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煤矿主通风机节能技术应用综述

罗会清 / 中国矿业大学化工学院    

摘要:介绍了目前我国煤矿主通风机的基本运行情况及风机高能耗的原因,将常用的通风机节能技术分为三类以对现有的节能措施进行概述,同时对主要的通风机节能技术进行了评价,并对其未来进行了展望。
关键词:煤矿;通风机;节能;应用综述
中图分类号:TH43 文献标志码:A
Overview of Energy-Saving Technologies Application for Main Fans in Coal Mines
Abstract: The basic operation status at present of main fans in coal mines were introduced, and the reasons for high energy consumption of fans were analyzed. The common used energy-saving technologies for fans were classified into three categories to outline the existing energy-saving measures. The energy-saving technologies on main fans were evaluated, and the fan energy-saving technologies of future were prospected.
Key words: coal mine; fan; energy saving; application overview
0 引言
  煤矿主通风机是保障煤矿安全生产、实现矿井通风调度的主要动力设备,它的正常运行也是对井下人员身体健康的重要保证。据有关资料显示,截至2009年底[1] ,全国约有3~4万台在用矿井主通风机。与此同时,矿用主通风机凭借其巨大的耗电功率成为了煤矿耗电量最大的机电设备之一。其耗电量占到了煤矿企业机电设备耗电总量的20%~30%,甚至更高。然而,目前我国矿用主通风机的平均效率仅为50%左右[2-3] ,而国外则可以达到85%。因此,降低通风机能耗、保持其运行的经济性,长期受到关注。
1 通风机高能耗原因简析
  随着煤矿生产的开展,矿井所需风量、风压不断变化,通风机工作环境及风机本身也在不断变化。在这个过程中,电能的浪费可以归结为两个方面[4-5] :一是通风网路的问题;二是通风机本身的因素。
  1) 通风机网路设计施工不尽合理导致通风阻力较大。煤矿在施工修筑风道时,没能保证井巷壁面的平整光滑,造成摩擦阻力系数较大;风井断面大小及形状不符合节能要求;随着井巷延深,风道布局的不合理造成风道长度有失合理;井巷出现局部的扩缩,影响风流;风井弯道过多以及转弯过度不平滑。
  2) 通风机本身的因素导致电能的白白浪费。通风机选型时的安全裕量过大造成在通风容易时期的“大马拉小车现象”;通风机调节方式不合理或者不适用;风机调节过程粗糙,调节精度不够;风机缺乏足够的维护保养等。
2 节能技术概述
  煤矿通风机节能技术措施多种多样,目前国内采用的风机调节方式主要有三类:通风网路调阻、通风机结构调整及调速节能。
2.1 通风网路调阻
2.1.1 风门调节
  风门调节作为一种较传统的风机工况调节措施,长期应用于煤矿生产。风门调节的实质是增加通风管网阻力,在通风机特性不改变的情况下通过减小闸门开度来减小风量,以实现节能。风门调节这种方法适用于离心式通风机,轴流式风机一般不采用此法[6]
2.1.2 风道降阻
