變頻調速在煤礦主要通風機中的應用
2006/7/11 9:01:00
1 引言 變頻調速技術及系統(tǒng)的應用能夠使電力傳動系統(tǒng)的控制性能和節(jié)能水平有較大幅 度提高。我國現(xiàn)有各類電動機總裝機容量達35億kWh,電耗占總用電量的50%左右???慮到生產(chǎn)機械在各種工況下的工作運行,因而配用的拖動電動機功率一般定位在最大工作能 力 情況下。而大量的生產(chǎn)場合由于功率需求始終處在變動狀態(tài)中,因此在定速拖動方式下, 無法進 行拖動功率與實際功率需求的匹配平衡。在低功率需求的情況下,就導致大量的電動機處 于 輕載運行,電能利用率低,浪費電能現(xiàn)象嚴重。在電傳系統(tǒng)中,加入變頻器環(huán)節(jié),可較大幅 度地降低生產(chǎn)性電耗,還可大大優(yōu)化生產(chǎn)機械的控制性能。煤炭行業(yè)中的礦井通風,配備了 大量的功率較大的主要通風機,其平均效率僅達60%,運行效率不到55%,比國外水平低15個百分點。在礦井主要通風機的拖動系統(tǒng)上實施變頻調速技術改造,可產(chǎn)生良好的經(jīng)濟效益。 2 基本情況介紹 山西三元煤業(yè)有限公司是新建礦,現(xiàn)在年生產(chǎn)能力已達100萬t,生產(chǎn)用電量很大,主要用 電設備為礦井主要通風機及提升設備。礦井通風設備是根據(jù)生產(chǎn)發(fā)展規(guī)劃配備的,電機及主 要通風機 容量選用的比較大,由于建礦時間短,實際生產(chǎn)能力沒有達到中遠期設計水平,因此通風設備存在較大裕量。 三元煤業(yè)公司礦井只有一個采區(qū),礦井通風方式為抽出式,設有一個通風機房,裝備兩臺 軸流式 通風機,風機啟動方式為串電抗器降壓啟動,兩臺同型號的主要通風機互為備用。主要通風 機選 用的是沈陽風機廠生產(chǎn)的2K58系列礦井軸流通風機,型號為2K58-No28型,額定電壓600 0V,轉速590r/ min。配備電機均為沈陽電機廠生產(chǎn)的高壓電機,型號為JS-157-10,額 定電壓6000V,額定電流33A,額定功率260kW,轉速 590r/ min。 1998年由山西省煤礦節(jié)能監(jiān)測中心對兩臺2K58-No28通風機的性能進行了技術測定。通風 機效率為86.3%;通風機運行工況點為:風量104m3/s,全壓為1996Pa,風機效率為27.5 %, 風機軸功率90kW。針對礦井實際的風量需求,采用調節(jié)前導器角度和調節(jié)垂直風門開啟度實 現(xiàn)風量調整。經(jīng)計算,通風機房兩臺2K58-No28通風機采用輪換工作制,與近最佳工況運行 情況相比,每年多消耗電能45.32萬kWh,電能浪費十分嚴重。 初期(近10年內),整個風機和電拖動系統(tǒng)處于低效率運行狀態(tài),存在“大馬拉小車”的問題,在礦井生產(chǎn)后期,260kW的電動機仍能 滿 足后期通風的需求。同時電機起動電流過大,盡管加入起動電抗器,起動電流仍然很大。 在正常生產(chǎn)過程中以及采煤斷面的加深和延長,對風量和風壓有著不同的要求,而對風量的 不同需求,一般是通過人工改變風門的開啟度或者改變風機的扇葉角度來實現(xiàn)的,勞動強度 大,風量調控不便,設備維修工作量大。 為解決上述問題,我們根據(jù)我 礦的實際生產(chǎn)及發(fā)展要求,選用北京天寵電力技術有限公司生產(chǎn)的高壓變頻調速器MDS2000- 260/6G一臺,對主要通風機進行變頻調速技術改造。 3 風機調速運行節(jié)能原理 通常調節(jié)風量的方法有改變風門開度和改變風機轉速兩種方法。 風機的壓力—風量特性曲線如圖1(略)。 根據(jù)風機軸功率諸公式: P=KQp/ηcηb〖JY〗(1) 式中: P——軸功率(kW); 〖WB〗K——系數(shù); Q——風量(m3/s); ηb——風機效率; p——壓力(Pa); ηc——傳動裝置效率(直接傳動時為1) 風機G2,G5工作點的軸功率為: PG2=KQ2P2/ηcηb(kW) PG5=KQ2P5/ηcηb(kW) △P=KQ2(P2-P5)/ηcηb(kW) △Pn即為風機調速控制所節(jié)省的功率,或者說風門調節(jié)時要多消耗在風門上的功率 。 根據(jù)風機風量、壓力、轉速、轉矩之間的關系: 〗Q∝n p∝T∝n2 (2) P∝Tn∝n3 式中: Q——風量; p——壓力; T——轉矩; P——軸功率〖ZK)〗 可以看出,風量與轉速的1次方成正比,壓力與轉速的2次方成正比,軸功率與轉速的3次方 成正比。