高压变频器在煤矿瓦斯抽放系统的应用

摘  要  介绍高压变频器的性能特点，现场运行方案以及运行效果，阐述高压变频器在矿井采空区瓦斯抽放系统的应用，成功的解决煤矿工作面在回采时因瓦斯涌出制约煤矿安全生产的问题，并达到明显的节能效果。

关键词  高压变频器  煤矿瓦斯抽放  调速  节能

重庆打通一矿现在年产量1500kt/a，按重庆能投（集团）公司规划，打通一矿将逐步实现2400kt/a的原煤生产量。随着产量逐步的增加和开采水平的延伸，矿井瓦斯涌出量和回采后的瓦斯涌出量越来越大，严重制约着矿井的安全生产和发展，而采用瓦斯抽放泵抽取采空区涌出的瓦斯，能有效的控制采煤工作面和回风系统的瓦斯量，使其不超过《煤矿安全规程》规定，保证矿井的生产。

对采空区瓦斯进行抽放时，如果抽放量过大，将使工作面新鲜风进入采空区，造成采空区自然发火事故。如果抽放量偏小，又不能有效的控制工作面风流中的瓦斯浓度不超过《煤矿安全规程》规定。为此，经过考察对比，选择北京利德华福电气技术有限公司生产的HARSVERT-A系列高压变频器对瓦斯抽放泵进行调速控制，使瓦斯抽放达到最佳参数。既保证了采空区抽放的需要，又达到节能的效果。
2 抽放系统的工艺及主要参数从采空区底板瓦斯巷道安装直径1000mm的瓦斯抽放管道至地面采空区抽放泵房，抽放泵采用SKA-720型水环式真空泵。抽放系统工艺见图2.1。

图2.1  抽放系统工艺示意图

相关技术参数如下：

2.1 水环式真空泵： 

型号：SKA-720                       最大抽速： 635m3/min

额定转速：340r/min                  极限真空度：160MPa

2.2 配用电动机：

型号：YB63052-4                       额定功率：900kW

额定电压：6kV                         额定电流：104.2A 

额定转速：1483r/min                   功率因数：0.87

3 高压变频器调速系统方案

3.1高压变频器的系统结构特点

HARSVERT-A系列高压变频器由移相变压器、功率单元模块和控制器组成。内部十五个相同的功率单元模每五个模块为一组构成一相，分别对应高压回路的三相。其系统结构图见图3.1

    图3.1 高压变频器系统结构图

移相变压器的副边绕组分为三组，构成30脉冲整流方式，这种多级移相叠加的整流方式可以大大改善网侧的电流波形，使其负载下的网侧功率因数接近1。

功率单元是一种单相桥式变换器，为一种交-直-交单相逆变电路。由输入干式变压器的副边供电，经三相全桥整流、滤波电路滤波后由4个IGTB以PWM进行控制，产生设定的频率波形。每个功率单元结构完全一致，可以互换。其电路结构见图3.2。当某一单元出现故障时，通过继电器K闭合，可将此单元旁路出系统而不影响其他单元的运行，变频器可以持续降额运行，通过这种旁路功能可以减少很多场合下停机造成的损失。

 图3.2 功率单元电路结构图

3.2 高压变频器技术参数

根据瓦斯抽放泵电动机参数和现场需要，配置1台高压变频器，其详细参数如下：

变频器型号：HARSVERT-A06/110

适配电动机功率：900kW

额定输出电流：110A

输入功率因数：0.95（＞20%负载）

变频器效率：额定负载下＞0.96

输出频率范围：0.5Hz～120Hz

输出频率分辨率：0.01Hz

过载能力：120%1min，150%立即保护

模拟量输入：0～10V/4～20mA任意设定

模拟量输出：两路0～10V/4～20mA可选

加、减速时间：0.1～3000s

控制开关量输入/输出：4路输出/4路输入

冷却方式：风冷

3.3 主回路方案                                    

       图3.3 电气主回路原理图

瓦斯抽放泵与矿井主通风机一样是煤矿的主要设备，根据《煤矿安全规程》规定，采用双回路电源供电，瓦斯抽放泵房内安装2台瓦斯抽放泵，1台运行1台完好备用。因此选用高压变频器一拖二方案。其电气主回路原理如图3.3。

