下降，達到風(fēng)量調(diào)節(jié)作用。相對于節(jié)流調(diào)節(jié)而言當(dāng)風(fēng)量為Q₂時是靠調(diào)節(jié)擋風(fēng)板來實現(xiàn)的。此時雖然風(fēng)量下降了，但風(fēng)壓相對于調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速而言，反而上升了。因而變速調(diào)節(jié)比節(jié)流調(diào)節(jié)時的風(fēng)壓要減小△H=H₁-H₂。因此，在認為效率不變時，相應(yīng)的主功率要減小△P=Q·△H／102n_Tn_F (Kw)，即變速調(diào)節(jié)比節(jié)流調(diào)節(jié)時風(fēng)機從電網(wǎng)吸收的功率要減少。因此，風(fēng)機的風(fēng)量調(diào)節(jié)，無論是變流調(diào)節(jié)，或者是風(fēng)葉角度的調(diào)節(jié)其節(jié)能效果都不如變速調(diào)節(jié)的方式隨機、靈活有效。所以風(fēng)機變速調(diào)節(jié)的方式是最佳有效的節(jié)能調(diào)節(jié)方式。

4、風(fēng)量、風(fēng)壓、轉(zhuǎn)速、功率的比例定律

由流體力學(xué)和風(fēng)機比例定律得出風(fēng)機、風(fēng)量與轉(zhuǎn)速及軸功率的關(guān)系為：

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

式中：  Q₁、Q₂——風(fēng)量

    P₁、p₂一一軸功率

    N₁、N₂——轉(zhuǎn)速

    H₁、H₂——風(fēng)壓

    當(dāng)降低風(fēng)機的轉(zhuǎn)速時，流量也同比例下降，但功率卻以轉(zhuǎn)速的立方下降，其功率與轉(zhuǎn)速、壓力、流量、節(jié)電率等關(guān)系如下：

見表(3-1)

頻率（HZ）	50	45	40	35
轉(zhuǎn)速（%）	100	90	80	70
風(fēng)壓（%）	100	81	64	49
流量（%）	100	90	80	70
功率（%）	100	72.9	51.2	34.3
節(jié)電率（%）	0	27.1	48.8	65.7

當(dāng)風(fēng)量減少，風(fēng)機轉(zhuǎn)速下降時，其功率降低很多。若風(fēng)量下降到80％，轉(zhuǎn)速也下降到80％時，則軸功率N約將下降到(0.8)³=51．2％。如果風(fēng)量下降到35％，轉(zhuǎn)速也下降70％，則軸功率N約下降到(0.7)³=34.3％，約節(jié)電65.7％。

    需要說明的是異步電動機調(diào)速節(jié)能，并不是著眼于電機本身的效率，雖然在很多調(diào)速方法中，電機的效率并未提高甚至降低，但由于轉(zhuǎn)速的降低，使電機與負載的機械特性配合適當(dāng)，能改變運行的工作點，則可得到較好的整體節(jié)能效果。

    因此，對風(fēng)機類機械采用調(diào)速控制方式來調(diào)節(jié)風(fēng)量(流量)，并通過對變頻器與電動機組合的拖動方式的負載特性、電壓、電流、轉(zhuǎn)矩及功率因數(shù)等相互關(guān)系的分析，所得出的結(jié)論是：變頻調(diào)速器在風(fēng)機類設(shè)備的推廣應(yīng)用，節(jié)約用電是一種有效的辦法，而且由于風(fēng)機轉(zhuǎn)速降低，對電機的和機械部件降低磨損延長設(shè)備使用壽命都很有利。

    四、變頻調(diào)速方法及容量的選擇

    1、變頻調(diào)速技術(shù)是適用于所有風(fēng)機類的節(jié)能控制方法，在對旋軸流式通風(fēng)機應(yīng)用則更能發(fā)揮其自身的節(jié)能優(yōu)勢。它是在礦井管網(wǎng)特性曲線不變時，采用分別改變或同時改變兩級葉輪電動機的干涉性轉(zhuǎn)速來改變通風(fēng)機的綜合特性，從而改變它的工況點，達到改變風(fēng)量、風(fēng)壓目的，實現(xiàn)節(jié)能效果，這也是與其它風(fēng)機類相比的重要區(qū)別。

