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煤礦通風機的變頻節能改造

發布時間:2014-04-10 作者:新風光

1 引言
  變頻調速在風機和泵類負載上的應用具有顯著的節能效果,并且具有軟啟動和軟停機的優良控制特性,因此變頻器首先在冶金、電力、石化、供熱和民用風機水泵的控制領域得到廣泛的應用。由于煤礦生產的特殊環境和安全上的特殊要求,變頻器在煤礦的應用起步比較晚。隨著我國市場經濟的深入發展,煤礦的增產、降耗、提效被提到了重要地位,設備節能改造勢在必行。
  煤礦通風機按結構分為軸流式和離心式;通風機是保障煤礦安全的主要通風機械,365天晝夜運轉。礦井通風機一般配備兩套,一臺工作一臺備用。礦井通風機的額定通風能力(風量、風壓)是根據設計計算的礦井末期的通風阻力和達產時的風量確定。在礦井投產初期,風機的富裕能力是比較大的。
  在煤礦生產中,所需風量風壓在不同階段有不同的要求,為滿足生產要求,煤礦通常采用以下幾種方法調節:
(1) 閘門調節;
(2) 改變通風機速度;
(3 )改變前導器葉片角度;
(4) 軸流式通風機改變動葉安裝角;
(5) 離心式通風機調節尾翼擺角;
(6 )軸流式通風機改變動葉數目;
(7 )軸流式通風機改變靜葉角度。
  其中以閘門調節效率最差,它是人為地改變阻力曲線,增加風阻,越調節性能就越惡化;前導器調節和尾翼擺角調節效率比閘門要高;改變動葉安裝角和動葉數目,可改變風機的特性曲線,使風機在較大范圍內以較高的效率運行,以達到節能降耗的目的。改變通風機速度,使其在較佳工況點運行,使風機在較大的范圍內以較高的效率運行,節能效果好。
2 礦用通風機采用變頻調速改造的優點
  隨著電力電子技術、微電子技術、信息技術和現代控制理論在調速系統中的應用,并且由于近年電力緊張,變頻調速技術已經成為現代電力傳動的一個發展方向,卓越的調速性能,使得變頻器在煤礦生產中的節能效果越發顯著。因此,將礦用通風機改為變頻器控制,將傳統的電機調速技術、現代電力電子技術以及計算機控制技術結合在一起,當煤礦通風量發生變化時,自動調速,使通風機在經濟的轉速下有效運行,從而達到節電的效果。變頻調速節能控制裝置的特點:(1)調速效率高;(2)調速范圍大;(3)調速精度高;(4)啟動電流小,而且容易實現閉環控制。由于可以利用原普通交流異步電動機,所以特別適合對原有舊設備的技術改造,它既保持了原風機、電動機不用更換的優點,又能達到節電的顯著效果,是礦用通風機調速節能的理想方法。
3 用戶現場設備介紹
  肥城礦業集團公司陶陽煤礦中三井2003年前使用的通風設備,為渦輪式通風機(70B2)。此類設備效率低(最高只能達到60%)、能耗大。效率低的主要原因是無法進行調速運行,只能通過調整葉片角度來控制風量和風壓,而礦井最初通風設備選型時,留有較大余量,長時間內達不到滿負荷運轉。
  2K56系列風機是沈陽鼓風機(集團)有限公司與東北大學合作,共同開發的新型礦井節能風機。該機為雙級葉輪軸流通風機,葉片采用鑄造鋁合金,型線為機翼型扭曲式,安裝角度可在20°~50°之間調整。當需要返風時,可使通風機直接反轉,不需要調整風機的任何裝置。裝置最高靜壓效率達85.3%。產品有效區域寬廣,該系列風機的裝置靜壓效率比老式風機70B2提高近14%。
  為改變原通風機落后運行方式,陶陽煤礦中三井領導決定把兩臺老式渦輪通風機70B2—21NO-24型風機(500 kW/6kV)更換為軸流式節能風機2K56-2N0-24,采用變頻調速的方法來控制風量的大小。
  陶陽煤礦中三井領導經過慎重考察,認真比較,選用山東新風光電子科技發展有限公司生產的風光牌JD-BP37-500F型(500kW/6kV、2套)高壓變頻系統,對中三井1#、2#通風機進行變頻改造。高壓變頻器于2008年4月投運,設備至今運行良好。經過肥礦集團檢測中心的檢測,各項性能指標達到設計要求,通風機實現了有效運行,改造達到了預期目的。
  陶陽煤礦中三井通風機為兩臺,一用一備,現場1#、2#通風機設備參數相同,下面表1給出1#通風機基本參數。
  表1為現場電機參數,表2為風機參數。

  

 