  通风井巷风阻在煤矿设计的初期已基本确定以匹配相应的风机,但随着生产的进行,通风管网总在不断变化着。由于风道阻力的高低直接关系到能量损耗的多少,关系到通风机运行的经济性,而通风机的风压与风道的阻力是作用力和反作用力的关系,因此只要降低风道阻力就能达到节能的目的。风道降阻的主要措施有:保证井巷壁面使之平滑;采用摩擦阻力小的支护材料;优化断面大小及形状,如较大的圆形断面有利于节能;缩短风道长度,比如截弯取直;避免异物(如各种生产材料等)滞留在风道内;杜绝井巷局部突然扩缩;确实需要弯道的地方要转角平滑,并设置导流板。
2.2 通风机结构调整
2.2.1 前导流器调节
  在通风机叶轮出口旋绕速度不变的情况下[7] ,通风机风压与叶轮进口旋绕速度呈负相关性。那么,对于装有前导流器的通风机,可以通过调节导流器的叶片角度,改变通风机叶轮进口风流方向,降低或者消除进入通风机叶轮的冲角,减少损耗,同时也调整了通风机的性能,达到了节能的目的。这种调节方式对于离心式通风机和轴流式通风机都适用。
2.2.2 叶片安装角调整
  调整叶片安装角是一种效率较高的节能方式,这种方法主要应用于叶片可调的轴流式通风机[8] 。根据特定时段内生产的需要,较精确地计算出通风风压,再由风机特性曲线得出叶片应调整的角度,然后进行调节。叶片安装角度调整方式有手动式和自动式两种,手动式即在风机停机状态下进行的人工调节,自动式即在不停机状态下利用调节控制系统进行调节。目前国内手动式调节技术已经非常成熟,而自动式调节则通过引进国外先进技术得到应用。
2.3 调速节能
  当对通风机进行调速控制时,风机的特性曲线取决于转速[9] 。由比例定律可知,通风机流量Q与转速n成正比,轴功率P与转速n的三次方成正比。即,若通风机转速由100%降至50%,流量也从100%降至50%,而轴功率将从100%降至12.5%。可见转速调节的节能效果相当显著。
2.3.1 改变电机转速
  1) 变频调速
  变频调速的实质是利用变频器,通过改变电机定子的供电源频率来实现调速[10] 。由交流电机同步转速公式n=60f(1-s)/p可知(其中,n为电机转速,f为电机频率,s为转差率,p为电机磁极对数):转速n与频率f成正比。因此只要改变电机供电频率f便能达到调整电机转速的目的。进行变频操作的变频器正是基于这一原理,利用半导体技术研制而成的。目前广泛采用交-直-交方式的变频器实现变频调速。从调节范围来看,变频调速能够实现从0~50Hz范围内的调节,可见其调节范围很宽泛,能够满足风机在不同的工况下运行。
  2) 串级调速
  相较于变频调速对异步电动机定子的控制,串级调速是一种对异步电机转子进行控制的调速方式。其调速的基本原理是[11] ,在绕线式异步电动机的转子回路中串入与转子电势同频率的附加电势,通过改变附加电势的幅值大小和相位来实现调速。同时,附加电势吸收绝大部分的转差损耗,并通过可控硅或PWM整流器等装置将其调整为电网频率反馈到电网中。但其中利用可控硅进行串级调速时存在谐波污染严重、系统功率因数下降的问题;利用PWM整流器可以降低电流谐波并将系统功率因数提高至接近于1.0[12]
2.3.2 利用传动装置调速
  1) 液力耦合器调速
  液力耦合器是一种在恒速电动机的驱动下,通过泵轮与工作腔的共同作用,带动涡轮以传递功率的装置,并通过改变工作腔中的油量来调整从动轴的转速。这种调速方式之所以能够调速以节能是因为[13]涡轮与泵轮二者转矩相等,泵轮转矩随着涡轮转矩的改变而改变,当风流减小,涡轮所受到的转矩减小时,泵轮转矩也减小,而泵轮(主动轴)是恒速运行的,则由P=M·ω可知电动机的输出功率下降,这正是液力耦合器减小通风机转速起到节能作用的重要原因之一。
  2) 改变传动比
  改变传动比即调整电动机和通风机传动带轮的直径比,进行有级调速。这种方法节能效果良好、经济易行,但仅限于对电动机与通风机间接传动的情况。
2.4 其他
  其他的通风机节能调节措施,如采用双速或多速电机、使用转速不同的多个电机及电动机转子串接电阻等,并不经常采用,此处略述。
3 各种节能技术的应用与评价[14-18]
3.1 风道调阻

  风道调阻节能来自于两种情况,一种是所需风量减小,另一种是所需风量增大。风门调节属于前者,风道降阻属于后者。