由于風(fēng)機的全壓、與轉(zhuǎn)速的平方成正比例，因此風(fēng)機的調(diào)速范圍不大，一般在2:1左右(實驗中得知，對旋軸流式通風(fēng)機前置后置兩級葉輪的調(diào)速比大致為0.64:1:1.68)。風(fēng)機變速運行在于調(diào)節(jié)風(fēng)量、風(fēng)壓，因而對調(diào)速裝置的性能要求不是很高，只要能滿足正常運行就可以了，就是慢幾轉(zhuǎn)或快幾轉(zhuǎn)都不會影響風(fēng)機的運行。因此調(diào)速方法適用性較為廣泛。

    改用變頻調(diào)速電力傳動系統(tǒng)，必然增加投資并在運行過程中增加消耗。為了取得最大經(jīng)濟效益，在選擇風(fēng)機調(diào)速方法時，應(yīng)根據(jù)風(fēng)機的性能、礦井管網(wǎng)阻力特性狀況、容量大小、風(fēng)量變化幅度、調(diào)速裝置的效率高低、技術(shù)復(fù)雜程度、價格高低、維修難易程度，對電網(wǎng)影響等多種因素進行綜合經(jīng)濟技術(shù)分析比較，才能選擇較為適用的的變頻調(diào)速控制方法。

    2、變頻調(diào)速方法及容量的選擇按一下順序進行．

(1)、要按照礦井管網(wǎng)阻力特性和生產(chǎn)周期及階段風(fēng)量、風(fēng)壓需求參數(shù)進行綜合分析。

這個兩個參數(shù)必須經(jīng)過比較準確的分析計算，無須給其“層層加碼”，使其裕度過大，目前，“大馬拉小車”的現(xiàn)象仍較為普遍。一般來說，最好使計算值與實際相差不超過10％，這樣才可使風(fēng)機在高效區(qū)中運行。

    (2)、系統(tǒng)影響因數(shù)的考慮

    在計算通風(fēng)系統(tǒng)阻力選擇風(fēng)機時，與風(fēng)機出口連接的部件的阻力值，是在實驗室中以均勻氣流模擬而進行測定的．而在實際運行中，這些部件是處于不均勻氣流作用下，故實際阻力值往往大于測定值．，同樣的風(fēng)機還有性能曲線的差異。美國空氣流動與控制協(xié)會(AMCA)就為之進行了大量的測試研究工作，提出了系統(tǒng)影響因數(shù)的概念，其定義為：是一種壓力損失因數(shù)，用以考慮風(fēng)機入口和出口障礙以及其它裝于系統(tǒng)中并對風(fēng)機性能有影響的部件所造成的風(fēng)機壓力損失。因此，在設(shè)計應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)具體情況充分考慮這些影響因素，并盡可能予以避免和減少，從而達到節(jié)能的目的。

    (3)、根據(jù)高效、節(jié)能、低噪的主次選型

    通常，對于功率大的風(fēng)機要特別重視節(jié)能和高效，對于功率不大但用量多的風(fēng)機，選型時注意選高效型。值得注意的是選用了高效風(fēng)機并不等于就是節(jié)能，把變頻技術(shù)應(yīng)用于對旋軸流式通風(fēng)機也并不等于節(jié)能。還應(yīng)要看實際運行中全部或大部分工況是否處于風(fēng)機性能曲線的最高效率點附近。而且同一臺高效風(fēng)機．若調(diào)節(jié)方式不同，節(jié)能效果仍有很大差異。

3、變頻器容量的選用

根據(jù)規(guī)范要求和該風(fēng)機運行狀況，在選用變頻調(diào)速傳動技術(shù)改造時，應(yīng)注意以下幾點：

    (1)、根據(jù)匹配電動機容量和負荷特性選擇變頻器。凡4極以上電動機選變頻器時，應(yīng)大一個規(guī)格；8極以上應(yīng)大于兩個規(guī)格。(即所配電動機容量的1．15的備用系數(shù))