4 山東新風光電子JD-BP37-500F高壓變頻器
4.1JD-BP37-500F高壓變頻器的主要性能指標

  變頻器功率: 500kW
  輸入頻率:   50Hz
  輸入電壓:   6.0kV±20%
  輸出電壓:   三相正弦波電壓0-6kV
  額定電流:   61A
  輸出頻率:   0-120Hz
  頻率分辨率: 0.01Hz
  加速時間:   可按工藝要求設定
  減速時間:   可按工藝要求設定
  故障診斷及檢測:自動檢測,自動定位
  網側功率因數:0.95(高速時)
  過載保護:   150%1分鐘
  防護等級:   IP20
  環境濕度:   90%,無凝結
4.2性能特點
(1) 全中文WINDOWS操作界面,彩色液晶觸摸屏;
(2)輸入功率因數高,電流諧波少,無須功率因數補償/諧波抑制裝置;
(3)輸出階梯正弦PWM波形,無須輸出濾波裝置,對電纜、電機絕緣無損害,電機諧波少,減少軸承、葉片的機械振動,輸出線可以長達1000米;
(4)功率電路模塊化設計,維護簡單;
(5)高壓主回路與控制器之間為光纖連接,安全可靠;
(6)完整的故障監測電路、精確的故障報警保護;
(7)內置PLC,易于改變控制邏輯關系,適應多變的現場需要;
(8)可靈活選擇現場控制/遠程控制;
(9)可接受和輸出0~5V/4~20mA工業標準信號;
(10)可根據用戶需要內置PID調節器;
(11)完整的通用變頻器參數設定功能。
5 改造主回路控制方案
  風光高壓變頻調速系統由一次回路進線柜(旁路柜)、變壓器柜、變頻單元柜和操作控制柜組成。旁路柜在變頻器維護過程中或變頻器出現故障時,將電機投入到工頻電網運行,保證生產不受影響。變頻運行時,變頻器為電機提供全面的保護。高壓變頻器旁路柜一次回路如圖1所示。 

  DL:用戶高壓真空斷路器
  K1、K2、K3:高壓變頻器內置高壓隔離開關
  BPQ:JD-BP37-500F高壓變頻器
  D:500kW/6kV異步電動機
  圖1手動旁路柜中,共有3個高壓隔離開關,為了確保不向變頻器輸出端反送電,K2與K3采用電磁互鎖操動機構,實現電磁互鎖。當K1、K3閉合,K2斷開時,電機變頻運行;當K1、K3斷開,K2閉合時,電機工頻運行,此時變頻器從高壓中隔離出來,便于檢修、維護和調試。
  旁路柜必須與上級高壓斷路器DL連鎖, DL合閘時,絕對不允許操作旁路隔離開關與變頻輸出隔離開關,以防止出現拉弧現象,確保操作人員和設備的安全。

6節能計算
6.1風機節能計算公式

  風機流量變化量,如前所述,采用變頻調速是有效的節電措施。根據GB12497-1995《三相異步電動機經濟運行》對電機經濟運行管理的規定有如下的計算公式。

6.2節能計算


  
采取風門調節風量時風機所需的軸功率為401kW,變頻器調風量時相對調節風門調風量的節電率為0.364。
 ?。?)每年節電量計算(每年按工作300天計算)
  每年工作天數小時數功率節電率=300X24x401x0.364=1050940.8kW·h
 ?。?)每年節電費計算(電價按0.5元/計算)
  電費單價x用電量=0.5x1050940.8=525470.4元

6.3實際節能情況
  風機采用變頻器改造投入運行后,電流從55A下降到26A左右,運行頻率35Hz,輸入電流26A,輸入電壓6.3kV,輸出電流49A,輸出電壓4kV,風機電機功率從411.52kW下降到260.68kW,一年節電量(411.52-260.68)X300X24=1086048kW·h,實際年節電費用543024元,與理論計算值基本吻合。

7變頻改造的其他優點
 ?。?)采用變頻器后啟動風機時可以實現變頻軟啟動,避免了啟動電流對電網及控制設備的沖擊,可以有效地延長電氣設備的使用周期。
 ?。?)按需調節風量,調速范圍寬且調速精度高,避免浪費。進行變頻改造后,風機的風量不再需要通過改變葉片角度來調節,而是由變頻器通過調節電機的轉速來實現,調節線性度好,因而可以根據井下生產需要隨時調節風量,避免了浪費。
 ?。?)降低了風機的工作強度,延長了使用壽命。進行變頻改造后,風機的大部分時間工作在低速狀態下,因而大大降低了風機的機械強度和電氣沖擊,大大延長了風機壽命,提高了風機的安全運行系數和運行周期。
 ?。?)變頻器具有短路、過載、過壓、欠壓、缺相等各種保護,有效地保護了電機。
 ?。?)改善了現場工作環境,由于降低了風機的轉速,風機噪聲大大降低,深受現場工作人員的歡迎。
 ?。?)減少了反風中的操作環節,以前反風需要操作系統的立式風門、水平風門以及反風風門,工序繁多而且經常出現倒錯風門的事故?,F在使用軸流式風機和變頻器控制后,反風時極其簡單,只要在人機界面上將運行頻率調整為負的頻率,電機就會先減速至零點然后再反轉到所調頻率,這期間不用再調整整個風門系統,減少了工作量,降低了操作過程中的故障率。
8結束語
  肥城礦業集團公司陶陽煤礦中三井通風機經過變頻改造之后,不僅達到了良好的節能效果,并且使整套通風系統的穩定性提高了一個大臺階。我國是世界上的產煤大國,也是噸煤電耗比較高的國家。如果煤礦需要調速的設備,多數能使用變頻調速裝置改造,節約的能源將是非??捎^的。

 

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