煤礦主風(fēng)機變頻電控系統(tǒng)節(jié)能改造方案

1、煤礦主風(fēng)機變頻電控系統(tǒng)節(jié)能改造方案一、概述煤礦巷道通風(fēng)系統(tǒng)，在煤礦的安全生產(chǎn)中起到至關(guān)重要的作用，主通風(fēng)機作為煤礦 通風(fēng)系統(tǒng)中的重要設(shè)備，通常采用直接啟動、降壓啟動或者采用電力電子技術(shù)的交流電機軟 啟動方式。近年來，隨著電力電子技術(shù)、大功率半導(dǎo)體技術(shù)以及計算技術(shù)的飛速發(fā)展，煤礦 增產(chǎn)、降耗、提效被提到了重要的位置，設(shè)備節(jié)能改造勢在必行。變頻調(diào)速技術(shù)以其優(yōu)異的 調(diào)速和啟動性能，高效率、高功率因數(shù)、節(jié)電顯著和應(yīng)用范圍廣泛等諸多優(yōu)點而被認(rèn)為是最 有發(fā)展前途的調(diào)速方式之一。在煤礦巷道通風(fēng)系統(tǒng)中，隨著煤礦開采及掘進的不斷延伸，巷道延長，礦井所需的風(fēng)量不斷 增加，風(fēng)機所用功率也將逐漸加大。集結(jié)地交替，冷熱

2、的變化，所需的風(fēng)量也不斷調(diào)節(jié)，由 此，煤礦原根據(jù)反風(fēng)及開采后期運行工況所設(shè)計的通風(fēng)機及拖動的電動機的功率，通常要比 煤礦正常生產(chǎn)所需要的運行功率高。存在以下問題：1、電能的嚴(yán)重浪費煤礦的服務(wù)年限大多在60年以上，投產(chǎn)初期到井田穩(wěn)定開采一般在10年左右，這就意味 著在這10年的時間里，主通風(fēng)機一直處在較輕負(fù)載下運行。在傳統(tǒng)的技術(shù)條件下，由于電 機的轉(zhuǎn)速不可以調(diào)節(jié)，只能通過改變風(fēng)機葉片或擋風(fēng)板的角度進行風(fēng)量調(diào)節(jié)。因此造成能源 浪費，增加生產(chǎn)成本。2、For personal use only in study and research; not for commercial use3、4、啟動困難

3、，機械損傷嚴(yán)重主通風(fēng)機若采用直接啟動，啟動時間長，啟動電流大，對電動機的絕緣有著較大的威 脅，嚴(yán)重時甚至燒壞電動機。而電機在啟動過程中所產(chǎn)生的機械沖擊現(xiàn)象使風(fēng)機產(chǎn)生較大的 機械應(yīng)力，會嚴(yán)重影響到電動機、風(fēng)機及其它機械的使用壽命。5、自動化程度低主通風(fēng)機依靠人工調(diào)節(jié)風(fēng)機葉片或擋風(fēng)板角度調(diào)節(jié)風(fēng)量，不具備風(fēng)量的自動實時調(diào)節(jié) 功能，自動化程度低，檢測點少。在故障狀態(tài)下，不能及時和風(fēng)機聯(lián)動，將對礦井正常生產(chǎn) 造成嚴(yán)重影響。For personal use only in study and research; not for commercial use為了礦井的安全生產(chǎn)和降低生產(chǎn)成本，提升該煤礦的自動

4、化水品，對主扇風(fēng)機進行改造具有 非常重要的意義。根據(jù)用戶現(xiàn)場情況及現(xiàn)代工業(yè)自控技術(shù)的發(fā)展趨勢，系統(tǒng)配置方案為智能 低壓變頻調(diào)速控制設(shè)備。二、變頻節(jié)能原理智能低壓變頻調(diào)速控制系統(tǒng)利用低壓變頻調(diào)速來實現(xiàn)風(fēng)量（風(fēng)壓）調(diào)節(jié)，代替擋風(fēng)板等控 制方式不但可以節(jié)約大量的電能，而且可以顯著改善系統(tǒng)的運行性能。For personal use only in study and research; not for commercial use風(fēng)機的工況調(diào)節(jié)有兩種方法:一是改變風(fēng)機本身的性能曲線，二是改變管網(wǎng)的熱性曲線， 也可以將這兩種方法結(jié)合起來使用。而傳統(tǒng)的方法是調(diào)節(jié)風(fēng)門的方式調(diào)節(jié)風(fēng)量，與調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速來控制風(fēng)量的

