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煤矿通风机的变频节能改造

发布时间:2014-04-10 作者:mk体育官网

1 引言
  变频调速在风机和泵类负载上的应用具有显著的节能效果,并且具有软启动和软停机的优良控制特性,因此变频器首先在冶金、电力、石化、供热和民用风机水泵的控制领域得到广泛的应用。由于煤矿生产的特殊环境和安全上的特殊要求,变频器在煤矿的应用起步比较晚。随着我国市场经济的深入发展,煤矿的增产、降耗、提效被提到了重要地位,设备节能改造势在必行。
  煤矿通风机按结构分为轴流式和离心式;通风机是保障煤矿安全的主要通风机械,365天昼夜运转。矿井通风机一般配备两套,一台工作一台备用。矿井通风机的额定通风能力(风量、风压)是根据设计计算的矿井末期的通风阻力和达产时的风量确定。在矿井投产初期,风机的富裕能力是比较大的。
  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,使其在较佳工况点运行,使风机在较大的范围内以较高的效率运行,节能效果好。
2 矿用通风机采用变频调速改造的优点
  随着电力电子技术、微电子技术、信息技术和现代控制理论在调速系统中的应用,并且由于近年电力紧张,变频调速技术已经成为现代电力传动的一个发展方向,卓越的调速性能,使得变频器在煤矿生产中的节能效果越发显著。因此,将矿用通风机改为变频器控制,将传统的电机调速技术、现代电力电子技术以及计算机控制技术结合在一起,当煤矿通风量发生变化时,自动调速,使通风机在经济的转速下有效运行,从而达到节电的效果。变频调速节能控制装置的特点:(1)调速效率高;(2)调速范围大;(3)调速精度高;(4)启动电流小,而且容易实现闭环控制。由于可以利用原普通交流异步电动机,所以特别适合对原有旧设备的技术改造,它既保持了原风机、电动机不用更换的优点,又能达到节电的显著效果,是矿用通风机调速节能的理想方法。
3 用户现场设备介绍
  肥城矿业集团公司陶阳煤矿中三井2003年前使用的通风设备,为涡轮式通风机(70B2)。此类设备效率低(最高只能达到60%)、能耗大。效率低的主要原因是无法进行调速运行,只能通过调整叶片角度来控制风量和风压,而矿井最初通风设备选型时,留有较大余量,长时间内达不到满负荷运转。
  2K56系列风机是沈阳鼓风机(集团)有限公司与东北大学合作,共同开发的新型矿井节能风机。该机为双级叶轮轴流通风机,叶片采用铸造铝合金,型线为机翼型扭曲式,安装角度可在20°~50°之间调整。当需要返风时,可使通风机直接反转,不需要调整风机的任何装置。装置最高静压效率达85.3%。产品有效区域宽广,该系列风机的装置静压效率比老式风机70B2提高近14%。
  为改变原通风机落后运行方式,陶阳煤矿中三井领导决定把两台老式涡轮通风机70B2—21NO-24型风机(500 kW/6kV)更换为轴流式节能风机2K56-2N0-24,采用变频调速的方法来控制风量的大小。
  陶阳煤矿中三井领导经过慎重考察,认真比较,选用山东mk体育官网电子科技发展有限公司生产的风光牌JD-BP37-500F型(500kW/6kV、2套)高压变频系统,对中三井1#、2#通风机进行变频改造。高压变频器于2008年4月投运,设备至今运行良好。经过肥矿集团检测中心的检测,各项性能指标达到设计要求,通风机实现了有效运行,改造达到了预期目的。
  陶阳煤矿中三井通风机为两台,一用一备,现场1#、2#通风机设备参数相同,下面表1给出1#通风机基本参数。
  表1为现场电机参数,表2为风机参数。

  

 

