高压变频节能改造技术在煤矿主通风机中的应用.pdf

2024 年第 1 期70中国高新科技技术应用|TECHNOLOGY APPLICATION高压变频节能改造技术在煤矿主通风机中的应用位晓林山东能源集团枣庄矿业（集团）有限责任公司田陈煤矿，山东 枣庄 277000摘要：主通风机是煤矿的主要设备之一，部分煤矿在开采后期主通风机的运行功率远超出煤矿正常生产所需运行功率，能量损耗较为严重。基于此，文章针对煤矿主通风机高压变频节能改造需求，提出了煤矿主通风机高压变频节能改造方案。经实践分析，煤矿主通风机高压变频节能改造效果较好，实现了提质增效的目的。关键词：高压变频；节能技术；主通风机文献标识码：A中图分类号：TD407文章编号：2096-4137（2024）01-70-03DOI：10.13535/ki.10-1507/n.2024.01.17The application of high voltage variable frequency energy saving transformation technology in coal mine main ventilatorsWEI XiaolinShandong Energy Group,Zaozhuang Mining(Group)Co.,Ltd.,Tianchen Coal Mine,Zaozhuang 277000,ChinaAbstract:The main ventilation fan is one of the main equipment in coal mines.In some coal mines,the operating power of the main ventilation fan in the later stage of mining far exceeds the required operating power for normal production,resulting in severe energy loss.Based on this,in response to the demand for high-voltage frequency conversion energy-saving transformation of coal mine main ventilators,a high-voltage frequency conversion energy-saving transformation plan for coal mine main ventilators is proposed.Through practical analysis,the high-voltage frequency conversion energy-saving transformation effect of coal mine main ventilators is good,achieving the goal of improving quality and efficiency.Keywords:high voltage frequency conversion;energy saving technology;main ventilation fan近年来，煤炭生产节能改造不断升级。以往煤矿主通风机风量调节主要依靠风门调节、叶片角度调整方法，存在调节次数少、固定时间长、调节效果差等问题，加之煤矿主通风机设计余量较大，在长时间内风机处于较轻负载运行状态，电能浪费较为严重。利用高压变频节能改造技术，有望降低煤矿主通风机能源损耗。因此，研究高压变频节能改造技术在煤矿主通风机中的应用具有非常突出的现实意义。1高压变频节能改造技术在煤矿主通风机中的应用需求主通风机是煤矿大型固定设备，具有运行时间长、容量大、可靠性要求高的特点，其经济运行情况关乎矿井生产效益。高压变频节能改造技术在煤矿主通风机中的应用需求涉及电能节约、减轻机械损伤、提高自动化程度几个方面。（1）在煤矿主通风机应用高压变频节能改造技术后，更改调节方式，减少能源浪费。（2）利用间接启动代替直接启动，在保证电动机绝缘良好的同时，降低高压电动机启动期间单轴转矩，确保电动机、风机及相关机械使用寿命。（3）主风机挡板调节实现自动化，故障状态下自动运行，确保矿井正常生产。（4）煤矿主要通风机目标级工序能耗需不大于0.360kWh/（Mm3Pa），准入级能耗为 0.360 0.400kWh/（Mm3Pa），达标级工序能耗为 0.400 0.460kWh/（Mm3Pa），限制级工序能耗为 0.460 0.494kWh/（Mm3Pa）。