摘要：矿井主通风机是煤矿生产最重要的负荷之一，主通风机的设计通常都留有较大的余量，具有一定的节能空间。本文通过对新汶矿业集团孙村煤矿北风井主通风机应用北京合康亿盛科技有限公司变频改造情况的介绍，说明在煤矿主通风机上实施变频不仅节能效果显著，而且可以优化整个电力传动系统的控制性能。
一、概述
矿井抽风机是井工煤矿生产最重要的负荷之一，电动机容量较大，由于其必须连续工作，使得抽风机用电成为矿井的用电大户，一般用电量占整个矿井的15％以上。由于抽风机的设计是按照矿井最大用风量为基本选型参数，同时预留一定的安全系数，因此供风能力偏大，特别是在矿井初期和通风系统改造后，风机能力富裕量大，具有较大的节能空间。下面对新汶矿业集团公司孙村煤矿通风机变频改造情况进行简要介绍。
新汶矿业集团公司孙村矿主通风机变频器运行现场
二、通风机情况
新汶矿业集团公司孙村煤矿是一个百年老矿，其北风井通风机站建于 1981年，安装两台G4-73-11№.28Ｄ型离心式风机，各配有一台YR1250－8／1430型电动机，额定电压6KV，功率1250KW，转速 730rpm，一台工作，一台备用。根据出厂风机标注的参数,该风机的额定最大排风能力为11300m3/min。
由于该矿矿井通风系统在2005年1月由一台400风井单独运行的中央分列式通风系统，改变为一台400风井与北立井风井联合运行的两翼对角式通风系统，矿井风量的需求发生了较大变化，由原来的218.42m3/s，降到129.94m3/s。且矿井风量调整只能靠调整风机叶片导角完成，不能实现无级平滑调速，风机整体耗能较多，风机工作在低效区，原有的1250kW电机容量富裕过多。为了满足风量需求的变化，北风井通风机自2005年一月后，多次调整前导叶角度，由0°逐渐调整到现在的33°，节流功率损失非常大，即电动机的能源损耗很大，风机节能降耗的课题就提上了议事日程。
三、方案论证
1、北风井风机在实际使用过程中存在的主要问题：
（1）通风机前导器调节叶片角度约为33°，节流损失很大，存在大量的电能浪费现
（2）通风机较小的角度变化将产生一个较大的风量变化，使运行控制比较困难，不能保证最佳运行工况。
2、可行性分析
（1）方案选择：为了选择合理的节能方案，我们调研和计算了不同风量调节方式的功率消耗情况（如图1）。
图1 不同风量调节方法功率消耗曲线
（1—挡板法；2—前导器法；3—液力耦合器；4—绕线电动机切换转子电阻调速法；5—变频调速法。）
由图1可见，变频调速法在现有的几种风量调节方法中是最理想、最有效、最节能的调节方法，而孙村煤矿现在使用的前导器法，功率消耗仅次于挡板法，节能空间较大。
（2）效益测算：应用变频调速，可以大大提高电机转速的控制精度，使电机在最节能的转速下运行。根据流体力学原理，轴功率与转速的三次方成正比。当所需风量减少，风机转速降低时，其功率按转速的三次方下降。因此，精确调速的节电效果非常可观。测算如下：
1#风机的轴功率为796kW，入口导叶的角度为33.75°，实际流量132.86m3/s。流量的百分比为：132.86/189=70.3%，因实际的测算可能有误差，估计流量百分比在70.3%～80%之间，按80%保守计算，通过查表，得出功率减少约20%，因工况的变化，估计节能点在15%～25%之间，节约功率为796×（0.15～0.25）=119.4～199kW。
2#风机的轴功率为761kW，入口导叶的角度为33.75度，实际流量129.94 m3/s。流量的百分比为：129.94/189=68.8%，因实际的测算可能有误差，估计流量百分比在68.8%～80%之间，按着80%保守计算，通过查表，得出功率减少约20%，因工况的变化，估计节能点在15%～25%之间，节约功率为761×（0.15～0.25）=114.15～190.25kW。
预计节电为120～190kW左右，按着电费为0.58元/度，一年365天计算，（120～190）×24×365×0.58=60.9～96.5万元。变频改造预计投资170万元，投资回收期为1.76～2.79年之间。
四、现场应用
1、根据要求，设计方案一次回路如下图所示：
在原来设备的基础上，增加变频器（HIVERT-Y06/154）一台，增加自动切换柜两台2#、3#，增加高压电源柜1#（采用真空断路器和微机保护等）一台。
2、运行方式：
（1）变频器运行1#风机：DL1闭合，DL12闭合，DL11断开，KM1闭合，DL22断开。
（2）变频器运行2#风机：DL1闭合，DL12断开，DL21断开，KM2闭合，DL22闭合。
（3）工频运行1#风机：DL12断开，DL11闭合，KM1受原系统控制。
（4）工频运行2#风机：DL22断开，DL21闭合，KM2受原系统控制。
3、现场技术参数
北风井风机电机参数如表1
表1 北风井1#和2#风机电机参数
1#
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2#
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型号
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G4-73-No.28D
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型号
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G4-73-No.28D
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额定流量
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101-189m3/s
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额定流量
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101-189m3/s
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额定压力
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653-463mmH2O
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额定压力
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653-463mmH2O
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轴功率
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1063kW
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轴功率
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1063kW
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型号
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YR1250/1430
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型号