    (2)、風(fēng)機變頻調(diào)速運行的節(jié)電效果主要與其風(fēng)量變化大小有關(guān)。風(fēng)量在額定風(fēng)量90％以上變化時，雖然節(jié)能效果不甚明顯，但柔性啟動及變矩性負載特性的隨機調(diào)整，較為靈活，仍具有其優(yōu)點。

    (3)、風(fēng)量變化經(jīng)常在額定風(fēng)量60％以下的應(yīng)采用高效調(diào)速方式。

(4)、在全風(fēng)量范圍變化的風(fēng)機采用調(diào)速裝置時，風(fēng)量在90％以上時，必須具有工頻恒速運行切換裝置。

    (5)、為取得變頻調(diào)速節(jié)電的良好效果，調(diào)速裝置應(yīng)配有根據(jù)風(fēng)量變化的自動控制裝置，當(dāng)風(fēng)量需要變化時，能按照給定的變化參數(shù)自動地改變轉(zhuǎn)速，以期取得最好節(jié)電效果。

    五、拖動方案的選擇

    根據(jù)上述，對旋主流式通風(fēng)機的氣能特性、礦井管網(wǎng)特性和變頻調(diào)速技術(shù)的主要特點在合理選擇前置、后置風(fēng)葉安裝角度的同時，對風(fēng)機電機的拖動方式案可作以下選擇：

   

 

 

 

 

 

 

 

 1、方案一

    一拖二方式，即利用一臺合適容量的變頻器同時拖動前置、后置兩級動葉風(fēng)機電動機(如圖5-1)

    優(yōu)點：電控設(shè)備投資較方案二低，可節(jié)約變頻設(shè)備投資。

    缺點：由于變頻自身的特點，必須使前置、后置葉輪電動機同時啟動，因此，啟動電流較大，要求變頻器容量選擇要>兩臺電機容量的總和乘以相應(yīng)的備用系數(shù)。

    

 

2、方案二

一拖一方式即：利用兩臺變頻器分別拖動前置、后置葉輪電動機，如圖5—2：

優(yōu)點：前置、后置葉輪電動機分別由兩臺變頻器拖動?？蓪崿F(xiàn)對風(fēng)機風(fēng)壓、風(fēng)量的隨機調(diào)整、以適應(yīng)礦井在生產(chǎn)管理過程中風(fēng)壓、風(fēng)量需求，及適應(yīng)礦井管網(wǎng)特性的變化，達到兩級動葉合理最佳匹配，使風(fēng)機能夠經(jīng)常保持在高效區(qū)運行，達到較好的節(jié)能效果。

    缺點：變頻設(shè)備前期投資費用較高，在控制上也要求兩級電機同時啟動。

    在選擇拖動方案時，應(yīng)根據(jù)實際風(fēng)機的性能參數(shù)和礦井管網(wǎng)特性曲線，節(jié)電效果、投資回收期等多種因素綜合考慮。

    六、節(jié)電效果的計算

    以往，我國在計算節(jié)電工程投資效果時，通常采用投資回收年限法。投資以工程完成后的收益的形式回收，所需要的年限，稱為投資回收年限。當(dāng)投資回收年限小于或等于某一規(guī)定年限時，則認為該工程在經(jīng)濟上是合理的，否則是不可取的。

    投資效果計算方法

    1、投資回收期限計算公式

T=C/△L=C/(L₂-L₁)=C/(A^δ-S)       (6-1)

式中  T——投資回收期限(年)

          C——實現(xiàn)節(jié)電措施所需的投資(元／年)，包括用于建筑、購置各種設(shè)備、安裝及管理等費用；

          △L——實現(xiàn)節(jié)電措施后的年節(jié)電效益(元／年)：

          L₁——實現(xiàn)節(jié)電措施前的年收益(元／年)；

          L₂——實現(xiàn)節(jié)電措施后的年收益(元／年)；

          A——年節(jié)電總量(kW·h)／年：

          δ——電價元／(kW·h)：

          S——節(jié)電工程投入后的年維護保養(yǎng)費用(元／年)。

    用節(jié)能產(chǎn)品更換老產(chǎn)品的資金回收期限，應(yīng)按下式計算

    T=(C-d)/△L                                (6—2)