5、方法相比存在著明 顯的能源浪費，其原理可由圖1來說明。Q2 Q1Q圖中，曲線1為風(fēng)機在恒速n1下的風(fēng)壓-風(fēng)量（H-Q）特性曲線；曲線5為恒速n2下的 風(fēng)壓-風(fēng)量（H-Q）的特性曲線；曲線3為管網(wǎng)的風(fēng)阻特性（風(fēng)門全開）。假設(shè)風(fēng)機在設(shè)計時工作在A點，效率最高，此時輸出風(fēng)量Q為100%，軸功率為PS1，與 Q1和H1的乘積成正比，即Ps1與A-H1-O-A所包圍的面積成正比。如果要講流量減少為Q2主要調(diào)節(jié)方式有兩種：傳統(tǒng)的方法風(fēng)機的轉(zhuǎn)速保持不變，將風(fēng)門關(guān)小，這時管網(wǎng)的風(fēng)阻特性曲線4所示，工作點移至B 點，風(fēng)量為Q2風(fēng)壓為H2，電動機的軸功率Ps2與O-Q2-B-H2-O所圍成的面積成正比。調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的

6、方法風(fēng)門的開度不變，降低風(fēng)機的轉(zhuǎn)速，這時，風(fēng)壓-風(fēng)量(H-Q)特性曲線如圖5所示，工作 點移至C點，風(fēng)量仍為Q2,但風(fēng)壓為H3，電動機的軸功率PS2與O-Qb-C-hc-O所圍成的面 積成正比。由圖可見，在滿足同樣風(fēng)量Q2的情況下，風(fēng)壓講大幅度降低到H3軸功率Ps2也明顯降 低。所節(jié)約的功率與面積B-H2-O-Q2-B和C-H3-O-Q2-C差成正比，由此可見，用調(diào)速的方法 來減少風(fēng)量的經(jīng)濟效益是十分顯著的。由流體學(xué)可知，風(fēng)量Q與轉(zhuǎn)速n的一次放成正比，風(fēng)壓H與轉(zhuǎn)速n的平方成正比，軸功 率Ps與轉(zhuǎn)速n的平方成正比，即：Q 8nH 8n2Ps8n3風(fēng)機軸功率Ps=Q - H風(fēng)機效率n，電動機功耗P

7、m=Ps/n 1-QH/n1、在實際工況點分析風(fēng)機在實際運行時，處在系統(tǒng)中某一時刻的工況稱為工作點，他是能量供求關(guān)系的平衡 點，記載系統(tǒng)提供的能量剛好滿足系統(tǒng)中所需要的能量，也即為，風(fēng)機的性能曲線與管道的 熱性曲線的焦點。管網(wǎng)通風(fēng)阻力特性方程h=RQ2,而且隨著生產(chǎn)的進行通風(fēng)阻力系數(shù)R逐漸 增大。在沒有變頻調(diào)速設(shè)備的情況下，只能夠依靠調(diào)節(jié)風(fēng)機風(fēng)葉角度，來調(diào)節(jié)風(fēng)量、風(fēng)壓之間 的關(guān)系，即如下圖2所示，由曲線1調(diào)節(jié)到曲線2,這種調(diào)節(jié)方式是有限的，因為楓葉角度 只能在-6。至U+6。之間調(diào)節(jié)，不能連續(xù)無極調(diào)速，而且由于生產(chǎn)條件的限制也不可能去隨時 調(diào)節(jié)風(fēng)量，只能依靠閥門節(jié)流方式改變供風(fēng)量，最重要的是這

8、種調(diào)節(jié)雖然相比設(shè)計最佳效率 工作點消耗的功率減少、風(fēng)量減少，但是他的效率也隨之降低，有時甚至不得不償失。 不得用于商業(yè)用途變頻調(diào)速設(shè)備以其優(yōu)良的調(diào)速性能，不僅能夠隨時調(diào)節(jié)風(fēng)量、風(fēng)壓、輸出到點擊的電壓、 電流，而且始終可以保證風(fēng)機工作在一定的通風(fēng)阻力系數(shù)下風(fēng)機工作的最佳效率點。變頻工 作時，首先可以選擇在一定的通風(fēng)阻力系數(shù)下風(fēng)機以額定轉(zhuǎn)速工作的最佳效率及最佳風(fēng)量為 工頻工作參考點，然后再進行自由無級調(diào)速。因而，可以保證風(fēng)機最大程度的工作在效率高 且經(jīng)濟的工況范圍內(nèi)，而且，安裝變頻調(diào)速設(shè)備之后，只需一次將風(fēng)機風(fēng)葉角調(diào)到最佳效率 及最佳出風(fēng)量范圍之內(nèi)即可。在原有條件調(diào)節(jié)風(fēng)機工況時，此時風(fēng)機單級運行，

