變頻調(diào)速技術(shù)在礦用對(duì)旋軸流式通風(fēng)機(jī)的

節(jié)能應(yīng)用與分析

作者：黃貴庭

    摘  要：針對(duì)礦用對(duì)旋軸流式通風(fēng)機(jī)的工作特性，應(yīng)用異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速原理，通過(guò)分別改變兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行頻率，實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)兩級(jí)動(dòng)葉干涉性調(diào)速的最佳流動(dòng)匹配，進(jìn)而對(duì)通風(fēng)機(jī)運(yùn)行工況進(jìn)行隨機(jī)合理調(diào)節(jié)，滿足礦井風(fēng)量、負(fù)壓需求，減小通風(fēng)機(jī)運(yùn)行功率，達(dá)到通風(fēng)機(jī)的最佳節(jié)能效果。

    關(guān)鍵詞：對(duì)旋軸流式通風(fēng)機(jī)  異步電動(dòng)機(jī)  變頻  節(jié)能 Abstract：According tO mine use for Xuan the work that axle flows  out  type  ventilator  property，  the  application asynchronous motor principle Of frequency control iS clear and excessly other tO change the running frequency Of two motors，realize fan two levels tO move leaf interference operation best flow tO match，and then for ventilator operating conditions carry out radom reasonable regulation，satisfy pit air volumeand the demand Of negative pressure，reduce the best effect Of energy saving that 1ittle ventilator runs power and reaches  ventilator．

    Keyword：

    For Xuan axle flow out the type ventilator asynchronous   motor energy saving Of frequency conversion

    一、引言

    主扇風(fēng)機(jī)是礦山企業(yè)為礦井送風(fēng)的一種主要設(shè)備。設(shè)備性能的優(yōu)劣，直接影響著礦井的安全生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)合理運(yùn)行狀況。由于軸流式通風(fēng)機(jī)具有高效、高壓、低噪音，且土建安裝工程費(fèi)用較低等優(yōu)點(diǎn)，已逐漸被大中型礦山企業(yè)所采用。但由于傳統(tǒng)研發(fā)的局限性和設(shè)計(jì)、選型、調(diào)試等綜合管理等因素，致使礦山企業(yè)風(fēng)機(jī)類(lèi)設(shè)備效率低、能耗高、“大馬拉小車(chē)”的現(xiàn)象較為普遍存在。本文通過(guò)吸取前人對(duì)對(duì)旋軸流式通風(fēng)機(jī)的研究成果，結(jié)合變頻技術(shù)的特點(diǎn)，進(jìn)行了節(jié)能性應(yīng)用分析，僅供同行商榷。

   二、對(duì)旋軸流式通風(fēng)機(jī)的發(fā)展和主要研究成果

    礦用對(duì)旋軸流式通風(fēng)機(jī)屬葉輪機(jī)械。所謂“對(duì)旋”的概念，是指兩個(gè)葉輪以互為相反的旋轉(zhuǎn)方向旋轉(zhuǎn)。它是依據(jù)一元相似理論和相關(guān)流體力學(xué)原理為基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)計(jì)和研發(fā)的。對(duì)旋軸流式葉輪機(jī)械的研究與應(yīng)用經(jīng)歷了幾十年的發(fā)展過(guò)程，取得了豐碩成果。早在上個(gè)世紀(jì)三十年代，對(duì)旋軸流式通風(fēng)機(jī)已被人們所悉知。設(shè)置在ONERA(法國(guó)國(guó)家航空研究局)的大型風(fēng)洞，利用兩臺(tái)55000馬力的水輪機(jī)作為動(dòng)力所進(jìn)行的風(fēng)洞試驗(yàn)。得到了轉(zhuǎn)速在100—240轉(zhuǎn)/分的綜合特性曲線。同時(shí)，相繼獲得了前置葉輪不同轉(zhuǎn)速的特性曲線和相對(duì)功率消耗曲線^[1]。

    二十世紀(jì)九十年代，我國(guó)對(duì)對(duì)旋軸流式通風(fēng)機(jī)的研究也十分活躍，其研究的重點(diǎn)主要是新型高效率、低噪音的優(yōu)化設(shè)計(jì)及流場(chǎng)計(jì)算分析等。隨著理論設(shè)計(jì)和實(shí)際應(yīng)用的不斷深化，使我們找到了對(duì)旋軸流式通風(fēng)機(jī)兩級(jí)動(dòng)葉的風(fēng)壓特性、風(fēng)量特性和功率特性的氣能特性規(guī)律，具體成果如下：

    1、對(duì)旋軸流式通風(fēng)機(jī)因?yàn)闆](méi)有靜葉不存在靜葉損失^[2]，因此其通風(fēng)效率比普通風(fēng)機(jī)要高。

    2、對(duì)旋軸流式通風(fēng)機(jī)有較大的逆向送風(fēng)能力，其一般可達(dá)70％—80％，而普通風(fēng)機(jī)的逆向送風(fēng)能力僅為30％—40％。

    3、根據(jù)不同的風(fēng)壓、風(fēng)量要求，對(duì)旋軸流式通風(fēng)機(jī)可采用前置葉輪、后置葉輪同時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)；前置葉輪運(yùn)轉(zhuǎn)，后置葉輪停止：后置葉輪運(yùn)轉(zhuǎn)，前置葉輪停止。這三種運(yùn)行方式(但試驗(yàn)中后兩種運(yùn)行方式效率偏低，噪音也效高，一般不宜采用)大大拓寬了實(shí)際應(yīng)用范圍^[3]。