    式中  C——購置節(jié)能產(chǎn)品費用(元)；

          d——老產(chǎn)品報廢后的回收資金(元)：

        △L——更換后年節(jié)電效益(元／年)。

    一般認為，當(dāng)T≤1/2—2/3節(jié)能產(chǎn)品壽命周期時，在經(jīng)濟上合理的，否則不可取。

2、工序能耗計算法

K=1×10⁶·P/3600·Q·H[KWh·(Mm³pa)]^-1

式中：k——通風(fēng)用電單耗(按照原煤炭部規(guī)定，通風(fēng)用電單耗應(yīng)<0.44的標準)

P——電動機的輸出功率(kW)

Q——通風(fēng)機的風(fēng)量((m³/s)^-1)

H——主扇風(fēng)機全壓(Pa)

應(yīng)該說明的是：衡量通風(fēng)用電單耗標準是以綜合指標確定的，除了電器節(jié)能外，還有礦井管網(wǎng)阻力特性狀況條件，內(nèi)、外漏風(fēng)率等綜合管理因素。

七、變頻技術(shù)在FBDN₀18型通風(fēng)機的應(yīng)用與分析

1、2007年5月，我們首次在國內(nèi)把變頻技術(shù)應(yīng)用于義煤曹窯煤礦FBDZN_018型通風(fēng)機，并經(jīng)河南煤礦安全監(jiān)察局安檢中心、河南理工大學(xué)安檢中心聯(lián)合對該通風(fēng)機變頻技術(shù)應(yīng)用節(jié)能及效果檢測并提出了檢驗報告，以下簡稱《檢驗報告》

 

 

 

 

 

 

 

 

表7—1(2x110Kw)

2、通過對以上實測數(shù)據(jù)的分析初步得出：

    (1)對旋軸流式通風(fēng)機的壓力一風(fēng)量特性曲線較陡，因此較小的風(fēng)壓變化，即可得到較大的風(fēng)量變化，較好的滿足礦井通風(fēng)需求。

    (2)  在合理工況情況下前置動葉、后置動葉同時調(diào)頻變速，在兩級動葉轉(zhuǎn)速相同的情況下，節(jié)能效果最為明顯。

    (3)礦用對旋軸流式通風(fēng)機應(yīng)用變頻調(diào)節(jié)技術(shù)的節(jié)能效果，根據(jù)礦井通風(fēng)管網(wǎng)特性和實際需求風(fēng)量大約在15％一47％之間。

初步結(jié)論：變頻調(diào)速技術(shù)應(yīng)用于對旋軸流式通風(fēng)機，能夠?qū)崿F(xiàn)兩級動葉最佳流動合理匹配，實現(xiàn)隨機調(diào)整工況、滿足礦井風(fēng)量負壓需求。它是在生產(chǎn)礦井管網(wǎng)特性發(fā)生一定變化時，采用分別改變或同時改變兩級動葉電動機的轉(zhuǎn)速來改變通風(fēng)機的綜合氣動特性，從而改變它的工作工況，達到改變風(fēng)量、風(fēng)壓目的，實現(xiàn)安全運行及產(chǎn)生較好的節(jié)能效果。

八、我國煤礦企業(yè)主要通風(fēng)機的使用現(xiàn)狀：

1、據(jù)統(tǒng)計目前我國重點煤礦企業(yè)主要通風(fēng)機的能耗為礦井綜合能耗的17％一25％。通過有關(guān)部門對30個煤礦企業(yè)統(tǒng)計，如使用70B₂型系列軸流式通風(fēng)機占風(fēng)機總量的49％，2002年國有重點煤礦通風(fēng)機總量為1486臺，平均通風(fēng)效率45％—60％不足50％，平均效率在60％以工僅為2％。盡管近幾年通過更新改造，對選軸流式風(fēng)機的使用占有相當(dāng)比例，但是，煤礦企業(yè)通風(fēng)機存在效率、低能耗高、“大馬拉小車”的現(xiàn)象仍較為普遍。

一般情況下，采用風(fēng)門調(diào)節(jié)的風(fēng)機，在兩者偏離10％時效率下降8％左右：偏離20％時，效率下降20％左右，而偏離30％時，效率則下降30％以上。如表1所示

