矿山风机系统

关键词： 电功率 风机 电力 资源

矿山风机系统（精选三篇）

矿山风机系统 篇1

煤矿生产中,风机是一个重要的用电设备,而且用电功率大,还要24 h不间断运行。而当前,电力资源是资源战略的一个重要方面,在国民经济发展中占有重要地位和作用,所以,通过变频调速技术不断提高电力利用效率,对于充分利用与节约有限的自然资源,实现可持续发展有着重要意义。

矿山风机系统一般采用电机恒速运转来控制排风量,调节风量时需要控制调节板。这种调节方式操作简单、非常实用,但是若从节能环保的角度分析则极其浪费能源。所以,本文将探讨如何采用变频调速控制技术来调节电机,从而控制转速、调节风机的风量(流量)。

1 变频调速技术阐述

1.1 变频调速技术发展概况

变频调速技术已深入我们生活的每个角落,变频调速系统的控制方式包括V/F控制、矢量控制(VC)、直接转矩控制(DTC)等。V/F控制主要应用在低成本、性能要求较低的场合;而矢量控制的引入,则开始了变频调速系统在高性能场合的应用。随着半导体技术的飞速发展,MCU的处理能力愈加强大,处理速度不断提升,变频调速系统完全有能力处理复杂的任务,实现复杂的观测、控制算法,传动性能也因此达到了前所未有的高度。而现在变频驱动主要使用PWM合成驱动方式,这要求其控制器有很强的PWM生成能力。

目前,国内使用的交流电牵引采煤机的电牵引调速系统主要包括交流变频调速系统、电磁转差离合器调速系统和开关磁阻电机调速系统3种。其中,交流变频调速技术发展得很好,具有诸如启动性能好、可直接实现软启动等优点,已成为目前采煤机调速方式的主流。开关磁阻电机调速技术发展势头很强,虽研发时间不长,但它具备交流变频调速和直流调速系统的优势,缺点是位置传感器和噪声存在不可靠性缺陷。总的来说,变频调速以其优异的调速、启动和制动性能,良好的节电效果以及高效率、高功率因数,还有广泛的适用范围等优点,被国内外公认为是最有发展前途的调速方式。

近些年来,采用变频器对风机、水泵类机械进行转速控制从而调节风量(流量)的方法已在工业上获得了一定应用,这对于小型发电厂来说,具有节约能源、提高经济效益的重要意义。

1.2 变频调速技术原理分析

从电机理论可知,异步电机的转速为:

式中,n为异步电机的转速(r/min);f为电网频率,亦即电机定子频率(Hz);S为转差率;P为电机定子的绕组极对数。

从式(1)可以看出,变频调速技术的基本原理是电机转速与工作电源输入频率成正比。转速n与频率f成正比(近似),即要连续平滑调速大范围的交流电机,可通过连续平滑地改变电源频率来实现,如供给异步电机的50 Hz交流电可通过整流和逆变转换为频率可调的电源。

根据风机比例定律:在雷诺数Re≥5×106,工作介质密度、叶片直径不变的状态下,功率W与n3成正比,风压H与n2成正比,风机的风量Q与转速n的一次方成正比。若风机转速作调节处理,风机功率则成三次方增减消耗,而要改变电机转速可通过改变电机工作电源频率来实现。变频器的电路结构如图1所示,经整流、滤波环节后50 Hz、380 V交流电转换为直流电,幅值和频率再经逆变环节变成交流电。由此可见,电能在变频器主回路中经过了“交流—直流—交流”的变换,故称其为“交—直—交”变频器。

由上述分析可知,变频调速技术实质上是利用电机的电源频率和电机转速的线性关系这一原理,而应用于矿井风机系统中就使得交流感应电动机有了快慢的自由。总之,变频调速是通过改变输入电机的频率来达到无级调速目的的,它具有节能效果好、精度高、范围宽、效率高等优点,已成为深受多个行业领域欢迎的一种调速方式。所以,若能通过应用变频调节技术来减少风机的耗电量,则不仅倡导了当前的环保节能理念,还能降低矿山生产成本,保障设备安全运转,提高经济效益。