    4、對(duì)旋軸流式通風(fēng)機(jī)的壓力一風(fēng)量特性曲線較陡，因此較小的風(fēng)壓變化，即可得到較大的風(fēng)量變化，較好的滿足實(shí)際風(fēng)量的需求。

    5、在實(shí)際應(yīng)用中，由于礦井管網(wǎng)特性的變化，致使對(duì)旋軸流式通風(fēng)機(jī)的運(yùn)行工況逐漸偏離設(shè)計(jì)工況。通過(guò)對(duì)實(shí)際運(yùn)行中有關(guān)數(shù)據(jù)的分析得知：后置葉輪的氣動(dòng)負(fù)荷要比前置葉輪的氣動(dòng)負(fù)荷較大，且前置、后置兩級(jí)葉輪的功率特性也發(fā)生了相應(yīng)變化。

6、在保持前、后兩級(jí)葉輪工況特性在高效區(qū)運(yùn)行的前提下，因?yàn)榍爸萌~輪為后扭型，后置葉輪為預(yù)扭型，后置葉輪的風(fēng)壓一風(fēng)量特性相對(duì)于前置葉輪的風(fēng)壓一風(fēng)量特性較陡。因此，前置葉輪安裝角度的變化主要影響風(fēng)機(jī)的風(fēng)壓特性的變化;后置葉輪的安裝角度的變化主要影響風(fēng)機(jī)風(fēng)量特性的變化。同理：在前置、后置兩級(jí)葉輪安裝角度(預(yù)設(shè))不變的情況下，前置葉輪轉(zhuǎn)速的變化主要影響對(duì)旋軸流式通風(fēng)機(jī)風(fēng)壓特性的變化；后置葉輪轉(zhuǎn)速的變化主要影響對(duì)旋軸流式通風(fēng)機(jī)風(fēng)量特性的變化。其轉(zhuǎn)速比、功率比大致在1.07—1.68之間，也可獲得較大范圍的高效運(yùn)行區(qū)(約為10％)。

7、采用雙電機(jī)雙端驅(qū)動(dòng)方式，有利于根據(jù)礦井實(shí)際風(fēng)壓、風(fēng)量需求和礦井管網(wǎng)特性隨機(jī)進(jìn)行調(diào)整，使對(duì)旋軸流式通風(fēng)機(jī)能夠保持較為安全合理的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行狀態(tài)。

綜上所述：對(duì)旋軸流式通風(fēng)機(jī)前置葉輪和后置葉輪的結(jié)構(gòu)較為緊湊，但其驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)過(guò)程特性較為復(fù)雜。前置葉輪和后置葉輪合理的軸向間隙和徑向間隙，兩級(jí)葉輪轉(zhuǎn)速的最佳合理匹配，不僅影響到機(jī)器的噪音程度，同時(shí)還對(duì)對(duì)旋軸流式通風(fēng)機(jī)壓縮性、失速裕度、運(yùn)行效率，對(duì)旋級(jí)壓升、風(fēng)壓一風(fēng)量的綜合氣動(dòng)特性有著最關(guān)鍵的影響因素，這就為我們提供了探討和研究新的調(diào)速方式，改善綜合性能提供了較為可靠的理論依據(jù)。因此我們?cè)囅脒\(yùn)用變頻調(diào)速技術(shù)對(duì)旋軸流式通風(fēng)機(jī)前置葉輪和后置葉輪進(jìn)行干涉性運(yùn)轉(zhuǎn)以求實(shí)現(xiàn)高效、合理、節(jié)能的運(yùn)行工況。

 

三、變頻調(diào)速節(jié)能原理：

1、異步電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速性能

根據(jù)電機(jī)學(xué)原理，交流異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速公式；

n=         (1-s)           （3—1)

式中：n——電機(jī)轉(zhuǎn)速

      s——轉(zhuǎn)差率

      p——定子磁極對(duì)數(shù)

      f—電源頻率

由上述公式得知，在保持p、s不變的條件下，若均勻的改變電源頻率f，可以平滑的改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。

對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行調(diào)速控制屬于減少空氣動(dòng)力的節(jié)電方法。它同—般常用的調(diào)節(jié)風(fēng)門(mén)控制風(fēng)量方法相比，有著明顯的節(jié)電效益。其節(jié)電原理見(jiàn)圖3-1。

曲線(1)為風(fēng)機(jī)在恒速下風(fēng)壓一風(fēng)量(H—Q)特性：曲線(2)為恒速下功率一風(fēng)量(N—Q)特性；曲線(3)為礦井管網(wǎng)風(fēng)阻特性(風(fēng)門(mén)全開(kāi))。

