摘要：本文通過介紹某煤礦變頻驅(qū)動主通風(fēng)機自動化系統(tǒng)的組成及方案實施，指出煤礦主通風(fēng)機采用變頻驅(qū)動不僅可以長期安全可靠運行，而且能為企業(yè)帶來良好的社會經(jīng)濟效益。

1概述

    煤炭工業(yè)堪稱我國第一能源工業(yè),既是產(chǎn)能大戶,又是耗能大戶,同時也是節(jié)能潛力大戶，煤礦主通風(fēng)機也是煤礦生產(chǎn)的耗電大戶。煤礦通風(fēng)機節(jié)能技術(shù)措施多種多樣，目前國內(nèi)采用的風(fēng)機調(diào)節(jié)方式主要有三類：通風(fēng)網(wǎng)路調(diào)阻、通風(fēng)機結(jié)構(gòu)調(diào)整及調(diào)速節(jié)能。而采用調(diào)頻調(diào)速的變頻技術(shù)對現(xiàn)有用電設(shè)備進行節(jié)能改造，是解決我國煤炭工業(yè)高消耗、低效益的根本措施。

    煤礦開采遵循以風(fēng)定產(chǎn)的要求，有多大的風(fēng)量就允許有多大的開采量，風(fēng)量隨煤的產(chǎn)量的增加而增加。在采煤作業(yè)中瓦斯隨著煤的開采不斷地涌出，涌出瓦斯與煤的開采量呈正比，而保障每個煤礦工人正常工作所需的新鮮空氣也與煤的開采量呈正比。

    在實際的能源開采中，會隨著生產(chǎn)周期的延長而擴大開采范圍、加深開采深度，故對風(fēng)量的需求也會有一定的變動。另一方面，隨著年復(fù)一年的礦井生產(chǎn)，其生產(chǎn)能力也會減弱，此階段礦井對風(fēng)量的需求則會越來越小。

    由此可見，煤礦生產(chǎn)過程中對于通風(fēng)量需求的變化就為生產(chǎn)節(jié)能提供了非常有利的條件。

2煤礦通風(fēng)系統(tǒng)介紹

    礦井通風(fēng)系統(tǒng)的主要功能就是趕出或者是通過通風(fēng)稀釋礦井下由于能源開采產(chǎn)生的有害氣體和粉塵，以保證工作人員能夠有健康的工作環(huán)境。此外，通風(fēng)系統(tǒng)還可以調(diào)節(jié)煤礦井下的溫度，切實改善井下工作環(huán)境，由此可以保障煤礦工人身心健康，以及采煤設(shè)備的正常運轉(zhuǎn)，如圖1所示。

    通風(fēng)系統(tǒng)有三種形式。一般根據(jù)礦井的深淺、礦井周邊地理情況及開采能源自燃情況嚴(yán)重與否等，采取抽出式、壓入式或抽壓混合式通風(fēng)系統(tǒng)中的一種。

    通風(fēng)系統(tǒng)由通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)和通風(fēng)動力設(shè)備以及相關(guān)的控制設(shè)施組成。風(fēng)流由進風(fēng)井進入井下，有害的氣體隨氣流由回風(fēng)井排出，從而保證井下作業(yè)的安全。

    煤礦通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)是由進風(fēng)井、回風(fēng)井以及井下縱橫交錯的巷道構(gòu)成的一個復(fù)雜系統(tǒng)，井下通風(fēng)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)隨著生產(chǎn)過程的推進而不斷發(fā)生變化。隨著煤礦井下開采工作的進行，采區(qū)會有與準(zhǔn)備、投產(chǎn)、結(jié)束、接替相關(guān)的工作變化，采掘工作面也會出現(xiàn)不斷推進、收縮和接替的工作進程，另外煤礦井下巷道的開拓延伸和通風(fēng)構(gòu)筑物的變化等諸類工程都會引起通風(fēng)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)發(fā)生不同的變化，這樣也就難免會影響了煤礦井下通風(fēng)參數(shù)，如風(fēng)量分配、瓦斯?jié)舛鹊染唧w參數(shù)將會發(fā)生變化如圖1所示。