2 变频调速技术实例应用分析

本文探讨的是变频调速技术在矿山风机系统中的应用。为了达到电机负荷变速运行从而自动调节风量的目的,应用PLC构成了风压闭环自动控制系统,这样既可节能,又满足了生产需要。以下将结合某矿务公司实例,重点就该公司矿山电气拖动设备在运行过程中遇到的输出功率不能随负荷变化而变化的情况(此情况浪费能源且普遍存在),对其变频调速与节能效果及特点进行分析。

2.1 技术系统应用概况

该矿务公司采用的变频调速运行机制为:通过传感器、测量装置检测所需信号,并将其转化为电流信号,再反馈给变频器,这样变频器就可将标准情况与被检测到的信号作对比,以适当对风机电机输入频率进行调整,从而改变风机转速。具体来说,变频调速节能的基本原理就是,在煤矿某个工作面无人工作的情况下,风机无需满负荷运行,而要使风机减速,就要降低风机输入功率,最终实现节能。

本文所举实例采用的是GS系列变频器,其微处理器为高性能DSP,功率输出器使用绝缘双极型晶体管(IGBT)。系统投入运行以来,实测功率因数可达0.9以上,输出电流、电压和频率稳定,运行状况良好,节能效果突出,整体性能稳定,可视显示、技术成熟,具有全面而完善的保护功能。此外,为了更好地适应特殊环境的要求,矿山风机变频调速采用自动控制方式。自动控制信号采用PID闭环反馈控制的方法,即由PID控制变频调速器,变频器控制电动机的输入频率以改变电机转速。这样可以更好地满足自动控制的要求,实现调节风机流量的目的。

2.2 经济效益分析

首先,根据风机在不同控制方式下的“流量—负载”关系曲线变化情况进行计算,以分析“流量—负载”关系曲线的节能效果。如本文实例中应用风机额定流量518 m3/min,额定功率60 kW,配备YBF200L1-2型电动机,风机全年运行时间300天,每天连续24 h运行,其中13 h以50%负荷运行,11 h以90%负荷运行,则每年的节电量为:

假设每kW·h电按1元计算,则采用变频调速技术每年可节约费用高达20余万元,这表明将变频调速技术应用于变负荷设备,节能效果十分突出。

再者,根据风机负载关系公式P1/P2=(n1/n2)3进行节能分析,可知要改变电机转速可通过改变电机工作电源频率实现。这种调节方式虽操作简单,但消耗功率大,节能效果不佳,运行成本高。而本文实例中应用了变频调速技术,经研究发现变频调速后风机所需功率明显减少。

由上述2种节能效果分析可以得出的结论是:在改变风机能耗方面,变频调速技术应用效果突出。值得注意的是,本文实例中变频调速技术通过平滑的转速调节运行方式,既能使风机软停机、软启动,还能降低电机发生故障的概率和电机的发热程度,也能使特性曲线发生变化,获得最佳经济运行工况点,确保风机运行的稳定性及精确性。但在实际工作中,可能由于工业现场的负载、控制目标、运行工况等存在差异,计算和分析方式难免会有特殊性,所以建议在实际案例应用中应采取不同的原始数据进行计算、分析。此外,因改造时应用的是单台变频器控制单台电机,所以为避免导致变频器损坏,在实际应用中对2台对旋风机的电机转速参数设定不宜相差太大。

3 结语

综上所述,矿山风机变频控制的最大意义是节能。在本次对变频调速进行探讨的实例中,采用变频控制进行驱动后,电机的工作能耗显著降低,且风机能在一个比较理想的范围内稳定运行,尤其是电机低负荷工作时,节能效果与经济效益更加突出。随着国民经济的快速发展,能源紧缺,煤炭需求量日益增加,我们有必要积极创新采煤相关设备的重要技术,加大研发力度,提高煤炭开采量和开采效率。如本文通过变频控制风机提高了设备的使用寿命,还改善了电机的软启动性能。理论和实践表明,在风机系统中采用变频调速技术对提高设备的经济效益有着突出的效果。总之,变频控制技术不仅适用于煤矿主扇,其他行业亦可通过应用该技术实现节能省电的效果,从而显著降低成本,提高企业产品的竞争力,更好地实现经济效益。