若風(fēng)機(jī)在設(shè)計(jì)時(shí)工作在(A)點(diǎn)效率最高，輸出風(fēng)量Q_I為100％，此時(shí)軸功率N₁與Q₁、H_I的乘積面積AH_IOQ₁成正比。根據(jù)工藝要求，當(dāng)風(fēng)量需由Q_I下降到Q₂ (例如50％風(fēng)量)時(shí)，如采用調(diào)節(jié)風(fēng)門(mén)方法，相當(dāng)于增加礦井管網(wǎng)阻力，使礦井管網(wǎng)阻力特性變到曲線(4)，系統(tǒng)由原來(lái)工況點(diǎn)(A)移到新的工況點(diǎn)(B)進(jìn)行，由圖3-1可見(jiàn)，此時(shí)風(fēng)壓反而增加，而軸功率N₂與面積BH₂0Q₂成正比，減少不多。而如果采用變頻調(diào)速控制，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速由N₁降到N₂，根據(jù)風(fēng)機(jī)參數(shù)的比例定律，畫(huà)出在轉(zhuǎn)速N₂下的風(fēng)壓一風(fēng)量(H—Q)特性，如曲線(5)所示，可見(jiàn)在滿足Q₂的情況下，風(fēng)壓H：大幅度下降到H₃，功率N₃(相當(dāng)于面積CH₃0Q₂)，隨著顯著減少，節(jié)省的功率損耗△N=△H×Q₂與面積BH₂H₃C成正比，可見(jiàn)節(jié)能效果是十分顯著的。

    2、調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)風(fēng)量的途經(jīng)。

(1)、通過(guò)改變風(fēng)機(jī)的管網(wǎng)阻力特性來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)機(jī)風(fēng)量的調(diào)節(jié)如 圖3—2所示。

 

 

   

 

 

 

 

 

這種辦法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便。相對(duì)節(jié)流調(diào)節(jié)風(fēng)量能減少節(jié)流損耗。但是，① 隨機(jī)調(diào)節(jié)性能較差，費(fèi)工、費(fèi)時(shí)。

 ②對(duì)于對(duì)旋軸流式風(fēng)機(jī)而言，風(fēng)機(jī)節(jié)風(fēng)機(jī)調(diào)整角度有效分格(風(fēng)葉角度)為三格，平均為30度、35度、40度，調(diào)整的適應(yīng)性較差，不能在滿足風(fēng)量需求的情況下達(dá)到應(yīng)有的節(jié)能效果和實(shí)現(xiàn)較高的風(fēng)機(jī)效率。

(3)通過(guò)改變風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)風(fēng)量的調(diào)節(jié)。當(dāng)風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速改變時(shí)，其性能曲  線的變化如圖3—4所示。當(dāng)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為n₁時(shí)，風(fēng)機(jī)的風(fēng)壓-風(fēng)量曲線與管網(wǎng)特性曲線R₁相交與M₁點(diǎn)，其風(fēng)量一風(fēng)壓分別為Q₁、H₁。若工藝變更，需要的風(fēng)量為Q1可將風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)到n2，風(fēng)機(jī)的性能曲線(H—Q)相應(yīng)下降并與R₁相交與M₂點(diǎn)，此時(shí)風(fēng)量為Q₂，風(fēng)壓為H₂，可將風(fēng)量風(fēng)壓下降，達(dá)到風(fēng)量調(diào)節(jié)作用。相對(duì)于節(jié)流調(diào)節(jié)而言當(dāng)風(fēng)量為Q₂時(shí)是靠調(diào)節(jié)擋風(fēng)板來(lái)實(shí)現(xiàn)的。此時(shí)雖然風(fēng)量下降了，但風(fēng)壓相對(duì)于調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速而言，反而上升了。因而變速調(diào)節(jié)比節(jié)流調(diào)節(jié)時(shí)的風(fēng)壓要減小△H=H₁-H₂。因此，在認(rèn)為效率不變時(shí)，相應(yīng)的主功率要減小△P=Q·△H／102n_Tn_F (Kw)，即變速調(diào)節(jié)比節(jié)流調(diào)節(jié)時(shí)風(fēng)機(jī)從電網(wǎng)吸收的功率要減少。因此，風(fēng)機(jī)的風(fēng)量調(diào)節(jié)，無(wú)論是變流調(diào)節(jié)，或者是風(fēng)葉角度的調(diào)節(jié)其節(jié)能效果都不如變速調(diào)節(jié)的方式隨機(jī)、靈活有效。所以風(fēng)機(jī)變速調(diào)節(jié)的方式是最佳有效的節(jié)能調(diào)節(jié)方式。

4、風(fēng)量、風(fēng)壓、轉(zhuǎn)速、功率的比例定律

由流體力學(xué)和風(fēng)機(jī)比例定律得出風(fēng)機(jī)、風(fēng)量與轉(zhuǎn)速及軸功率的關(guān)系為：

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

式中：  Q₁、Q₂——風(fēng)量

    P₁、p₂一一軸功率

    N₁、N₂——轉(zhuǎn)速

    H₁、H₂——風(fēng)壓

    當(dāng)降低風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速時(shí)，流量也同比例下降，但功率卻以轉(zhuǎn)速的立方下降，其功率與轉(zhuǎn)速、壓力、流量、節(jié)電率等關(guān)系如下：

見(jiàn)表(3-1)

頻率（HZ）	50	45	40	35
轉(zhuǎn)速（%）	100	90	80	70
風(fēng)壓（%）	100	81	64	49
流量（%）	100	90	80	70
功率（%）	100	72.9	51.2	34.3
節(jié)電率（%）	0	27.1	48.8	65.7