高压变频节能技术改造应将煤矿主要通风机平均能耗控制在达标级甚至准入级。2高压变频节能改造技术在煤矿主通风机中的应用方案2.1总体方案根据煤矿主通风机经济安全运行要求，选择“一拖二”高压变频节能改造方案，在原有风井设备结构一定的情况下，将 3 台切换装置设置在 1 号主通风机、2 号主通风机、以往工频电控系统之间，并增设 1 台容量为 1000kW 的高压变频调速装置，变频器拖动 2 台风机开环定速运行的前提是“开关切换”，具体如图 1 所示。图1煤矿主通风机“一拖二”高压变频节能改造方案图 1 中，1 为 6kV 段母线；2 为 6kV 段母线；3 为主要通风机的 1 号工作风量调节开关；4 为主要通风机的 2 号工作风量调节开关；5 为主要通风机的 5 号工作风量调节开关；6 为主要通风机的 3 号工作风量调节开关；7 为主2024 年第 1 期71中国高新科技TECHNOLOGY APPLICATION|技术应用要通风机的 4 号工作风量调节开关；8 为高压变频器；9 为 1号切换柜；10 为 2 号切换柜。根据图 1，在通风机监测装置、变频器之间设置 RS485隔离端口，经 Modbus RTU 通讯规约控制。在高压变频风机速度调节装置发生故障后，立即发出报警，向工频运行模式切换，确保变频机故障状态下通风机正常运行。在变频改造投切期间，主通风机变频电控联锁完备，工作变频器切换刀闸、变频器柜门可在电源进线柜合闸后被电磁锁封闭，1 号通风机和 2 号主通风机工频、转换刀闸、变频切换刀闸可在电源进线柜合闸后被电磁锁联锁并发出指示灯提示。同时，使通风机叶片始终处于最佳角度，根据矿井通风要求，经高压变频灵活调速，确保通风机运行效率最高。2.2系统硬件改造变频调速系统主要由高压变频器、隔离变压器、旁通回路、控制单元 4 个部分组成。其中，高压变频器选择“交-直-交直”接高压（高-高）方式，经多电平串联叠波升压支持运行。在高压变频器中，除绝缘栅双极型晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）主电路开关元件，还包括 15 个结构相同、性能一致的功率单元，每相对应 5 个功率单元，每相内功率单元串联，整流侧为二极管三相全桥，可互相转换。隔离变压器高压侧输入 6kV 电源，二次侧经降压移动相位输出三相 690V 电压，向功率单元（U、V 输出端子为星形接法串接）提供电力能源，一旦某一功率单元发生故障，直接控制对应单元输出端子短路，并退出电力资源供应系统，降低意外断开电力资源状况下的损失。变压器输入端每个功率模块供应电力能源的载体是 3 对副边绕组移相变压器，变压器相互独立排布，确保各个功率电源主回路相互独立，且系统抗干扰能力较强。根据功率单元工作电压、模块串联级数，结合电能质量公用电网谐波（GB/T 1454993）技术标准，采用 24 脉冲+30 脉冲+42 脉冲+48 脉冲的多级相叠加整流模式，显著优化移相变压器网侧电流波形，促使其负载网侧功率因子趋近于 1，确保变频控制安全可靠。旁通回路直接输出高压 6kV 电源（空间矢量控制 PWM调制正弦波），驱动电机运行，避免控制单元故障状态下变频器正常作业。PWM 调制正弦波具有较高的正弦度及较小的瞬时电压变化率，更低的电机谐波损耗与风机叶片、机械轴承振动，不会外加输出滤波器致电机内部元件、电线塑料绝缘层故障。控制单元的核心是 PLC（可编程控制器）、嵌入式人机界面、高速单片机，分别负责根据用户需求进行煤矿主通风机集成控制信号的处理（开关柜内）、输入输出控制参数与实时工况、电机正弦波 PWM 变频控制。由控制单元 PLC 控制模块采用单相交-直-交逆变输入电源，包括三相全桥整流、直接滤波、单相逆变输出3个环节。高压、低压部分完全隔离，并配置 UPS 电源，散热风机电源来自移相变压器，规避交流220V 突发意外断电时控制器停止运行。在控制单元运行过程中，控制单元、功率单元之间采用高速光纤通信，输入侧类似于 30 脉冲整流，输出侧类似于每相 11 电平叠波，谐波含量处于较低水平，规避谐波引发的电动机附加发热、转矩脉动、输出共模电压、噪声等问题。在安装高压变频节能硬件的基础上，需要继续加强防爆门、地面风道、反风装置密封，对现有通风网络进行检修，降低漏风问题，破除通风故障。同时检修个别失灵仪表，促使仪表恢复正常工作。2.3参数调节为确保变频方式下通风机节能效果最佳且故障状态下通风机工频运行工况最佳，根据煤矿井下需风量要求，将1 号主通风机叶片角度设置为 0（或 5），变频器工作频率最大为 38Hz、最小为 33Hz。