参考文献

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[2]杨云峰,宋一阜,李凤琼,赵武.现代设计方法在煤矿机电产品设计中的应用[J].中州煤炭,2005(2)

[3]齐振邦.风机变频调速应用现状及节能原理[J].风机技术,2000 (3)

[4]刘长海,徐宏兴,王大宇.大功率电牵引采煤机的发展概况及趋势[J].煤矿机械,2010,31(8)

矿山风机系统 篇2

由于我国地质条件复杂, 煤矿和非煤矿开采时会产生大量的有毒有害气体, 威胁员工的人身安全。局部通风机是改善矿山井下劳动条件的重要设备, 是井下掘进过程中最主要的通风设备, 是实现安全开采的必要安全设施[1]。目前, 金属非金属矿山使用的局部通风机大多采用传统的手动控制方式, 风机的启停不能根据有毒有害气体的浓度变化而改变, 因此常常会出现气体已经排出, 但风机还在运行的情况, 造成大量的能源浪费和经济损失。随着自动化技术的发展, 结合PLC控制技术和变频调速技术对传统风机启停进行自动化设计, 对有毒有害气体进行实时监测, 并通过监测数据反馈对通风机的启停和通风量进行控制, 能够大大提高风机的工作效率, 减小能源的浪费, 降低开采成本, 达到安全高效的目的。

1 系统的功能要求和特点

通风机自动控制系统能够实时监测现场的一氧化碳、氧气、二氧化氮等气体的浓度参数, 并在气体浓度超标时发出语音、声光报警, 提醒现场工作人员禁止进入工作区域, 能够实现对局部通风机的手动和自动控制功能的切换, 保证在自动控制出现故障时实现手动的方式进行控制。现场的各监测数据能够实时传输到PLC控制器, 运用上位机上的组态画面进行历史曲线、实时数据等的显示和分析。

该系统的特点主要包括:系统组合方式多样, 可以通过以太网与矿井其他系统无缝结合, 实现信息共享;传感器报警点可以在传感器上设定, 也可以通过组态软件设定;智能型总线传感器即插即用, 可以实现对不同气体的监测[2,3,4]。

2 系统的整体设计

为了实现该系统上述的功能要求, 本文设计了基于PLC控制器以及各种气体传感器的局部通风机闭环控制系统, 以气体浓度值为输入参数, 接入PLC的模拟量输入端, 以局部通风机为控制对象, 通过变频器对局部通风机进行变频调速和启停控制, 控制系统方框图如图1所示。

2.1 系统硬件设计

矿井局部通风机自动控制系统由PLC控制柜、变频器、局部通风机和各类传感器组成, 各传感器监测到的气体浓度值反馈到PLC控制器, 当有任一传感器浓度值超过设定参数时, 发出语音、声光报警, 该信号经PLC处理后控制就近的变频器对风机的启停和转速进行控制, 从而有效控制通风机的启停和通风量, 在一定时间内驱除有毒有害气体, 当环境参数达到设定要求后, 即无报警提示时, 工作人员方可进入工作区域[5,6,7]。该控制系统结构图如2所示。

2.2 系统软件设计

局部通风机自动控制系统基于上位机组态软件组态王6.55 版本, 实现对CO气体浓度的显示, 监测浓度超过设定值时发出语音和声光报警, 并伴随画面闪烁警示, 其中语音报警和画面闪烁警示通过组态软件编程实现。PLC编程采用西门子通用编程软件STEP7 Micro WIN V4.0 版本, 系统程序采用模块化设计, 包括控制主程序、模拟量采集程序、手动控制程序和手自动切换控制程序等。

3 模拟实验研究

为了研究该系统的可行性, 本文以CO气体浓度的监测为例, 在实验室搭建了控制系统演示平台, 并通过组态软件对CO气体浓度进行实时监测和显示, 浓度超过设定值时发出语音和声光报警, 通过PLC采集监测数据处理后控制继电器从而控制通风机的启停。

