【煤炭行业】 IDrive系列在煤炭主通风机上的应用

　　1.工况简介

　　李村煤矿位于山西长治长子县，井田走向长5公里，倾斜宽8公里，总面积16.15平方公里，井田划分为五个采区和一个备用区，井田内含薄、中、厚煤层22个，其中可采和局部可采煤层17层，可采储量1.36亿吨。
　　矿井改扩建完成后，李村煤矿的原煤产量将达到240万吨。煤矿开采遵循以风定产的要求，有多大的风量允许有多大的开采量，风量随煤的产量的增加而增加。在采煤作业中瓦斯随着煤的开采不断地涌出，涌出瓦斯与煤的开采量呈正比，而保障每个煤矿工人正常工作所需的新鲜空气也与煤的开采量呈正比。因此为了煤矿生产安全、完成生产任务，所需风量、风压随着开采和掘进的不断延伸，巷道延长，及开采量的增加而增加，风机需用功率也随之增加。
　　李村矿原来的南翼风机随着掘进的深入，已经不能满足生产需要，故对南翼主扇通风进行了改造，撤除了原南翼主扇，增设南二主扇，大幅度提高了井下的通风能力。 

 
　　2.矿用主扇通风机调速方案选择

　　在煤矿生产中，所需风量风压在不同阶段有不同的要求，为满足生产要求，煤矿通常采用以下几种方法调节：
　　1)闸门调节；
　　2)改变通风机速度；
　　3)改变前导器叶片角度；
　　4)轴流式通风机改变动叶安装角；
　　5)离心式通风机调节尾翼摆角；
　　6)轴流式通风机改变动叶数目；
　　7)轴流式通风机改变静叶角度。

　　其中以闸门调节效率最差，它是人为地改变阻力曲线，增加风阻，越调节性能就越恶化；前导器调节和尾翼摆角调节效率比闸门要高；改变动叶安装角和动叶数目，可改变风机的特性曲线，使风机在较大范围内以较高的效率运行，以达到节能降耗的目的。改变通风机速度，使其在最佳工况点运行，使风机在最大的范围内以最高的效率运行，节能效果好。李村矿南二主扇风机为两台对旋式轴流通风机，一用一备。轴流式通
风机的一般性能曲线如图1所示：   

　　1）基本参数

　　（1）高压变频调速系统采用直接“高-高”变换形式，为单元串联多电平拓扑结构，主体结构有多组功率模块并联而成。
　　（2）变频装置控制采用LED键盘控制和人机界面控制两种控制方式，两种方式互为备用，两种方式从就地界面上可以进行增、减负荷，开停机等操作。装置保留至少一年的故障记录。
　　（3）变频器能提供两种通讯功能：标准的RS485和有触摸屏处理器扩展的通讯接口。
　　（4）在20-100%的调速范围内，变频系统在不加任何功率因数补偿的情况下，本机输入端功率因数达到0.95。
　　（5）变频装置对输出电缆的长度无任何要求，变频装置保护电机不受共模电压及dv/dt应力的影响。
　　（6）变频装置输出电流谐波不大于2%，符合IEEE5191992及中国供电部门要求，高于国标GB14549-93对谐波失真的要求。变频装置输出波形不会引起电机的谐振，转矩脉动小于0.1%。变频器可自动跳过共振点。
　　（7）变频装置对电网反馈的电流谐波不大于4%，符合IEEE5191992及中国供电部门要求，高于国标GB14549-93对谐波失真的要求。
　　（8）变频装置对电网电压的波动有较强的适应能力，在-10%～+10%电网电压波动时仍能满载输出，可以承受30%的电网电压下降而继续运行。满足煤矿的电压大幅波动的要求。
　　（9）变频装置设以下保护：过电压、过电流、欠电压、缺相保护、短路保护、超频保护、失速保护、变频器过载、电机过载保护、半导体器件的过热保护、瞬时停电保护等，联跳至输入侧6KV开关。保护的性能符合国家有关标准的规定。并提供故障、断电、停机等报警。
　　（10）变频装置带故障自诊断功能，对所发生的故障类型及故障位置提供中文指示，在就地显示并远方报警，便于运行人员和检修人员辨别和解决所出现的问题。变频装置有对环境温度的监控，当温度超过变频器允许的环境温度时，变频器提供报警。
　　（11）系统在电子噪声，射频干扰及振动的环境中连续运行。变频装置满足国家标准对电磁兼容的规定。