    一般地，礦井配備兩臺主通風(fēng)機，其中一用一備。通風(fēng)機有單電動機通風(fēng)機和雙電動機通風(fēng)機兩種，單電動機通風(fēng)機只有一組風(fēng)葉，由一臺電動機驅(qū)動。主通風(fēng)機的形式采用較多的包括離心風(fēng)機、對旋風(fēng)機、軸流風(fēng)機三種。其中，對旋風(fēng)機為雙電動機通風(fēng)機，其每臺通風(fēng)機含兩臺電動機，兩臺通風(fēng)機共四臺電動機，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

    在煤礦生產(chǎn)中，所需風(fēng)量風(fēng)壓在不同階段有不同的要求，為滿足生產(chǎn)要求，煤礦風(fēng)機通常采用以下幾種方法調(diào)節(jié)：

    （1）閘門調(diào)節(jié)；

    （2）改變通風(fēng)機轉(zhuǎn)速；

    （3）改變通風(fēng)機葉片角度；

    上述方案中以閘門調(diào)節(jié)效率最差，它是人為的改變阻力曲線，增加風(fēng)阻，越調(diào)節(jié)性能就越惡化；改變通風(fēng)機葉片角度，可改變風(fēng)機的特性曲線，使風(fēng)機在較大范圍內(nèi)以相對較高的效率運行，以達到節(jié)能降耗的目的；改變通風(fēng)機轉(zhuǎn)速，使其在最佳工況點運行，使風(fēng)機在最大的范圍內(nèi)以最高的效率運行，節(jié)能效果最好。

    高壓電機要實現(xiàn)調(diào)速，主要采用以下三種方式：

    （1）液力耦合器方式。作為液壓調(diào)速方案，它的維護工作量較大，效率也較低。

    （2）串級調(diào)速。因為采用繞線電機，滑環(huán)維護工作量大，屬于落后技術(shù)。

    （3）高壓變頻器。隨著高壓變頻器技術(shù)成熟，性價比越來越高，越來越多的場合開始采用高壓變頻器。

3系統(tǒng)方案

    本文要介紹的某大型煤礦主扇風(fēng)機為兩臺對旋軸流風(fēng)機，型號：FBCDZ-8-NO28，額定轉(zhuǎn)速740rpm；每臺風(fēng)機配用電機功率：2×630KW，電機電壓：10KVAC,額定轉(zhuǎn)速740rpm；總回風(fēng)量：11500m3/min，總進風(fēng)量：11200m3/min，因為巷道延伸或工作面布置的關(guān)系，用風(fēng)量可能實時變化。作為煤礦安全生產(chǎn)最為關(guān)鍵、重要的設(shè)備之一，主扇風(fēng)機選用西門子完美無諧波系列高壓變頻器作為它的驅(qū)動系統(tǒng)。

3.1設(shè)備組成

    該礦變頻驅(qū)動主通風(fēng)機自動化控制系統(tǒng)設(shè)備組成情況如下：

    ●風(fēng)機：對旋風(fēng)機2臺

    ●電機：防爆4臺

    ●箱式風(fēng)門：和風(fēng)機對應(yīng)2套

    ●液壓站：和風(fēng)機對應(yīng)2套

    ●高壓配電系統(tǒng)

    ●切換柜

    ●變頻器：完美無諧波變頻器4套

    ●低壓配電系統(tǒng)

    ●直流屏

    ●UPS柜

    ●PLC柜

    ●控制臺

    ●監(jiān)控計算機

    ●相關(guān)傳感器

    變頻驅(qū)動主通風(fēng)機自動化及流拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

3.2主回路

    該項目兩臺主通風(fēng)機采用對旋式風(fēng)機，風(fēng)機為雙風(fēng)扇雙電機結(jié)構(gòu)，共四臺電機。變頻器采用西門子完美無諧波系列高壓變頻器共4套，變頻器輸入電壓10000VAC，輸出電壓0-10000VAC，輸出電流70A，功率800KW。

    系統(tǒng)的供電電源分為動力供電和控制系統(tǒng)供電兩部分。動力供電來自不同的動力開關(guān)柜，兩路電源引自不同的母線段，保證動力供電的可靠性。

    變頻器與電機的回路設(shè)計上增加一臺切換柜，當(dāng)某臺變頻故障時，可以采用其他備用回路的變頻臨時驅(qū)動，當(dāng)該變頻檢修完成再按照原來回路正常投入使用如圖4所示。