4 山东mk体育官网电子JD-BP37-500F高压变频器
4.1JD-BP37-500F高压变频器的主要性能指标

  变频器功率: 500kW
  输入频率:   50Hz
  输入电压:   6.0kV±20%
  输出电压:   三相正弦波电压0-6kV
  额定电流:   61A
  输出频率:   0-120Hz
  频率分辨率: 0.01Hz
  加速时间:   可按工艺要求设定
  减速时间:   可按工艺要求设定
  故障诊断及检测:自动检测,自动定位
  网侧功率因数:0.95(高速时)
  过载保护:   150%1分钟
  防护等级:   IP20
  环境湿度:   90%,无凝结
4.2性能特点
(1) 全中文WINDOWS操作界面,彩色液晶触摸屏;
(2)输入功率因数高,电流谐波少,无须功率因数补偿/谐波抑制装置;
(3)输出阶梯正弦PWM波形,无须输出滤波装置,对电缆、电机绝缘无损害,电机谐波少,减少轴承、叶片的机械振动,输出线可以长达1000米;
(4)功率电路模块化设计,维护简单;
(5)高压主回路与控制器之间为光纤连接,安全可靠;
(6)完整的故障监测电路、精确的故障报警保护;
(7)内置PLC,易于改变控制逻辑关系,适应多变的现场需要;
(8)可灵活选择现场控制/远程控制;
(9)可接受和输出0~5V/4~20mA工业标准信号;
(10)可根据用户需要内置PID调节器;
(11)完整的通用变频器参数设定功能。
5 改造主回路控制方案
  风光高压变频调速系统由一次回路进线柜(旁路柜)、变压器柜、变频单元柜和操作控制柜组成。旁路柜在变频器维护过程中或变频器出现故障时,将电机投入到工频电网运行,保证生产不受影响。变频运行时,变频器为电机提供全面的保护。高压变频器旁路柜一次回路如图1所示。 

  DL:用户高压真空断路器
  K1、K2、K3:高压变频器内置高压隔离开关
  BPQ:JD-BP37-500F高压变频器
  D:500kW/6kV异步电动机
  图1手动旁路柜中,共有3个高压隔离开关,为了确保不向变频器输出端反送电,K2与K3采用电磁互锁操动机构,实现电磁互锁。当K1、K3闭合,K2断开时,电机变频运行;当K1、K3断开,K2闭合时,电机工频运行,此时变频器从高压中隔离出来,便于检修、维护和调试。
  旁路柜必须与上级高压断路器DL连锁, DL合闸时,绝对不允许操作旁路隔离开关与变频输出隔离开关,以防止出现拉弧现象,确保操作人员和设备的安全。

6节能计算
6.1风机节能计算公式

  风机流量变化量,如前所述,采用变频调速是有效的节电措施。根据GB12497-1995《三相异步电动机经济运行》对电机经济运行管理的规定有如下的计算公式。

6.2节能计算


  
采取风门调节风量时风机所需的轴功率为401kW,变频器调风量时相对调节风门调风量的节电率为0.364。
  (1)每年节电量计算(每年按工作300天计算)
  每年工作天数小时数功率节电率=300X24x401x0.364=1050940.8kW·h
  (2)每年节电费计算(电价按0.5元/计算)
  电费单价x用电量=0.5x1050940.8=525470.4元

6.3实际节能情况
  风机采用变频器改造投入运行后,电流从55A下降到26A左右,运行频率35Hz,输入电流26A,输入电压6.3kV,输出电流49A,输出电压4kV,风机电机功率从411.52kW下降到260.68kW,一年节电量(411.52-260.68)X300X24=1086048kW·h,实际年节电费用543024元,与理论计算值基本吻合。

7变频改造的其他优点
  (1)采用变频器后启动风机时可以实现变频软启动,避免了启动电流对电网及控制设备的冲击,可以有效地延长电气设备的使用周期。
  (2)按需调节风量,调速范围宽且调速精度高,避免浪费。进行变频改造后,风机的风量不再需要通过改变叶片角度来调节,而是由变频器通过调节电机的转速来实现,调节线性度好,因而可以根据井下生产需要随时调节风量,避免了浪费。
  (3)降低了风机的工作强度,延长了使用寿命。进行变频改造后,风机的大部分时间工作在低速状态下,因而大大降低了风机的机械强度和电气冲击,大大延长了风机寿命,提高了风机的安全运行系数和运行周期。
  (4)变频器具有短路、过载、过压、欠压、缺相等各种保护,有效地保护了电机。
  (5)改善了现场工作环境,由于降低了风机的转速,风机噪声大大降低,深受现场工作人员的欢迎。
  (6)减少了反风中的操作环节,以前反风需要操作系统的立式风门、水平风门以及反风风门,工序繁多而且经常出现倒错风门的事故。现在使用轴流式风机和变频器控制后,反风时极其简单,只要在人机界面上将运行频率调整为负的频率,电机就会先减速至零点然后再反转到所调频率,这期间不用再调整整个风门系统,减少了工作量,降低了操作过程中的故障率。
8结束语
  肥城矿业集团公司陶阳煤矿中三井通风机经过变频改造之后,不仅达到了良好的节能效果,并且使整套通风系统的稳定性提高了一个大台阶。我国是世界上的产煤大国,也是吨煤电耗比较高的国家。如果煤矿需要调速的设备,多数能使用变频调速装置改造,节约的能源将是非常可观的。