9、以額定轉(zhuǎn)速N=9800r/min運轉(zhuǎn)。參考 風(fēng)機性能曲線圖，風(fēng)機設(shè)計的最佳運行工況為Q=47m3/Sh=1800Pa，風(fēng)機風(fēng)葉角度為0度，風(fēng) 機軸功率為100KW風(fēng)機效率為85%，如下圖2所示曲線1與曲線4的交點A。然而目前實際上只需要風(fēng)量Q=35.7m3/s即可滿足要求，也就是說有相當(dāng)一部分風(fēng)量需 要浪費掉，此時只能通過調(diào)節(jié)風(fēng)葉角來調(diào)節(jié)送風(fēng)量，即此工況點，風(fēng)量大約為 Q2=50m3/s,H2=750Pa,軸功率大約為Ps=55KW,然而效率卻下降為大約50%以下。比較兩種情況可知，安裝變頻調(diào)速設(shè)備以后，比以前運行更經(jīng)濟，電動機消耗的功率節(jié) 省值約為：(40/70%-50/75%)/93.5%

10、=60KW 節(jié)電率：70%。因此在一般的情況下，所需風(fēng)量從26.8%m3/S到63m3/s之間變化時，可以通過變頻調(diào) 速一直保持風(fēng)機效率在75%，節(jié)電率在71%30%之間三、系統(tǒng)配置方案1、系統(tǒng)方案為了滿足礦井風(fēng)機網(wǎng)絡(luò)智能化控制需要，本著安全、可靠、簡潔、高效的原則，結(jié)合現(xiàn) 場的實際情況，形成以低壓變頻器為系統(tǒng)的驅(qū)動核心，配以自動控制柜等組成的風(fēng)機調(diào)速控 制系統(tǒng)，通過風(fēng)速傳感器、負(fù)壓傳感器、溫度傳感器、震動傳感器等完成風(fēng)機的在線檢測。 保證系統(tǒng)的安全運行。本系統(tǒng)通過必要的轉(zhuǎn)換能夠完成對兩臺風(fēng)機的控制，具有手動和自動投工頻的功能，變頻系 統(tǒng)和工頻系統(tǒng)有電氣閉鎖。每臺風(fēng)機的電機為2 X 90KW，

11、電壓為380V，根據(jù)電機選取的西門子變頻器容量為250KW， 為一拖二控制閥方式。變頻調(diào)速裝置能夠?qū)崿F(xiàn)以下幾種工作方式：（1）變頻調(diào)速裝置滿足通風(fēng)機負(fù)載各種運行工況的要求，如電機正反轉(zhuǎn)控制、軟啟動、 控制變速或定速負(fù)載運行。（2）直接啟動，長時間運行。（3）變頻調(diào)速啟動運行，長時間運行。（4）當(dāng)一臺風(fēng)機或電機發(fā)生故障，自動切換到另一臺風(fēng)機運行，同時切換風(fēng)門。（5）可實現(xiàn)由變頻運行狀態(tài)到工頻運行狀態(tài)的轉(zhuǎn)變。（6）正常情況下，采用變頻調(diào)速裝置啟動風(fēng)機運行，在這種運行方式下，變頻裝置能 夠根據(jù)系統(tǒng)檢測到風(fēng)量與設(shè)定的風(fēng)量相比較，自動調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速，滿足礦井風(fēng)量的需要，達 到節(jié)能效果。四、系統(tǒng)配置說明根據(jù)

12、用戶提供的技術(shù)資料，主通風(fēng)機變頻調(diào)速系統(tǒng)由通風(fēng)機變頻柜、通風(fēng)機自動控制 柜和各類檢測傳感器等設(shè)備、器件構(gòu)成，系統(tǒng)主要配置表如下序號名稱規(guī)格型號數(shù)量單價合計備注1變頻調(diào)速柜FJDK-BPG2918250KW/380V 西門子變頻器2智能操作臺（控制柜）FJDK-KZ166西門子S7-200PLC現(xiàn)場總線通訊技術(shù)觸摸屏顯控3風(fēng)機切換柜FJDK-QH224運行方式切換 工頻運行控制4振動傳感器D7F-C0340.72.8數(shù)據(jù)采集5風(fēng)速傳感器KGF220.51數(shù)據(jù)采集6負(fù)壓傳感器GPD5000F20.51數(shù)據(jù)采集7溫度傳感器PT10080.21.6數(shù)據(jù)采集8風(fēng)門開停傳感器GFK30-8020.10.2