表8—1富裕量對風(fēng)機效率的影響

富裕度（%）	風(fēng)機效率（%）
0	85
10	77
20	66
30	54

上述數(shù)據(jù)顯示，可見風(fēng)機運行風(fēng)壓、風(fēng)量富裕量偏離最佳工況對風(fēng)機效率將產(chǎn)生較大影響。

2、我國風(fēng)機類設(shè)備的傳統(tǒng)驅(qū)動方式(直接啟動，降壓啟動等)都將產(chǎn)生較大的沖擊負載，對系統(tǒng)電網(wǎng)的沖擊較為明顯，使系統(tǒng)電網(wǎng)的供電質(zhì)量及系統(tǒng)內(nèi)的終端電器設(shè)備都受到了不同程度的影響。按照《規(guī)程》要求，主扇風(fēng)機要定期倒換運行。因此，頻繁的設(shè)備啟動或停止所產(chǎn)生的單軸軸轉(zhuǎn)現(xiàn)象，使風(fēng)機產(chǎn)生較大的機械振動應(yīng)力，以上這些都嚴重的影響到電動機及其機械設(shè)備的使用壽命。

3、我國的主扇風(fēng)機多數(shù)是依靠人工調(diào)節(jié)擋板進行風(fēng)壓、風(fēng)量調(diào)節(jié)的，不具備風(fēng)壓、風(fēng)量自動適時調(diào)節(jié)功能，費力費時自動化程度較低，不僅對正常安全生產(chǎn)產(chǎn)生不利影響，同時能耗較高。

4、在礦井基建設(shè)計過程中，所選取的通風(fēng)設(shè)備都是按礦井最大生產(chǎn)能力所需風(fēng)量，加備用系數(shù)進行選型的。因此，從設(shè)計、選型及設(shè)備購置，其層層加碼，實際在用風(fēng)機與礦井管網(wǎng)特性匹配較差，富裕度過大、而導(dǎo)致綜合能耗較高。

5、在礦井開采過程中，通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)不斷發(fā)生變化，例如投產(chǎn)初期，通風(fēng)距離短，網(wǎng)絡(luò)比較簡單，需求風(fēng)量也較少；但到中期通風(fēng)距離較長，網(wǎng)絡(luò)比較復(fù)雜，產(chǎn)量也較高，需要增加風(fēng)量；到了礦井末期，網(wǎng)絡(luò)更加復(fù)雜，但產(chǎn)量又趨減少，需要風(fēng)量也相應(yīng)減少。又如礦井新采區(qū)投產(chǎn)或關(guān)閉老采區(qū)，這些都會引起礦井通風(fēng)管網(wǎng)特性的不斷變化，因此通風(fēng)設(shè)備應(yīng)充分應(yīng)用變頻調(diào)速這一技術(shù)優(yōu)勢特點，能夠具有較為寬廣的隨機可調(diào)節(jié)功能和較好的節(jié)能效果。

6、隨著我國礦山企業(yè)朝著高產(chǎn)、高效方向的快速發(fā)展和資源整合的形勢需要，礦用風(fēng)機也隨之需要大風(fēng)量、高效率、高風(fēng)壓方向發(fā)展。同時，對旋軸流式通風(fēng)機又具有高效、高壓、大風(fēng)量的技術(shù)優(yōu)勢。近幾年對旋軸流式通風(fēng)機在我國大中型礦井中將得到廣泛應(yīng)用。因此變頻調(diào)速在礦井主扇風(fēng)機的應(yīng)用就更能夠發(fā)揮其技術(shù)優(yōu)勢。

九、我國關(guān)于能源節(jié)約政策(摘抄)

1、我國十一五規(guī)劃提出：“——……單位國內(nèi)生產(chǎn)總產(chǎn)值能源消耗降低2 0％左右……(摘抄自中華人民共和國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十一個五年規(guī)劃綱要第一篇第三章第三條9頁)。這就是說自2006年 開始，每年國內(nèi)單位生產(chǎn)總產(chǎn)值能源消耗平均降低4．4％-4．7％左右。

