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摘要：针对主通风机存在严重的功率浪费的现象，在分析变频节能技术原理的基础上，提出了矿井主通风机上变频调速节能技术。该技术在主通风机上的应用，可节省电量25%，预计可延长风机工作寿命约30%，提升了主通风机的工作效率，降低其耗电量与经济成本。
关键词：矿井;主通风机;变频节能技术;应用
引言
主通风机是煤矿采矿业中不可或缺的部分，同时也是煤矿采矿作业中的耗电大户。我国的煤矿采矿作业中，主通风机占据了整个采矿作业中将近1/3的耗电量，而由此带来的经济成本则占据了采矿总成本的1/4。但主通风机大多数情况下其工作功率与实际负载并不相符，存在严重的功率浪费现象，而研究变频节能技术在主通风机上的应用，可以提升主通风机的工作效率，降低其耗电量与经济成本[1]。
1变频节能技术的原理
1.1变频调速技术
为确保矿井下空气质量，一般的煤矿矿井中会配备两台主通风机，其中一台用于日常工作，另一台则在第一台无法工作时临时发挥作用。为确保矿井下空气得到有效流通，主通风机的工作功率一般为最大功率，但矿井实际的空气质量往往会随时间发生变化，当矿井下空气质量较好时，主通风机仍然满功率工作会导致功率的浪费。而主通风机的特殊结构使得其难以通过常规的调速装置实时调整风机转速，调整所需的成本与技术要求都很高。而变频节能技术可以使主通风机在无需停机的前提下实时调整风机工作功率，根据矿井下方空气质量对风机功率进行动态调整，这种调整方式精确度更高，可在保证矿井下方空气质量的前提下节省风机用电量。
1.2主通风机的能耗
主通风机中，对电能的消耗主要来自电动机，电动机将电能转化为机械能，而机械能中的大部分转化为风扇旋转的风压能，一部分转化为摩擦热能，少部分在电动机工作中耗散掉。其中：ηd代表电动机转换热能的效果，即电动机的工作效率；ηt代表电动机耗散热能的效果，即传动效率；ηm代表电动机转换风压能的效果，即全压效率。由于风机的出风量Q与出口风压H也会对主通风机的耗电量产生影响，因此降低主通风机耗电量的思路为降低Q与H，提升ηd、ηt与ηm[2]。
1.3变频调速原理
主通风机的电动机转速是影响其耗电量的关键，在不更换主通风机电动机的前提下，即ηd、ηt与ηm无法改变的前提下，可以通过改变Q与H实现对风机耗电量的调整。而这需要通过调整电动机转速实现，电动机转速越低，Q与H的值就越低，风机工作时耗电量就越小。而变频节能技术的关键就在于在风机工作中实时调整电动机的转速，在确保矿井通风质量的前提下减小电动机的转速，从而节省风机用电。相较于传统的调整电动机转速的方式，变频节能技术可以实现对多台风机的调整，操作简单便捷，调节精度较高，可以最大限度地提升主通风机的工作效率。在下文中，我们将以某煤矿矿井为例，对其主通风机应用变频节能技术，并对应用前后的耗电效果进行测评[3]。
2主通风机变频节能技术应用工况及效果
2.1工程概况
该煤矿矿井属于双突矿井，矿井中瓦斯含量较高，建设规模为650万t/年。该矿井中的通风方式为对角式通风，对角中的两台风机送风，中央处的风机抽风。根据计算，该矿井主通风机所产生的风量为95m3/s，矿井空气质量较好时，风机所产生的平均负压为830Pa，空气质量较差时的风压为2100Pa。为满足该矿井的通风以及应用变频节能技术的需求，为该矿井选择了型号为FBCDZ-8-24B型风机共两台，其中一台为备用风机，该型号风机的工作电压为10kV，额定功率为240kW，最大转速为760r/min。 一般来说，按照煤矿矿井中风机的设置条件，在矿井下空气质量较差时，风机的工作效果较好，此时成为风机工作的高效区；而矿井下空气质量较好时，风机的工作效果较差，此时成为风机工作的低效区。根据统计，大部分风机在低效区时的资源利用效率只有高效区时的50%左右，而井下处于低效区的时间明显比高效区更长，因此造成了严重的电量浪费。而通过变频节能技术实时改变风机转速，可以确保其始终在高效区工作，降低因低效区导致的电量损耗。
2.2变频调速方案
主通风机中的变频器除了需要带动风机工作以及调整其转速外，还需要在风机工作时抵消其所产生的谐波，谐波会对风机的转速调整造成影响，进而影响变频器的工作。因此选择了型号为RHVC-A10的变频器，此变频器对电动机转动时的谐波有较好的防护能力，可以在电动机高速转动时起到实时调整其转速的作用。为确保主要风机以及备用风机都能正常工作，在变频器线路上安装有调控线路，当主要风机因故障无法正常工作时，通过调控线路可立即切换到备用风机的变频器上使之工作，这一操控流程完全自动进行，可避免因主要风机故障导致备用风机无法工作。变频器与矿井下方的气体浓度检测装置连接，通过气体浓度检测装置反馈的结果，将变频器按照预定的程序实时调整风机的转速，在保证矿井下方空气质量达标的前提下使风机始终工作在高效区内，从而提升其工作效率。在安装好变频调速系统后，对风机的工作效率以及矿井下方的空气质量的关系进行了研究。当矿井内空气质量最好时，变频器会将风机的转速调整为550r/min，根据测算，在此速度下风机的工作效率为80%，相比之前为安装变频器时提升了24%。
3主通风机变频技术节能效果
3.1节电量
在未安装变频器之前，风机的电源频率为50Hz，最大转速为740r/min，供风量96m3/s，按照工作低效区工作效率0.56计算，风机每年将消耗3.24×106kWh。而安装变频器后，风机在矿井通风良好时的转速为550r/min，按照效率0.80计算，年耗电量为2.25×106kWh，可得出安装变频技术后风机省电效率为25.02%，省电效果较为显著。
3.2经济效益
以电费计算，电费为每0.5元/kWh，按照改造后的年均省电量来看，每年可节省电费约39万元，而为风机所安装的变频器价格为50万元，合计安装费用共计105万元，在第三年时便可通过节省的电费收回安装成本，而变频器的实际工作寿命远超过此时间，因此安装变频器是非常划算的。以其他经济效益来看，安装变频器后，可以通过实时调整技术实现风机的功率调整，避免风机因始终工作在最大功率导致寿命快速降低，预计可延长工作寿命约30%，同时，风机的稳定运行使得维修与养护的成本大幅降低，同时还降低了因风机宕机期间对采矿工作的影响所带来的成本，这些成本虽无法测算，但也是相当可观的一部分。
4结论
通过实时调整风机电动机转速实现对风机工作效率的提升和耗电量的下降，以对某煤矿矿井的实验来看，使用变频器后可节省电量25%，而煤矿企业收回成本的速度也很快，可以认为变频节能技术对于降低主通风机耗电量和为煤矿生产带来较为显著的经济效益。
参考文献
[1]刘听.变频节能技术在煤矿机电设备中的应用及其发展前景[J].能源与节能，2018（6）：21-23.
[2]赵建军.浅谈变频技术在煤矿空气压缩机中的应用[J].山东煤炭科技，2017（10）：136-137.
[3]王德干.变频节能技术在煤矿通风机中的应用[J].能源与节能，2018（10）：22-23.
作者:宋瑞军 单位:山煤集团霍尔辛赫煤业有限公司