　　6KV电源经变频装置输入刀闸K1(k4)到高压变频装置，变频装置输出经出线刀闸QS21(Q)送至电动机；6KV电源还可以经旁路刀闸K3(k6)后由KM1(KM2)直接起动电动机，K1(K4)、K2(K5)与K3(K6)具有机械互锁装置，当K1(K4)、K2(K5)在合闸位置时K3(K6)不能操作，反之亦然；当系统处于变频回路时，变频器开机后，K1(K4)、K2(K5)操作失效，当系统处于工频回路时，工频运行后K3(K6)操作失效，以防止操作人员误操作，避免带电拉闸带来的严重后果。进出线刀闸（K1、K2、k4、k5）和旁路刀闸（K3、k6）的作用是：一旦变频装置出现故障，即可马上断开进出线刀闸，将变频装置隔离，手动合旁路刀闸，在工频电源下起动电机运行。虚线框内为手动旁路开关柜。

　　1）根据矿井生产实际情况，用户提出矿井近期（或初期）所需的风量、负压。
　　2）根据当前风机运行情况，作出目前及后期矿井通风网路阻力曲线，求出较准确的矿井通风网路阻力系统及网阻曲线方程。
　　3）确定风机直径及转速后，根据厂家提供的产品特性曲线，作出风路阻力曲线，并根据风机所需的风量和负压，找出前后期工况点，必须使工况点运行在高效区，即系统效率在80%左右。如果工况点出现在低效区，可以调整风机的的动叶角度使其处于高效区。风机叶片安装角度可以通过公式计算和作图，找工况点两者相结合的方法确定。作风路特性曲线找工况点，可以由图查得平均角度。亦可通过计算求得。根据上述方法初算出的角度，对照矿井阻力曲线和风机性能曲线作出的工况点，再确定叶片安装角度。在实际应用中,风机转速大于50%的情况下,可以满足用户井下对风量及负压的影响,且风机运行在高效区。

    
　　6.变频运行情况

　　1) 变频运行

　　变频投入运行以来一直稳定运行，输出频率、电压和电流稳定，风机运行稳定，变频器网侧实测功率因数为0.976，效率均高于96%，满载时网侧电流谐波总容量小于3%，输出电流谐波小于4%。风机以低于额定转速运行，不仅节约了能源，减少了维护费用，还降低了风机的运行噪声，经济效益良好。

　　2) 变频操作

　　变频器显示采用中文图形界面，触摸屏操作，生动直观，变频器的运行状态一目了然，各种运行数据可在触摸屏上查询，便于操作人员及时了解变频器的运行情况。变频器操作简单，两级风机可以同时起动，可在3分钟之内起动至高速，短时间内达到所需风量。由于乌兰矿属于高瓦斯矿井，主扇风机停机10分钟就是重大事故，简便的操作和短的起动时间确保了生产安全。并且反风比以前操作简单可靠，完全可满足10分钟内实现反风的要求。

　　3)能耗分析

　　主扇风机为对旋式轴流风机，一台主扇风机有两台旋转方向相反的风机组成，每台功率400kW，，当需风量为QA时，动叶角度为零度时、风机效率小于70%，以提高风机的运行效率，这时风机的运行效率约为72%，根据矿井的通风阻力曲线和提供的风机的性能曲线图得知：
　　P风损=Δp×QA/1000=（pB－pA）×QA/1000
　　=（3050-2100）×147/1000=139.7kW
　　在工频运行时，风机工作在工况点B点，这时风机通风有用功率：
　　P通=pB×QB/1000=3050×147/1000=448.4kW
　　电机功率：P电=P通/η=448.4/72%=622.8kW
　　因此，其节电率=（P电-P变）/P电=（622.8-386）/622.8=38.02%
　　风机变频运行时的效率为：
　　η=（pA×QA/1000）/P入
　　=（2100×147/1000）/386=80%
　　由此可见，变频运行时，风机效率为80%，其节电率在30%以上，节能效果十分明显。