當(dāng)風(fēng)量減少，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速下降時(shí)，其功率降低很多。若風(fēng)量下降到80％，轉(zhuǎn)速也下降到80％時(shí)，則軸功率N約將下降到(0.8)³=51．2％。如果風(fēng)量下降到35％，轉(zhuǎn)速也下降70％，則軸功率N約下降到(0.7)³=34.3％，約節(jié)電65.7％。

    需要說(shuō)明的是異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速節(jié)能，并不是著眼于電機(jī)本身的效率，雖然在很多調(diào)速方法中，電機(jī)的效率并未提高甚至降低，但由于轉(zhuǎn)速的降低，使電機(jī)與負(fù)載的機(jī)械特性配合適當(dāng)，能改變運(yùn)行的工作點(diǎn)，則可得到較好的整體節(jié)能效果。

    因此，對(duì)風(fēng)機(jī)類(lèi)機(jī)械采用調(diào)速控制方式來(lái)調(diào)節(jié)風(fēng)量(流量)，并通過(guò)對(duì)變頻器與電動(dòng)機(jī)組合的拖動(dòng)方式的負(fù)載特性、電壓、電流、轉(zhuǎn)矩及功率因數(shù)等相互關(guān)系的分析，所得出的結(jié)論是：變頻調(diào)速器在風(fēng)機(jī)類(lèi)設(shè)備的推廣應(yīng)用，節(jié)約用電是一種有效的辦法，而且由于風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速降低，對(duì)電機(jī)的和機(jī)械部件降低磨損延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命都很有利。

    四、變頻調(diào)速方法及容量的選擇

    1、變頻調(diào)速技術(shù)是適用于所有風(fēng)機(jī)類(lèi)的節(jié)能控制方法，在對(duì)旋軸流式通風(fēng)機(jī)應(yīng)用則更能發(fā)揮其自身的節(jié)能優(yōu)勢(shì)。它是在礦井管網(wǎng)特性曲線不變時(shí)，采用分別改變或同時(shí)改變兩級(jí)葉輪電動(dòng)機(jī)的干涉性轉(zhuǎn)速來(lái)改變通風(fēng)機(jī)的綜合特性，從而改變它的工況點(diǎn)，達(dá)到改變風(fēng)量、風(fēng)壓目的，實(shí)現(xiàn)節(jié)能效果，這也是與其它風(fēng)機(jī)類(lèi)相比的重要區(qū)別。

由于風(fēng)機(jī)的全壓、與轉(zhuǎn)速的平方成正比例，因此風(fēng)機(jī)的調(diào)速范圍不大，一般在2:1左右(實(shí)驗(yàn)中得知，對(duì)旋軸流式通風(fēng)機(jī)前置后置兩級(jí)葉輪的調(diào)速比大致為0.64:1:1.68)。風(fēng)機(jī)變速運(yùn)行在于調(diào)節(jié)風(fēng)量、風(fēng)壓，因而對(duì)調(diào)速裝置的性能要求不是很高，只要能滿足正常運(yùn)行就可以了，就是慢幾轉(zhuǎn)或快幾轉(zhuǎn)都不會(huì)影響風(fēng)機(jī)的運(yùn)行。因此調(diào)速方法適用性較為廣泛。

    改用變頻調(diào)速電力傳動(dòng)系統(tǒng)，必然增加投資并在運(yùn)行過(guò)程中增加消耗。為了取得最大經(jīng)濟(jì)效益，在選擇風(fēng)機(jī)調(diào)速方法時(shí)，應(yīng)根據(jù)風(fēng)機(jī)的性能、礦井管網(wǎng)阻力特性狀況、容量大小、風(fēng)量變化幅度、調(diào)速裝置的效率高低、技術(shù)復(fù)雜程度、價(jià)格高低、維修難易程度，對(duì)電網(wǎng)影響等多種因素進(jìn)行綜合經(jīng)濟(jì)技術(shù)分析比較，才能選擇較為適用的的變頻調(diào)速控制方法。

    2、變頻調(diào)速方法及容量的選擇按一下順序進(jìn)行．

(1)、要按照礦井管網(wǎng)阻力特性和生產(chǎn)周期及階段風(fēng)量、風(fēng)壓需求參數(shù)進(jìn)行綜合分析。

這個(gè)兩個(gè)參數(shù)必須經(jīng)過(guò)比較準(zhǔn)確的分析計(jì)算，無(wú)須給其“層層加碼”，使其裕度過(guò)大，目前，“大馬拉小車(chē)”的現(xiàn)象仍較為普遍。一般來(lái)說(shuō)，最好使計(jì)算值與實(shí)際相差不超過(guò)10％，這樣才可使風(fēng)機(jī)在高效區(qū)中運(yùn)行。

    (2)、系統(tǒng)影響因數(shù)的考慮

    在計(jì)算通風(fēng)系統(tǒng)阻力選擇風(fēng)機(jī)時(shí)，與風(fēng)機(jī)出口連接的部件的阻力值，是在實(shí)驗(yàn)室中以均勻氣流模擬而進(jìn)行測(cè)定的．而在實(shí)際運(yùn)行中，這些部件是處于不均勻氣流作用下，故實(shí)際阻力值往往大于測(cè)定值．，同樣的風(fēng)機(jī)還有性能曲線的差異。美國(guó)空氣流動(dòng)與控制協(xié)會(huì)(AMCA)就為之進(jìn)行了大量的測(cè)試研究工作，提出了系統(tǒng)影響因數(shù)的概念，其定義為：是一種壓力損失因數(shù)，用以考慮風(fēng)機(jī)入口和出口障礙以及其它裝于系統(tǒng)中并對(duì)風(fēng)機(jī)性能有影響的部件所造成的風(fēng)機(jī)壓力損失。因此，在設(shè)計(jì)應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)具體情況充分考慮這些影響因素，并盡可能予以避免和減少，從而達(dá)到節(jié)能的目的。