13、數(shù)據(jù)采集1、通風(fēng)機變頻調(diào)速柜用于向驅(qū)動通風(fēng)機的電機供電，根據(jù)系統(tǒng)檢測到的風(fēng)量(風(fēng)壓)與設(shè)定風(fēng)量(風(fēng)壓)相比較，自動調(diào)節(jié)電動機的轉(zhuǎn)速，以此達到隨時滿足礦井用風(fēng)量的要求，同時具有顯著的節(jié) 電效果。本變頻調(diào)速柜具有以下優(yōu)勢和特點：變頻調(diào)速裝置滿足通風(fēng)機負(fù)載各種運行工況的要求，利用變頻裝置的正、反轉(zhuǎn)控制 功能科實現(xiàn)電機反轉(zhuǎn)反風(fēng)；軟啟動，控制變速或定速負(fù)載運行。變頻器對電網(wǎng)電壓波動應(yīng)有較強的適應(yīng)能力，在 10%額定電壓波動范圍內(nèi)能滿載輸 出，70%-90%額定電壓能連續(xù)運行。變頻器設(shè)置下列保護功能：過電流、過電壓、欠電壓、 缺相、短路、失速、功率器件的過熱保護及瞬時停電保護等。變頻器輸出波形不會引起電機

14、的諧振。變頻器輸出功率350HZ變頻器內(nèi)部配置RS485接口(MODBUS或Device Net通訊協(xié)議)，可以與上位機/PLC 系統(tǒng)進行通訊。變頻器具有浪涌吸收保護功能。無論變頻器在手動或者自動控制時，在主電源、控制電源短時失電后，變頻器保持 失電前的控制方式，不需要手動復(fù)位或調(diào)整。2、智能操作臺系統(tǒng)控制核心采用德國西門子S7-200可編程控制器，配以多種檢測控制組件完成了風(fēng) 機應(yīng)有的各種工藝控制，實現(xiàn)風(fēng)機的閉環(huán)控制及各種情況下的安全保護以及系統(tǒng)切換時的各 種閉鎖?？紤]到現(xiàn)場操作人員不僅僅要看守配電房，還要看守風(fēng)機電控，為了方便操作，把 配電柜的監(jiān)控系統(tǒng)和風(fēng)機的集成到一個操作臺上.在風(fēng)機變頻

15、電控操作和監(jiān)控方面，智能操作臺提供了全面的操作按鈕，操作更簡單、方便， 同時配備的10”臺灣維綸觸摸屏，顯示風(fēng)機運行狀態(tài)、故障報警提示、操作提示等。操作 臺高度、寬度、器件布局等根據(jù)現(xiàn)場實際情況進行定做，保證操作人員的舒適性和易操作性。主要功能如下：（1）風(fēng)機主要性能測量風(fēng)量檢測；負(fù)壓檢測；溫度檢測；振動檢測（2）風(fēng)機自身保護喘振；振動；軸承溫度；電機溫度（3）系統(tǒng)控制方式就地集中控制；就地手動控制，啟停風(fēng)機，工頻變頻切換，風(fēng)機切換，風(fēng)量大小調(diào)整；有以太網(wǎng)接口，可以實現(xiàn)遠程控制，由中央控制計算機進行遠程控制；對風(fēng)速、負(fù)壓信號的實時監(jiān)測顯示，風(fēng)機電機的運行狀態(tài)顯示；風(fēng)機電機的軸承溫度實時監(jiān)測，并

16、具有超限報警功能；風(fēng)機振動狀態(tài)信息的實時監(jiān)測，并具有超限報警功能；3、風(fēng)機切換柜風(fēng)機切換柜能夠?qū)崿F(xiàn)如下功能：（1）雙回路供電（2）工頻變頻切換（3）主副風(fēng)機切換五、系統(tǒng)優(yōu)點采用變頻調(diào)節(jié)后，可以把風(fēng)門擋板全部打開，風(fēng)葉角度調(diào)到最佳角度，風(fēng)量調(diào)節(jié)只 需要通過變頻器調(diào)頻就能達到，原來消耗在擋板上的大量能量可以轉(zhuǎn)化為直接的經(jīng)濟效益， 除此之外還能產(chǎn)生間接的經(jīng)濟效益；1、實現(xiàn)電機轉(zhuǎn)速的無極變化。2、有無功補償功能，是功率因數(shù)提高到96%以上，可省去功率因數(shù)補償裝置3、變頻器自身保護功能齊全，有欠壓保護，直流過電壓保護，過流保護，短路保護， 失速保護等，大大提高了電機運行的可靠性。4、可實現(xiàn)空載軟啟動，啟動電流（小于額定電流的10%）時間大為減少，避免了因大啟 動電流造成的絕緣老化及由于大電動力矩造成的機械沖擊對電機壽命的影響，可減少對電機 的維護工作量。5、故障點在顯示屏上一目了然，減少了維修時間。大大節(jié)省了人力成本。梁建賓2011 年 6 月 20僅供個人用于學(xué)習(xí)、研究；不得用于商業(yè)用途。For personal use only in study and research; not for commercial use.Nur fur den personlichen fur Studien, For