采用以上主回路方案，可以实现以下几种运行方式：

⑴ Ⅰ段母线电源供电，用变频器运行1#瓦斯抽放泵：由QS1、QF1、QS3、QS7组成。

⑵ Ⅰ段母线电源供电，用变频器运行2#瓦斯抽放泵：由QS1、QF1、QS3、QS8组成。

⑶ Ⅱ段母线电源供电，用变频器运行2#瓦斯抽放泵：由QS2、QF2、QS4、QS8组成。

⑷ Ⅱ段母线电源供电，用变频器运行1#瓦斯抽放泵：由QS2、QF2、QS4、QS7组成。

⑸ Ⅰ段母线电源供电，用工频运行1#瓦斯抽放泵：由QS1、QF1、QS5组成。

⑹ Ⅱ段母线电源供电，用工频运行2#瓦斯抽放泵：由QS2、QF2、QS6组成。

3.4 高压变频器的安装调试

⑴ 瓦斯抽放泵房抽取的是可燃易爆气体，泵房内所有电气设备均为矿用防爆设备，而高压变频器为非防爆产品，为此，将高压变频器与瓦斯抽放泵房隔离安装在独立的电控室内。变频器至电动机采用高压电缆敷设。

⑵ 安装完毕系统空重负荷试车后，瓦斯抽放系统投入运行，根据运行情况分别对瓦斯抽放泵运行在30Hz～50Hz进行了参数考察，其考察参数（平均值）统计如表3.1：

表3.1 瓦斯抽放系统运行参数统计表

4瓦斯抽放系统使用变频器的效果分析

4.1满足了工况运行的需要

采空区抽放系统，主要是为以满足采煤工作面在回采过程中瓦斯不超过《煤矿安全规程》的规定，从而保证矿井的安全生产。根据考察，瓦斯抽放泵一般运行在35Hz～45Hz之间，运行频率与采煤工作面和接抽尾排孔的距离有关。当工作面推进与接抽尾排孔较进时，运行频率较低，反之运行频率较高。通过定期测定采煤工作面瓦斯抽放参数进行分析，确定瓦斯抽放泵的运行频率，以满足采空区抽放的需要，即保证了回采工作面瓦斯不超限，工作面的安全工作环境得到保障；又能保证工作面的新鲜风不进入采空区，避免采空区自然发火事故的发生。从而使回采工作面的原煤产量得到了很大的提高。

4.2变频器软启动的效果

瓦斯抽放泵电动机功率大，如果采用直接启动，启动时间长，启动电流大，对电动机的绝缘有着较大的威胁，启动压降对电网的影响较大，对设备的机械冲击大。采用变频器实现了瓦斯抽放泵的软启动和软停车，具有如下效果：

⑴ 消除了电动机因启动和停车对设备的冲击，延长了瓦斯抽放泵以及电动机的使用寿命；

⑵ 限制了启动时的启动电流对电网的冲击，减少了启动峰值功率损耗；

⑶ 瓦斯抽放泵的运转速度下降后，改善了设备运转部位的润滑条件，降低了传动装置的故障。

4.3 变频运行的节能效果

4.3.1 变频运行节能计算

根据运行参数统计，瓦斯抽放系统一般运行在35Hz～45Hz之间，运行在45Hz的时间相对较多一些。按设备年平均运行350天（每月需对设备停机检修1天），瓦斯抽放泵运行在45Hz时计算节能：

⑴ 50Hz频率运行的年耗电量计算：

⑵ 45Hz运行状态的年耗电量为：

 

⑶ 年节能计算：

电价按0.5元/kW.h计算，则每年可节约电费70.7万元。

4.3.2 改善电网功率因数
    瓦斯抽放泵电动机额定功率因数为0.87，而变频器可使功率因数保持在0.95以上，提高了电网的供电质量、输电效率和减少电费支出.
5 结语
    高压变频器在打通一矿采空区瓦斯抽放系统的应用，成功有效的控制采煤工作面和回风系统的瓦斯量，保证了矿井的安全生产，节能效果明显。