    (3)、根據(jù)高效、節(jié)能、低噪的主次選型

    通常，對(duì)于功率大的風(fēng)機(jī)要特別重視節(jié)能和高效，對(duì)于功率不大但用量多的風(fēng)機(jī)，選型時(shí)注意選高效型。值得注意的是選用了高效風(fēng)機(jī)并不等于就是節(jié)能，把變頻技術(shù)應(yīng)用于對(duì)旋軸流式通風(fēng)機(jī)也并不等于節(jié)能。還應(yīng)要看實(shí)際運(yùn)行中全部或大部分工況是否處于風(fēng)機(jī)性能曲線的最高效率點(diǎn)附近。而且同一臺(tái)高效風(fēng)機(jī)．若調(diào)節(jié)方式不同，節(jié)能效果仍有很大差異。

3、變頻器容量的選用

根據(jù)規(guī)范要求和該風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀況，在選用變頻調(diào)速傳動(dòng)技術(shù)改造時(shí)，應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

    (1)、根據(jù)匹配電動(dòng)機(jī)容量和負(fù)荷特性選擇變頻器。凡4極以上電動(dòng)機(jī)選變頻器時(shí)，應(yīng)大一個(gè)規(guī)格；8極以上應(yīng)大于兩個(gè)規(guī)格。(即所配電動(dòng)機(jī)容量的1．15的備用系數(shù))

    (2)、風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速運(yùn)行的節(jié)電效果主要與其風(fēng)量變化大小有關(guān)。風(fēng)量在額定風(fēng)量90％以上變化時(shí)，雖然節(jié)能效果不甚明顯，但柔性啟動(dòng)及變矩性負(fù)載特性的隨機(jī)調(diào)整，較為靈活，仍具有其優(yōu)點(diǎn)。

    (3)、風(fēng)量變化經(jīng)常在額定風(fēng)量60％以下的應(yīng)采用高效調(diào)速方式。

(4)、在全風(fēng)量范圍變化的風(fēng)機(jī)采用調(diào)速裝置時(shí)，風(fēng)量在90％以上時(shí)，必須具有工頻恒速運(yùn)行切換裝置。

    (5)、為取得變頻調(diào)速節(jié)電的良好效果，調(diào)速裝置應(yīng)配有根據(jù)風(fēng)量變化的自動(dòng)控制裝置，當(dāng)風(fēng)量需要變化時(shí)，能按照給定的變化參數(shù)自動(dòng)地改變轉(zhuǎn)速，以期取得最好節(jié)電效果。

    五、拖動(dòng)方案的選擇

    根據(jù)上述，對(duì)旋主流式通風(fēng)機(jī)的氣能特性、礦井管網(wǎng)特性和變頻調(diào)速技術(shù)的主要特點(diǎn)在合理選擇前置、后置風(fēng)葉安裝角度的同時(shí)，對(duì)風(fēng)機(jī)電機(jī)的拖動(dòng)方式案可作以下選擇：

   

 

 

 

 

 

 

 

 1、方案一

    一拖二方式，即利用一臺(tái)合適容量的變頻器同時(shí)拖動(dòng)前置、后置兩級(jí)動(dòng)葉風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)(如圖5-1)

    優(yōu)點(diǎn)：電控設(shè)備投資較方案二低，可節(jié)約變頻設(shè)備投資。

    缺點(diǎn)：由于變頻自身的特點(diǎn)，必須使前置、后置葉輪電動(dòng)機(jī)同時(shí)啟動(dòng)，因此，啟動(dòng)電流較大，要求變頻器容量選擇要>兩臺(tái)電機(jī)容量的總和乘以相應(yīng)的備用系數(shù)。

    

 

2、方案二

一拖一方式即：利用兩臺(tái)變頻器分別拖動(dòng)前置、后置葉輪電動(dòng)機(jī)，如圖5—2：

優(yōu)點(diǎn)：前置、后置葉輪電動(dòng)機(jī)分別由兩臺(tái)變頻器拖動(dòng)?？蓪?shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)機(jī)風(fēng)壓、風(fēng)量的隨機(jī)調(diào)整、以適應(yīng)礦井在生產(chǎn)管理過(guò)程中風(fēng)壓、風(fēng)量需求，及適應(yīng)礦井管網(wǎng)特性的變化，達(dá)到兩級(jí)動(dòng)葉合理最佳匹配，使風(fēng)機(jī)能夠經(jīng)常保持在高效區(qū)運(yùn)行，達(dá)到較好的節(jié)能效果。

    缺點(diǎn)：變頻設(shè)備前期投資費(fèi)用較高，在控制上也要求兩級(jí)電機(jī)同時(shí)啟動(dòng)。

    在選擇拖動(dòng)方案時(shí)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際風(fēng)機(jī)的性能參數(shù)和礦井管網(wǎng)特性曲線，節(jié)電效果、投資回收期等多種因素綜合考慮。