3.3控制系統(tǒng)

    為了增強系統(tǒng)可靠性，本項目采用西門子S7-412H冗余控制器作為主控制器，采用PROFIBUS-DP通訊方式與高壓變頻器通訊。控制電源一路由動力開關(guān)柜內(nèi)的降壓變壓器獲得，作為主供，另一路由不間斷電源（UPS）提供作為備用。

    該PLC系統(tǒng)與上位機操作站、現(xiàn)場傳感器、變頻器以及其他設(shè)備一起組成風(fēng)機自動化監(jiān)控系統(tǒng)，完成如下功能：

（1）遠程操控功能

    上位機操作站操作員通過鼠標(biāo)點擊操作，控制風(fēng)機系統(tǒng)的遠程起停、切換以及反風(fēng)操作，系統(tǒng)按照各設(shè)備的連鎖關(guān)系順序自動運行。

（2）主機與輔機聯(lián)動、自動控制功能

    風(fēng)機可與風(fēng)門等輔助設(shè)備自動聯(lián)鎖控制，實現(xiàn)自動停車、風(fēng)機自動切換。采用自動控制可使風(fēng)機切換時間由人工控制的10分鐘降低到3分鐘，大大提高井下供風(fēng)的可靠性。

（3）自動反風(fēng)功能

    根據(jù)操作規(guī)程，可實現(xiàn)自動反風(fēng)操作。

（4）在線監(jiān)測顯示功能

    在線監(jiān)測風(fēng)機運行參數(shù)并分析和報警。如出現(xiàn)重大事故，可自動啟用備用風(fēng)機。一方面對設(shè)備的運行狀態(tài)和運行參數(shù)進行監(jiān)測，另一方面是對于通風(fēng)運行參數(shù)如風(fēng)量、風(fēng)壓、瓦斯?jié)舛取L(fēng)流溫度等的監(jiān)測，并將參數(shù)上傳至監(jiān)控計算機，和煤礦生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)相接。

    （5）其他如報表、打印、存儲等功能

4項目中的要點難點分析

4.1關(guān)于系統(tǒng)的可靠性問題

    煤礦主要通風(fēng)機的長期可靠穩(wěn)定運行以保證礦井足夠的風(fēng)量，是煤礦通風(fēng)安全控制的關(guān)鍵一環(huán)。所以在風(fēng)機變頻系統(tǒng)的設(shè)計方面，考慮最多的就是如何保證風(fēng)機系統(tǒng)可靠運行。

    除上述在供電電源、主回路設(shè)計，以及控制系統(tǒng)的設(shè)計方面考慮冗余功能外，變頻設(shè)備本身的可靠性也必須非常高。西門子GH180完美無諧波變頻系統(tǒng)在安全可靠方面具有非

    常好的設(shè)計優(yōu)勢：

    ●采用功率單元串聯(lián)結(jié)構(gòu)，功率單元模塊化設(shè)計，采用IGBT、二極管等成熟可靠高的低壓器件件，可靠性非常高

    ●具有功率單元旁路技術(shù)，旁路時間在250ms以內(nèi)的自動旁路技術(shù)可以從物理上完全旁路掉故障功率單元，而且具有三相線電壓平衡(中心點漂移)技術(shù)，允許每相有不同的功率單元數(shù)量

    ●在電源適應(yīng)性方面，允許電網(wǎng)±10%波動，電源電壓低至55%～90%之間，仍可降容使用

    ●自動再啟動功能，系統(tǒng)有瞬時停電電源恢復(fù)后的自動再啟動功能，能很好地避開雷電或其他負(fù)載變化所造成的電

    源瞬時波動現(xiàn)象

    ●旋轉(zhuǎn)負(fù)載功能，允許變頻器測定已經(jīng)處于轉(zhuǎn)動狀態(tài)的電機的速度，憑此變頻器可以輸出與電機旋轉(zhuǎn)頻率相同頻率的電壓，使得變頻器供電時對電機的沖擊最小