  如图1所示(图中,Ri代表管网阻力特性曲线,Mi代表风机的工况点,A代表风机性能曲线)。进行风门调节时,减小风门开度,RR0增大为R1,风压增大到p1,可见管网要克服管网阻力产生节流损失。只有当矩形OQ1M1p1小于OQ0M0p0的面积时才能起到节能的作用。而实际生产表明,电机吸收的有功功率基本不变,由此可见,风门调节的节能空间十分有限。但风门调节简单易行、调节成本低。同时,作为短期的调节措施,风门调节也继续被采用。
  风道降阻是以减小能量无功损耗为出发点进行节能的。风道降阻后,RR0减小到R2,此时不管矩形OQ2M2p2是否小于OQ0M0p0的面积都能节能。但前提是在不调整风机性能时,满足生产所需风量为大于Q0Q2。如果对风机性能进行互补调节,使曲线A左移以满足Q1风量,则节能效果更加显著。
3.2 前导流器调节
  相比于风门调节,虽然两者的调节具有相似性,但前导流器调节节流损失较小,因此节能效果优于风门调节。但因前导流器调节角度精度直接影响到冲击损耗的多少,因此对调节精度要求较高。
3.3 叶片安装角调整
  进行叶片安装角调整时,节能效果较佳,能使风机运行在高效区。例如,2k60型轴流式通风机,动叶片由30°调整到20°后,风机运行效率达到76%。但如果调节角度不到位会影响风机性能,甚至将风机带入不稳定工作区段。目前,叶片安装角调整的方式也从传统的手动式向自动式调整方向过渡。前者的操作过程影响生产进行,需停产操作,且调整精度不高、效率低;后者则适应了煤矿生产自动化的发展需求,能实现高效率的调节。
3.4 变频调速
  变频调速被认为是异步电机最具发展前途的调速方法。过去由于技术的限制以及出于使用成本的考虑,变频调速应用受到限制。随着半导体技术的发展,变频器越来越成熟,变频调速的应用也越来越广泛。变频调速除具有调节范围宽泛、调节精度高等优点外,还能实现电机软启动、减小对电网的冲击,且正是基于这些优点使得变频调速在煤矿主通风机应用中越来越广泛。尤其是在采用多种节能调节措施进行联合调节时,变频调速可与其他多种技术简单地搭配使用,其使用优势突出。
3.5 串级调速
  在不计电动机固有损耗和空载损耗的情况下,可以认为串级调速是一种无转差损耗的节能措施。串级调速调节效率低于变频调速但成本比变频调速低。同时,在与液力耦合器调速成本基本相当的情况下,调节效率更优。
3.6 液力耦合器调速
  生产实践表明,尽管液力耦合器调速的优点很多,比如电机可以空载启动、电机与风机非机械互连隔离了机械振动并能提供过载保护,但是液力耦合器的维护使用费用高、调节精度低、损耗量大使其使用成本高,综合价值相对较低。随着新技术的不断发展,液力耦合器调速措施呈现使用越来越少的趋势。
  总体来看,通风机各类节能技术的经济性以及调节性价比可由低到高排序为:风道调阻、通风机结构调整、调速节能。其中,具备高效且符合煤矿生产自动化发展趋势等优点的变频调速技术是最优秀的节能技术。但另一方面又要根据不同的生产时段、不同的生产环境,采用相适应的调节方式。
4 通风机节能技术应用展望
  随着能源行业的发展,煤炭企业采取措施降低通风机能耗是必然趋势。在这个过程中,科研院所、风机生产企业和煤矿要加大协作力度,通过风机研发、生产与实践应用的有机结合,研制高性能通风机,并推广应用。同时,通风机降耗既要从通风设备方面来实施这项工程,也要注意人的因素。
  1) 加大企业节能宣传力度,增强人员节能意识,培养员工节能技能。
  2) 采用风机节能措施时,综合考虑各方面的因素,不仅要能降耗,还要使调节成本合理,以保证效益最优。
  3) 综合使用多种调节措施。比如叶片安装角的调整和变频调速控制技术相结合,利用变频器和调整风机叶片互补调节,在提高风机运行效率的同时实现节能降耗。
  4) 随着煤矿生产向自动化方向发展,对生产系统各部分的自动化要求越来越高。变频调速等高效节能技术符合这一发展趋势,应该推广应用。
                参 考 文 献
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