    六、節(jié)電效果的計(jì)算

    以往，我國(guó)在計(jì)算節(jié)電工程投資效果時(shí)，通常采用投資回收年限法。投資以工程完成后的收益的形式回收，所需要的年限，稱為投資回收年限。當(dāng)投資回收年限小于或等于某一規(guī)定年限時(shí)，則認(rèn)為該工程在經(jīng)濟(jì)上是合理的，否則是不可取的。

    投資效果計(jì)算方法

    1、投資回收期限計(jì)算公式

T=C/△L=C/(L₂-L₁)=C/(A^δ-S)       (6-1)

式中  T——投資回收期限(年)

          C——實(shí)現(xiàn)節(jié)電措施所需的投資(元／年)，包括用于建筑、購(gòu)置各種設(shè)備、安裝及管理等費(fèi)用；

          △L——實(shí)現(xiàn)節(jié)電措施后的年節(jié)電效益(元／年)：

          L₁——實(shí)現(xiàn)節(jié)電措施前的年收益(元／年)；

          L₂——實(shí)現(xiàn)節(jié)電措施后的年收益(元／年)；

          A——年節(jié)電總量(kW·h)／年：

          δ——電價(jià)元／(kW·h)：

          S——節(jié)電工程投入后的年維護(hù)保養(yǎng)費(fèi)用(元／年)。

    用節(jié)能產(chǎn)品更換老產(chǎn)品的資金回收期限，應(yīng)按下式計(jì)算

    T=(C-d)/△L                                (6—2)

    式中  C——購(gòu)置節(jié)能產(chǎn)品費(fèi)用(元)；

          d——老產(chǎn)品報(bào)廢后的回收資金(元)：

        △L——更換后年節(jié)電效益(元／年)。

    一般認(rèn)為，當(dāng)T≤1/2—2/3節(jié)能產(chǎn)品壽命周期時(shí)，在經(jīng)濟(jì)上合理的，否則不可取。

2、工序能耗計(jì)算法

K=1×10⁶·P/3600·Q·H[KWh·(Mm³pa)]^-1

式中：k——通風(fēng)用電單耗(按照原煤炭部規(guī)定，通風(fēng)用電單耗應(yīng)<0.44的標(biāo)準(zhǔn))

P——電動(dòng)機(jī)的輸出功率(kW)

Q——通風(fēng)機(jī)的風(fēng)量((m³/s)^-1)

H——主扇風(fēng)機(jī)全壓(Pa)

應(yīng)該說(shuō)明的是：衡量通風(fēng)用電單耗標(biāo)準(zhǔn)是以綜合指標(biāo)確定的，除了電器節(jié)能外，還有礦井管網(wǎng)阻力特性狀況條件，內(nèi)、外漏風(fēng)率等綜合管理因素。

七、變頻技術(shù)在FBDN₀18型通風(fēng)機(jī)的應(yīng)用與分析

1、2007年5月，我們首次在國(guó)內(nèi)把變頻技術(shù)應(yīng)用于義煤曹窯煤礦FBDZN_018型通風(fēng)機(jī)，并經(jīng)河南煤礦安全監(jiān)察局安檢中心、河南理工大學(xué)安檢中心聯(lián)合對(duì)該通風(fēng)機(jī)變頻技術(shù)應(yīng)用節(jié)能及效果檢測(cè)并提出了檢驗(yàn)報(bào)告，以下簡(jiǎn)稱《檢驗(yàn)報(bào)告》

 

 

 

 

 

 

 

 

表7—1(2x110Kw)

2、通過(guò)對(duì)以上實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的分析初步得出：

    (1)對(duì)旋軸流式通風(fēng)機(jī)的壓力一風(fēng)量特性曲線較陡，因此較小的風(fēng)壓變化，即可得到較大的風(fēng)量變化，較好的滿足礦井通風(fēng)需求。

    (2)  在合理工況情況下前置動(dòng)葉、后置動(dòng)葉同時(shí)調(diào)頻變速，在兩級(jí)動(dòng)葉轉(zhuǎn)速相同的情況下，節(jié)能效果最為明顯。

    (3)礦用對(duì)旋軸流式通風(fēng)機(jī)應(yīng)用變頻調(diào)節(jié)技術(shù)的節(jié)能效果，根據(jù)礦井通風(fēng)管網(wǎng)特性和實(shí)際需求風(fēng)量大約在15％一47％之間。

初步結(jié)論：變頻調(diào)速技術(shù)應(yīng)用于對(duì)旋軸流式通風(fēng)機(jī)，能夠?qū)崿F(xiàn)兩級(jí)動(dòng)葉最佳流動(dòng)合理匹配，實(shí)現(xiàn)隨機(jī)調(diào)整工況、滿足礦井風(fēng)量負(fù)壓需求。它是在生產(chǎn)礦井管網(wǎng)特性發(fā)生一定變化時(shí)，采用分別改變或同時(shí)改變兩級(jí)動(dòng)葉電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)改變通風(fēng)機(jī)的綜合氣動(dòng)特性，從而改變它的工作工況，達(dá)到改變風(fēng)量、風(fēng)壓目的，實(shí)現(xiàn)安全運(yùn)行及產(chǎn)生較好的節(jié)能效果。