4.2風(fēng)機切換操作

    按照有關(guān)的規(guī)定，煤礦每一年都要進行井下的反風(fēng)演練，這樣做就是為了保證災(zāi)害發(fā)生的時候，通風(fēng)機能夠迅速的進行反風(fēng)操作，為煤礦井下提供充足的反風(fēng)量。而變頻器驅(qū)動電機的方案，可以很方便地實現(xiàn)反轉(zhuǎn)。通過人機界面的操作使主通風(fēng)機先減速到零，然后反轉(zhuǎn)到負(fù)頻率轉(zhuǎn)速，這樣既減少了人工操作的工作量和誤操作幾率，又提高了反風(fēng)安全性。

    此外，在煤礦實際生產(chǎn)過程中也不可避免地會出現(xiàn)礦井主通風(fēng)機定期或不定期地檢修倒機和故障倒機操作，而過長的倒機時間是一般高瓦斯、高突礦井所不能承受的。變頻驅(qū)動通風(fēng)機自動化系統(tǒng)則能非常方便地實現(xiàn)“一鍵式”操作倒機和自動識別運行通風(fēng)機故障的自動倒機功能，可以實現(xiàn)礦井主通風(fēng)機的快速切換，將倒機時間由傳統(tǒng)設(shè)備的10分鐘縮短到1～3分鐘左右。

    倒機操作能有效縮短時間的關(guān)鍵點就是風(fēng)機的啟停如何與風(fēng)門協(xié)同配合。操作過程簡述如下：

    反風(fēng)操作：調(diào)整1＃風(fēng)機減速——1＃風(fēng)機降到50轉(zhuǎn)/分后抱閘停車——調(diào)整1＃風(fēng)機使其開始反轉(zhuǎn)啟動——風(fēng)機達到額定轉(zhuǎn)速——風(fēng)機進入正常反風(fēng)工作狀態(tài)。

    倒機操作：調(diào)整1＃風(fēng)機減速——1＃風(fēng)機降到50轉(zhuǎn)/分后抱閘停車——關(guān)閉1＃風(fēng)門——開動2＃風(fēng)門——風(fēng)門開啟1/3時啟動2＃風(fēng)機——風(fēng)機達到額定轉(zhuǎn)速——風(fēng)機進入正常工作狀態(tài)。

4.3風(fēng)速調(diào)控方案

    煤礦通風(fēng)控制系統(tǒng)中使用的變頻技術(shù)可以對風(fēng)機的轉(zhuǎn)動速度進行控制。通風(fēng)機的出風(fēng)口位置安裝了風(fēng)速與壓力的傳感器，根據(jù)兩個傳感器發(fā)出的信號對煤礦通道的具體通風(fēng)情況做出判斷。在風(fēng)速不能達到通道的通風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)時，可以迅速地對通風(fēng)機的運轉(zhuǎn)速度實行調(diào)整，保證煤礦安全生產(chǎn)要求。通風(fēng)機控制系統(tǒng)對于風(fēng)速沒有比較嚴(yán)格的要求，風(fēng)速的合格范圍還是比較大的，一般不需要頻繁地對風(fēng)速進行調(diào)控。

    另一方面，控制系統(tǒng)與瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)，當(dāng)井下采煤工作面瓦斯突然涌出時，通過瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)自動調(diào)整變頻器工作頻率，提高主通風(fēng)機轉(zhuǎn)速，及時沖淡瓦斯?jié)舛龋ＷC安全生產(chǎn)。

4.4社會經(jīng)濟效益分析

4.4.1軟啟動功能帶來的經(jīng)濟效益

    眾所周知，變頻器具有良好的軟啟動功能。根據(jù)主通風(fēng)機的電氣參數(shù)確定最佳的S加速曲線，可以達到最佳的軟啟動效果，啟動電流小，啟動過程中的節(jié)電效果好。