2、第六篇第二十二章第一節(jié)《節(jié)約能源》篇中提出：“專欄10——節(jié)能重點工程‘電機系統(tǒng)節(jié)能——在煤炭等行業(yè)進行電動機拖動風(fēng)機、水泵系統(tǒng)優(yōu)化改造”。(摘抄自十一五規(guī)劃綱要第41頁)。

十、變頻調(diào)速技術(shù)在對旋軸流式通風(fēng)機應(yīng)用中的主要優(yōu)點：

 l、變頻調(diào)速技術(shù)在礦用對旋軸流式通風(fēng)機的應(yīng)用，能夠分別對前置動葉和后置動葉實施干涉性調(diào)速達到兩級動葉最佳流動匹配，不僅隨機改善了風(fēng)機運行工況，滿足礦井生產(chǎn)需求風(fēng)量。同時，節(jié)電效果非常明顯節(jié)電率可達15％—47％左右。

2、柔性啟動，停止平穩(wěn)，可實現(xiàn)對前置葉輪電機、后置葉輪電機的分別單調(diào)或雙級統(tǒng)調(diào)的無級調(diào)速，隨機性強，調(diào)速范圍大(10％左右)，可從OHz一55Hz對系統(tǒng)電網(wǎng)、電壓無沖擊，壓降較小。

3、降低電動機運行時的噪音與溫度。

4、與傳統(tǒng)電力拖動方式相比，變頻調(diào)速裝置在啟動時對系統(tǒng)電網(wǎng)電壓無沖擊，有利于保證安全供電。減少機械沖擊，瞬時態(tài)轉(zhuǎn)矩反應(yīng)，降低電動機的疲勞磨損，有效延長電動機的使用壽命。

5、變頻調(diào)速技術(shù)還具有PTC、DSP系統(tǒng)控制通過實時在線檢測系統(tǒng)可實現(xiàn)無人值守，能夠為實現(xiàn)礦井自動化創(chuàng)造有利條件。

目前電動機的高效、智能綜合、優(yōu)化節(jié)能變頻技術(shù)是隨著電力、電子技術(shù)、微電子技術(shù)、電子計算機及智能自動化控制理論等多專業(yè)學(xué)科的發(fā)展已進入的嶄新的時代，變頻調(diào)速節(jié)能產(chǎn)品已逐漸由低壓到高壓，由小功率到大功率的飛躍發(fā)展。同時，礦用風(fēng)機類變頻調(diào)速技術(shù)也不斷取得了豐富和發(fā)展。

十一、結(jié)束語

“十一、五”期間乃至更長時期，隨著我國節(jié)能減排的要求，電動機的節(jié)能已成為國家節(jié)能的重點工程之一。結(jié)合我國煤礦企業(yè)主扇風(fēng)機的使用現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，通風(fēng)機類在節(jié)能技術(shù)改造方面就顯得更為迫切和重要。在市場經(jīng)濟激烈競爭、高速發(fā)展的能效經(jīng)濟時代，“電費是未被控制的最后一項成本”。對于企業(yè)而言，節(jié)能降耗是企業(yè)控制成本的有效手段。對旋軸流式通風(fēng)機在我國礦山企業(yè)的廣泛應(yīng)用及變頻技術(shù)及自動化產(chǎn)品的不斷成熟，這為我們充分發(fā)揮對旋軸流式通風(fēng)機的綜合技術(shù)優(yōu)勢，提供了更為廣闊的應(yīng)用前景。

參考文獻：

[1]王德軍、曹樹良、吳玉林《對選軸流式葉輪機械的研究發(fā)展》水發(fā)電學(xué)報清華大學(xué)北京(100084)2008.3第一期總刊第76期

[2]王曉林《對選軸流式通風(fēng)機兩級葉輪最佳流動匹配條件的探討》礦業(yè)安全與環(huán)保2003.10第30卷第5期  煤炭科學(xué)研究總院重慶分院  重慶4000377

[3]陳燎原、潘地林、黃家友《對旋式風(fēng)機II級動葉理論特性的研究》[J]煤炭科學(xué)技術(shù)2004.(5)

二OO八年三月

 

附件下載