八、我國(guó)煤礦企業(yè)主要通風(fēng)機(jī)的使用現(xiàn)狀：

1、據(jù)統(tǒng)計(jì)目前我國(guó)重點(diǎn)煤礦企業(yè)主要通風(fēng)機(jī)的能耗為礦井綜合能耗的17％一25％。通過(guò)有關(guān)部門(mén)對(duì)30個(gè)煤礦企業(yè)統(tǒng)計(jì)，如使用70B₂型系列軸流式通風(fēng)機(jī)占風(fēng)機(jī)總量的49％，2002年國(guó)有重點(diǎn)煤礦通風(fēng)機(jī)總量為1486臺(tái)，平均通風(fēng)效率45％—60％不足50％，平均效率在60％以工僅為2％。盡管近幾年通過(guò)更新改造，對(duì)選軸流式風(fēng)機(jī)的使用占有相當(dāng)比例，但是，煤礦企業(yè)通風(fēng)機(jī)存在效率、低能耗高、“大馬拉小車(chē)”的現(xiàn)象仍較為普遍。

一般情況下，采用風(fēng)門(mén)調(diào)節(jié)的風(fēng)機(jī)，在兩者偏離10％時(shí)效率下降8％左右：偏離20％時(shí)，效率下降20％左右，而偏離30％時(shí)，效率則下降30％以上。如表1所示

表8—1富裕量對(duì)風(fēng)機(jī)效率的影響

富裕度（%）	風(fēng)機(jī)效率（%）
0	85
10	77
20	66
30	54

上述數(shù)據(jù)顯示，可見(jiàn)風(fēng)機(jī)運(yùn)行風(fēng)壓、風(fēng)量富裕量偏離最佳工況對(duì)風(fēng)機(jī)效率將產(chǎn)生較大影響。

2、我國(guó)風(fēng)機(jī)類(lèi)設(shè)備的傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)方式(直接啟動(dòng)，降壓?jiǎn)?dòng)等)都將產(chǎn)生較大的沖擊負(fù)載，對(duì)系統(tǒng)電網(wǎng)的沖擊較為明顯，使系統(tǒng)電網(wǎng)的供電質(zhì)量及系統(tǒng)內(nèi)的終端電器設(shè)備都受到了不同程度的影響。按照《規(guī)程》要求，主扇風(fēng)機(jī)要定期倒換運(yùn)行。因此，頻繁的設(shè)備啟動(dòng)或停止所產(chǎn)生的單軸軸轉(zhuǎn)現(xiàn)象，使風(fēng)機(jī)產(chǎn)生較大的機(jī)械振動(dòng)應(yīng)力，以上這些都嚴(yán)重的影響到電動(dòng)機(jī)及其機(jī)械設(shè)備的使用壽命。

3、我國(guó)的主扇風(fēng)機(jī)多數(shù)是依靠人工調(diào)節(jié)擋板進(jìn)行風(fēng)壓、風(fēng)量調(diào)節(jié)的，不具備風(fēng)壓、風(fēng)量自動(dòng)適時(shí)調(diào)節(jié)功能，費(fèi)力費(fèi)時(shí)自動(dòng)化程度較低，不僅對(duì)正常安全生產(chǎn)產(chǎn)生不利影響，同時(shí)能耗較高。

4、在礦井基建設(shè)計(jì)過(guò)程中，所選取的通風(fēng)設(shè)備都是按礦井最大生產(chǎn)能力所需風(fēng)量，加備用系數(shù)進(jìn)行選型的。因此，從設(shè)計(jì)、選型及設(shè)備購(gòu)置，其層層加碼，實(shí)際在用風(fēng)機(jī)與礦井管網(wǎng)特性匹配較差，富裕度過(guò)大、而導(dǎo)致綜合能耗較高。

5、在礦井開(kāi)采過(guò)程中，通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)不斷發(fā)生變化，例如投產(chǎn)初期，通風(fēng)距離短，網(wǎng)絡(luò)比較簡(jiǎn)單，需求風(fēng)量也較少；但到中期通風(fēng)距離較長(zhǎng)，網(wǎng)絡(luò)比較復(fù)雜，產(chǎn)量也較高，需要增加風(fēng)量；到了礦井末期，網(wǎng)絡(luò)更加復(fù)雜，但產(chǎn)量又趨減少，需要風(fēng)量也相應(yīng)減少。又如礦井新采區(qū)投產(chǎn)或關(guān)閉老采區(qū)，這些都會(huì)引起礦井通風(fēng)管網(wǎng)特性的不斷變化，因此通風(fēng)設(shè)備應(yīng)充分應(yīng)用變頻調(diào)速這一技術(shù)優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)，能夠具有較為寬廣的隨機(jī)可調(diào)節(jié)功能和較好的節(jié)能效果。

6、隨著我國(guó)礦山企業(yè)朝著高產(chǎn)、高效方向的快速發(fā)展和資源整合的形勢(shì)需要，礦用風(fēng)機(jī)也隨之需要大風(fēng)量、高效率、高風(fēng)壓方向發(fā)展。同時(shí)，對(duì)旋軸流式通風(fēng)機(jī)又具有高效、高壓、大風(fēng)量的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。近幾年對(duì)旋軸流式通風(fēng)機(jī)在我國(guó)大中型礦井中將得到廣泛應(yīng)用。因此變頻調(diào)速在礦井主扇風(fēng)機(jī)的應(yīng)用就更能夠發(fā)揮其技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