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YR1250/1430
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额定功率
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1250kW
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额定功率
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1250kW
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额定电压
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6000V
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额定电压
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6000V
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额定电流
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146A
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额定电流
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146A
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功率因数
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0.8
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功率因数
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0.8
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现有调节方式
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入口导叶调节
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现有调节方式
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入口导叶调节
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实际压力
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2990Pa
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实际压力
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2890Pa
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实际流量
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132.86 m3/s
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实际流量
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129.94 m3/s
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实际电流
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93A
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实际电流
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89A
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实际电压
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6500V
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实际电压
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6500V
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实际电功率
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796kW
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实际电功率
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761kW
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五、改造前后对比
孙村矿北风井抽风机变频装置在2007年11月27日正式投入运行，根据风量需求，将风机运行频率调整为48Hz，电机输出功率由改造前前导器叶片33.75°时的1027kW下降至911kW，下降了116kW。 41119工作面结束后，北风井抽风机风量富裕较多，根据风量需求，将风机运行频率降为44Hz，风机输出功率进一步下降为726kW，节能效果更加显著。使用情况如下：
1、 实际节电情况
为了真实掌握风机变频改造后的实际节电情况，我们对风机在工频和变频运行状态下的用电情况进行了实测，风量为130～131m3/min。
08年1月28日9：00－30日9：00风机前导叶片33.75°，电机频率为50Hz时，运行2＃风机电度表底数分别为9863.15和9889.1，24小时用电20760kWh。
08年1月30日11：00－2月2日11：00，风机前导叶片0°，电机频率为44Hz时，运行2＃风机电度表底数分别为9889.65和9911.07，24小时用电17136kWh。
在满足矿井通风要求的情况下，24小时节电3624kwh，节电率为17.46％，年节电132.3万kWh，电费75万元。
2、运行情况
（1）该产品自身功率因数高，无需额外的无功补偿装置。
（2）经测试，变频器自身输出谐波含量低于4％，符合国家有关标准的要求。
（3）变频改造后，实现了电动机的软启动，去掉了原来的电抗器，避免了大电流对电网和电机的冲击
（4）采用设备变频运行方式后，通风系统操作更加方便，同时降低了运行噪声，工作环境条件也有了明显改善。
（5）设备磨损降低、延长了维护期，维护工作量大大减少。
六、结束语
从合康公司变频器在新汶矿业集团公司孙村煤矿北风井主通风机技术改造的实际应用情况来看，对矿井主通风机进行高压变频改造，不仅能够有效地减少电能消耗，而且可以优化整个电力传动系统的控制性能，具有极大的推广应用价值。