在改造前风量为 4550 4900m3/min，电压为 68 69V，电流为 22/20A，负压为1875.1 1927.7Pa，风机转速为 750r/min。在效率为 57.78%的情况下，初始网络特性曲线与 0 线相交于一点，此时为煤矿主风机运行初始阶段变频电源调速上限，对应的风量为3470m3/s，风压为 872.5Pa，电机轴功率与风机转速分别为303.5kW、579.0r/min，风机转速为 580r/min，基本满足要求。在现场操作期间，启动 1 号通风机时，需要将 1 号通风机切换开关、2 号通风机切换开关、5 号通风机切换开关切换至对应位置；启动 2 号通风机时，需要将 3 号通风机切换开关、4 号通风机切换开关切换至对应位置，并在按下主通风机启动按钮后根据设定值进行高压变频器频率的调节，根据变频器工作频率（33 38Hz），高压变频器频率调节范围设定为 50 50Hz，加速时间、减速时间分别调整至 90s、210s，实现软启动。在煤矿主通风机软启动状态下，借助变频柜人机界面，将风机运行频率调整到负频率，促使主要通风机电动机运行速度先下降到零，再反转到设定频率对应速度，从源头规避进风门调整误操作问题。3高压变频节能改造技术在煤矿主通风机中的应用效果3.1应用效果高压变频节能改造技术在煤矿主通风机中的应用效果见表 1。3.2应用效果分析3.2.1调风量效果由表 1 可知，变频改造前，煤矿主通风机按照风门、叶 2024 年第 1 期72中国高新科技技术应用|TECHNOLOGY APPLICATION片角度调节。变频改造后，风机实现由变频器经变频调节风机转速（调节范围 0 100%），可按需调节风量。同时，在吸风量一定的情况下，煤矿主通风机变频运行较之工频运行，系统功率因数显著提高，无需额外功率因数补偿及谐波抑制，减少能源浪费。3.2.2防启动冲击效果根据表 1，变频启动改造前，煤矿主通风机直接启动易对电网造成冲击。变频改造后，风机实现变频软启动，启动期间电流波动较小，未对电网造成冲击。3.2.3节能效果表 1 显示，变频改造前，煤矿主通风机处于长时间满负荷工作状态，运行能耗较大。变频改造后，风机满负荷工作时间显著缩短，节能率高达 29%。在变频改造后，煤矿主通风机处于低速运行状态，风机运行强度、电气冲击显著下降，电气冲击、设备磨损风险显著下降，密封、轴承检修周期工作量显著减少，延长了风机工作寿命。4结语综上所述，高压变频节能改造技术在煤矿主通风机中的应用，可以实现按需调节风量，减少能源浪费，降低风机启动期间对电网造成的冲击，同时延长风机寿命。因此，煤矿机械节能改造人员应根据主通风机运行现状，明确高压变频节能改造技术应用要求，从风量调节、启动控制、自动节能等方面，策划并实施高压变频节能改造方案，降低煤矿主通风机运行能耗，为煤矿生产效益的提升提供依据。作者简介：位晓林（1990-），男，山东烟台人，山东能源集团枣庄矿业（集团）有限责任公司田陈煤矿工程师，研究方向：机电设备管理与维护。参考文献1 王鹏飞基于矿井主通风机上变频调速节能技术要点分析 J当代化工研究，2022（5）：90-922 张健三拖二模式变频驱动系统在煤矿主通风机中的探索和研究 J煤，2022（9）：68-70（责任编辑：张志明）表1高压变频节能改造技术在煤矿主通风机中的应用效果运行时间启动模式风量调节模式电流（A）电压（V）风量（m3/min）耗电量（kWh）负压（Pa）16月712月16月712月改造前直接启动电抗器降压启动调节风门调节叶片角度22/2068694550490023.310428.41041875.11927.7改造后变频软启动电机转速调节16.8/13.5693400347019.910420.4104830.1872.5K=0，1，2，255，K 为灰度值，G（K）为灰度值 K 对应的像素数。具体数据如图 3 所示。图3灰度波动曲线根据图 3 波峰曲线可以看出：波峰和波谷之间的分割线就是灰度波动阈值，显示有多个峰值。同时，通过相关数据分析，一般情况下大波峰中会出现多个小波峰。4结语基于大数据的公路桥梁试验检测技术与应用方法还有许多值得深入研究的内容，因此，本文从理论和仿真层面与传统模型公路桥梁荷载分析的实际应用效果进行比较。随着现代科技的发展和计算机大数据的深入应用，公路桥梁检测设备的精度得以提高，检测技术也随之提高，公路桥梁检测越来越精准，安全事故发生率大大降低。作者简介：杜宝鲁（1975-），男，山东泗水人，泗水县交通运输管理服务中心高级工程师，研究方向：公路与桥隧工程规划设计和建设。参考文献1 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