九、我國(guó)關(guān)于能源節(jié)約政策(摘抄)

1、我國(guó)十一五規(guī)劃提出：“——……單位國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總產(chǎn)值能源消耗降低2 0％左右……(摘抄自中華人民共和國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十一個(gè)五年規(guī)劃綱要第一篇第三章第三條9頁(yè))。這就是說(shuō)自2006年 開(kāi)始，每年國(guó)內(nèi)單位生產(chǎn)總產(chǎn)值能源消耗平均降低4．4％-4．7％左右。

2、第六篇第二十二章第一節(jié)《節(jié)約能源》篇中提出：“專欄10——節(jié)能重點(diǎn)工程‘電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能——在煤炭等行業(yè)進(jìn)行電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)風(fēng)機(jī)、水泵系統(tǒng)優(yōu)化改造”。(摘抄自十一五規(guī)劃綱要第41頁(yè))。

十、變頻調(diào)速技術(shù)在對(duì)旋軸流式通風(fēng)機(jī)應(yīng)用中的主要優(yōu)點(diǎn)：

 l、變頻調(diào)速技術(shù)在礦用對(duì)旋軸流式通風(fēng)機(jī)的應(yīng)用，能夠分別對(duì)前置動(dòng)葉和后置動(dòng)葉實(shí)施干涉性調(diào)速達(dá)到兩級(jí)動(dòng)葉最佳流動(dòng)匹配，不僅隨機(jī)改善了風(fēng)機(jī)運(yùn)行工況，滿足礦井生產(chǎn)需求風(fēng)量。同時(shí)，節(jié)電效果非常明顯節(jié)電率可達(dá)15％—47％左右。

2、柔性啟動(dòng)，停止平穩(wěn)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)前置葉輪電機(jī)、后置葉輪電機(jī)的分別單調(diào)或雙級(jí)統(tǒng)調(diào)的無(wú)級(jí)調(diào)速，隨機(jī)性強(qiáng)，調(diào)速范圍大(10％左右)，可從OHz一55Hz對(duì)系統(tǒng)電網(wǎng)、電壓無(wú)沖擊，壓降較小。

3、降低電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的噪音與溫度。

4、與傳統(tǒng)電力拖動(dòng)方式相比，變頻調(diào)速裝置在啟動(dòng)時(shí)對(duì)系統(tǒng)電網(wǎng)電壓無(wú)沖擊，有利于保證安全供電。減少機(jī)械沖擊，瞬時(shí)態(tài)轉(zhuǎn)矩反應(yīng)，降低電動(dòng)機(jī)的疲勞磨損，有效延長(zhǎng)電動(dòng)機(jī)的使用壽命。

5、變頻調(diào)速技術(shù)還具有PTC、DSP系統(tǒng)控制通過(guò)實(shí)時(shí)在線檢測(cè)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守，能夠?yàn)閷?shí)現(xiàn)礦井自動(dòng)化創(chuàng)造有利條件。

目前電動(dòng)機(jī)的高效、智能綜合、優(yōu)化節(jié)能變頻技術(shù)是隨著電力、電子技術(shù)、微電子技術(shù)、電子計(jì)算機(jī)及智能自動(dòng)化控制理論等多專業(yè)學(xué)科的發(fā)展已進(jìn)入的嶄新的時(shí)代，變頻調(diào)速節(jié)能產(chǎn)品已逐漸由低壓到高壓，由小功率到大功率的飛躍發(fā)展。同時(shí)，礦用風(fēng)機(jī)類(lèi)變頻調(diào)速技術(shù)也不斷取得了豐富和發(fā)展。

十一、結(jié)束語(yǔ)

“十一、五”期間乃至更長(zhǎng)時(shí)期，隨著我國(guó)節(jié)能減排的要求，電動(dòng)機(jī)的節(jié)能已成為國(guó)家節(jié)能的重點(diǎn)工程之一。結(jié)合我國(guó)煤礦企業(yè)主扇風(fēng)機(jī)的使用現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)，通風(fēng)機(jī)類(lèi)在節(jié)能技術(shù)改造方面就顯得更為迫切和重要。在市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)激烈競(jìng)爭(zhēng)、高速發(fā)展的能效經(jīng)濟(jì)時(shí)代，“電費(fèi)是未被控制的最后一項(xiàng)成本”。對(duì)于企業(yè)而言，節(jié)能降耗是企業(yè)控制成本的有效手段。對(duì)旋軸流式通風(fēng)機(jī)在我國(guó)礦山企業(yè)的廣泛應(yīng)用及變頻技術(shù)及自動(dòng)化產(chǎn)品的不斷成熟，這為我們充分發(fā)揮對(duì)旋軸流式通風(fēng)機(jī)的綜合技術(shù)優(yōu)勢(shì)，提供了更為廣闊的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)：

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[2]王曉林《對(duì)選軸流式通風(fēng)機(jī)兩級(jí)葉輪最佳流動(dòng)匹配條件的探討》礦業(yè)安全與環(huán)保2003.10第30卷第5期  煤炭科學(xué)研究總院重慶分院  重慶4000377

[3]陳燎原、潘地林、黃家友《對(duì)旋式風(fēng)機(jī)II級(jí)動(dòng)葉理論特性的研究》[J]煤炭科學(xué)技術(shù)2004.(5)

二OO八年三月

 

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