本实验采用的PLC为耐特公司生产的LT-200系列CPU224-XP型, 该PLC采用直流24 V电源供电, 集成2AI/1AO和14DI/10DO功能;采用天地公司生产的GTH1000 矿用一般型一氧化碳传感器, 该传感器用于连续固定检测金属非金属井下环境空气中的CO含量, 本实验中该传感器用于监测CO含量, 并通过RS485总线将检测到的浓度信号通过频率转换电流板, 转换成模拟信号输送给PLC的模拟量输入端, 浓度达到或超过设定值时发出语音和声光报警, 模拟系统连接图如图3 所示。

上位机采用组态王组态软件对监测数据进行显示和记录, 并对监控画面进行显示, 组态王监控画面如图4所示。

模拟实验结果表明, 采用PLC控制器、CO气体传感器、继电器等能够实现局部通风机的自动控制, 通过组态软件能够对气体浓度和报警信息等进行实时画面监测, 并实现语音和声光报警, 提高了设备运行的安全性和自动化水平。

4 结论

该系统在保证了金属非金属矿山安全开采的同时, 达到了降低功耗、节约成本的目的, 并实现了自动控制, 运行安全可靠, 能够在提高生产效率的同时保障员工的安全, 在能源相对紧缺的现状下, 该系统具有较高的推广价值。

参考文献

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矿山风机系统 篇3

1 改造要点

1.1 改造工艺流程

结合三线生料磨系统目前现有工艺布置及主机配置情况, 在充分利用现有设备的基础上, 新增旋风除尘器和循环风机, 将双风机系统改造为三风机系统。改造后的工艺流程如图1所示。

改造要点如下:

1) 双风机系统改造为三风机系统后, 生料磨运行时, 出磨含尘气体通过旋风筒收集大部分粉尘后, 废气再由循环风机抽出, 进入电除尘器的粉尘浓度由730g/Nm3降低到85g/Nm3、压力由11k Pa降低到2k Pa, 低浓度含尘气体经过电除尘收集, 在收尘效率不变的情况下, 较两风机系统粉尘排放浓度会大大降低。

2) 当生料磨停止运行时, 窑尾废气由高温风机经旁路风管至电除尘器, 由系统风机排出, 此时, 循环风机停机。

3) 将现有电除尘器进风管由上部接入方式设计为水平接入方式以降低管道阻力, 符合现有环保设计规范要求, 不占用现有电除尘器空间, 利于今后实施对电除尘器的相关技改和日常维护。

1.2 设备改造

在保证现有设备利用率最大和降低改造投资的前提下, 将双风机系统改造为三风机系统。经过多次方案评审, 做出如下改造方案:①保持高温风机参数不变;②改造中的循环风机和电动机配置利用原有的系统风机和电动机替代;③新增生料磨旋风除尘器, 另新购置一台系统风机及其电动机。具体主机设备变更情况见表1。

2 改造效果

在窑系统年度计划检修期间对生料磨系统实施改造, 历时45天。对改造前后系统运行情况进行标定, 数据对比见表2。

从表2中可以看出:

1) 生料磨产量增加。磨内通风量由改造前的728 534m3/h增加到759 891m3/h, 磨内通风量增大, 压差降低, 使生料磨运行稳定, 产量增加20t/h。

2) 生料磨电耗降低。在入磨综合物料易磨性指数变化不大的前提下, 磨机产量每小时增加20t, 每吨生料电耗相对降低;磨机产量的提升, 生料磨相对窑系统的运转率 (窑系统年运转率为90%) 由85%降低到83%, 相比两风机系统进一步降低了熟料电耗;通过工艺管道布置, 电除尘器入口管道阻力降低约550Pa, 也降低了系统电耗;电除尘器本体阻力降低, 出口风量降低, 这对降低电耗极为有利。

3) 窑尾电除尘器出口粉尘浓度降低。双风机系统运行下, 入电除尘器粉尘浓度为600g/Nm3, 较三风机系统21.8g/Nm3高出很多。在电除尘器效率不变的情况下, 出电除尘器粉尘浓度要比三风机系统大。通过系统工艺改造及电除尘器本体的电气升压改造, 使电除收尘电场Umax=95k V、Imax=220A, 比升压前提高很多, 提高了电除尘器的捕集粉尘能力。

3 结束语