    此外，軟啟動功能還保證機械系統(tǒng)沖擊降到最低，降低維護維修成本。

4.4.2調(diào)速功能帶來的社會經(jīng)濟效益

    目前各類型主通風(fēng)機大都具有葉片可調(diào)的功能，但如果僅采用調(diào)整扇葉角度的方法，電機的轉(zhuǎn)速仍然是額定轉(zhuǎn)速，而礦井通風(fēng)系統(tǒng)的工況點隨著不同生產(chǎn)時期變化而變化。在轉(zhuǎn)速不變的情況下，一臺主通風(fēng)機沒有辦法兼顧各個時期的工況，尤其在某些時期風(fēng)機的工況點是在低效率區(qū)，此時僅靠調(diào)節(jié)扇葉角度調(diào)整工況點能耗仍然較大。所以采用變頻調(diào)速技術(shù)后，可以和調(diào)整葉片角度功能互相配合使用。按照井下所需風(fēng)量和風(fēng)壓大小，預(yù)先調(diào)整通風(fēng)機葉片處于最佳的角度，再根據(jù)主通風(fēng)機特性曲線選定最佳工況點和主通風(fēng)機轉(zhuǎn)速，最后確定變頻器的運行頻率，這樣可以達到最經(jīng)濟的運行工作點。因為我們知道，只要實際運行的頻率低于50Hz的額定頻率，就具有節(jié)能的優(yōu)勢，尤其是風(fēng)機這類平方轉(zhuǎn)矩負(fù)載。

    因為變頻調(diào)速的采用，也減少了傳統(tǒng)停機調(diào)節(jié)扇葉角度的次數(shù)，大大提高了礦井通風(fēng)安全的系數(shù)。

    此外，通風(fēng)機運轉(zhuǎn)速度下降后，改善了設(shè)備運轉(zhuǎn)部位的潤滑條件，減少了傳動裝置的故障。

4.4.3縮短倒機時間帶來的社會經(jīng)濟效益

    煤礦主通風(fēng)機倒機時間大大縮短，就會大大減少因倒機期間通風(fēng)中斷、風(fēng)流紊亂造成的瓦斯積聚、瓦斯超限現(xiàn)象，消除了安全隱患，提高了整個通風(fēng)系統(tǒng)的安全可靠性，有效地保證了煤礦的安全生產(chǎn)，具有積極的社會效益；同時由于消除了風(fēng)機倒機期間瓦斯超限的問題，也節(jié)省了原來因為瓦斯超限而必須進行瓦斯排放所浪費的時間及人力物力，可以實現(xiàn)節(jié)約創(chuàng)收的經(jīng)濟效益。

5項目運行

    該系統(tǒng)在2010年底改造投入使用后，運行情況良好，系統(tǒng)可靠穩(wěn)定。在多年的運行過程中，切換柜甚至從來沒有使用過。按照當(dāng)前該礦的生產(chǎn)情況，系統(tǒng)運行在41Hz，電機功率315KW，電流41A。圖5所示為2#風(fēng)機實時監(jiān)控畫面。

6應(yīng)用總結(jié)

    隨著我國供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革的大力推進，過去那種超能力、超強度開采、井下作業(yè)人數(shù)多而效率低下的生產(chǎn)方式會逐漸優(yōu)化，對煤礦機械化、自動化程度的要求也會逐漸提高。在此背景下，煤礦通風(fēng)系統(tǒng)進行變頻驅(qū)動自動化改造也會成為一種現(xiàn)實的要求，而自動化程度的提高也會為煤礦的安全生產(chǎn)提供強有力的保障。

    上述案例中，變頻驅(qū)動主通風(fēng)機自動化控制系統(tǒng)主要實現(xiàn)了自動化運行、控制、報警等功能，我們還可以在此基礎(chǔ)上進一步開發(fā)通風(fēng)機故障預(yù)警專家系統(tǒng)，為煤礦安全生產(chǎn)保駕護航。利用自動化系統(tǒng)實時監(jiān)測的包括風(fēng)機風(fēng)壓、風(fēng)量、轉(zhuǎn)速、軸溫、通風(fēng)溫濕度和三項振動以及電機電參數(shù)、轉(zhuǎn)速、軸溫和三項振動等多種參數(shù)，進一步根據(jù)風(fēng)機機械設(shè)備事故診斷原理，通過建立一定的數(shù)學(xué)模型，形成通風(fēng)機故障預(yù)警監(jiān)控系統(tǒng)，提前對潛在故障進行診斷分析預(yù)警，發(fā)現(xiàn)通風(fēng)機損壞程度的細(xì)微變化，從而提出維修建議，不僅可避免通風(fēng)機的計劃外停機，還可提高通風(fēng)機的利用率和礦井的生產(chǎn)效率。