調節(jié)轉速即可調節(jié)輸入風機的功率。 交流電機轉速與頻率的關系為: N=60f(1-S)/p (3) 式中: N——轉速; f——電機電源頻率; p——電機極對數(shù); S——轉差率 從(1)、(2)、(3)式可以看出,均勻調節(jié)電機定子繞組的電源頻率f,就可以均勻地改 變電機轉速,改變轉速即可調節(jié)風量的大小。因此調節(jié)電機轉速,就可相應地調節(jié)輸入風機 的功率。這樣,避免風門調節(jié)風量時消耗在風門上的功率,這正是采用變頻調速達到節(jié)能的 原理。 4 高壓變頻調速器MDS2000工作原理 MDS2000高壓變頻器采用直接高-高變換的方式,多電平串聯(lián)倍壓技術方案。整個設備是由切 分裝置、變換裝置和控制裝置三部分組成。 切分裝置是一個特殊設計的三相隔離變壓器。該變壓器一次輸入有三個分接頭,分別對應的 一次輸入電壓為6000V、6300V、5700V,即對電網(wǎng)的輸入可調整為電網(wǎng)輸入的100%、105%、9 5%,目的在于適應電網(wǎng)寬范圍的電壓輸入。本裝置的變壓器輸入電壓符合國家標準,容 量為330kVA。變壓器的二次有三組輸出,對應三相輸出,每組包括8個獨立的切分單元繞組 ,繞組之間相差一定的電角度,每個繞組輸出同樣大小的三相交流電。 本裝置的變換裝置是由24個結構相同的功率模塊組成,主電路結構采用電平串聯(lián)倍壓方式, 8個功率模塊串聯(lián)成一相,三相輸出采用Y形接法。每個功率單元包含整流、濾波、逆變3 個部分。通過軟件編程,控制逆變部分中的開關元件的開、關規(guī)律,從而控制每個逆變模塊 的輸出電壓幅值大小、方向和寬度(相應的頻率)。 波形的輸出采用優(yōu)化的PWM變換技術,對相電壓波形進行優(yōu)化變形,提高電壓利用率;加上 輸出多電平的串聯(lián)倍壓,使得輸出波形更加接進正弦波,有效地抑制輸出電壓和電波的諧 波含量。 ?。怠「脑旆桨? 具體改造方式為:首先恢復風機扇葉數(shù)量,將扇葉調整到最佳工作角度30°,使風機工作 在最佳狀態(tài);利用變頻器變頻調速功能,根據(jù)生產(chǎn)對風量和風壓的要求,自動調節(jié)風機吸風 量,使風機獲得最大的節(jié)能效果;同時變頻器具有軟起動功能,可根據(jù)實際情況,設定相應 的起動時間,以減少直接起動所產(chǎn)生的大的沖擊電流,取消了直接起動時所串接的限流電抗 器。 改造后的系統(tǒng)主接線圖如圖2所示: 圖2(略) ?。丁「脑烨昂蟮囊恍┲饕獢?shù)據(jù)對比及效益 三元煤業(yè)公司在2001年8月初安裝使用該設備,運行一段時間后,并經(jīng)過測試,整體情況和 以前工頻運行時有以下幾個方面的比較。 (1)改造前后的一些主要數(shù)據(jù)對比如表1。 (2)整體情況 ①主要通風機變改造后,在滿足正常生產(chǎn)對風量(現(xiàn)在為46.33~53.67m3/s)和風壓( 1700P a)需求的前提下,電機實際轉速比額定轉速590r/min下降了17%,電機實際功率為電機額 定功率的56%,節(jié)電率約在44%。 表1 改造前后主要數(shù)據(jù)對比(略) ?、谧冾l改造后,實現(xiàn)了軟起動,取消了起動時的限流電抗器,起動電流大大減小,低于 額定電流,避免的起動電流對電網(wǎng)和電機的沖激。 ?、塾捎诟邏鹤冾l器功率因數(shù)高,不需功率補償,因而去掉了原有的并在電機輸入側的電容 器。 ?、軠y試結果表明,變頻器輸出諧波含量很小,低于4%。 ⑤變頻改造后,實現(xiàn)了生產(chǎn)對風量的自動控制,提高了設備自動化控制程度和設備的可靠性 。 ?、拊O備磨損減輕、維護費用降低,延長了維護周期,工作強度減少。 ?、咦冾l設備操作簡單,工況良好,運行可靠。 ⑧變頻運行后設備噪音降低、改善工作環(huán)境。 7 結語 通過此例應用及其他的風機變頻改造應用實例,可以認為:煤礦主要通風機如能較為普遍地 實施變頻調速改造,經(jīng)濟效益是非??捎^的。 對風機實施變頻技術改造,實際上是在拖動風機的電傳動系統(tǒng)中應用了變頻調速技術。一 方面,變頻調速技術的應用不僅能使電力傳動系統(tǒng)的節(jié)能水平有較大提高,另一方面,也能 使電力傳動系統(tǒng)的控制性能也得到較大的提高。 變頻調速技術如能進一步地在風機 拖動以泵類機械拖動、及整個電力傳動系統(tǒng)中推廣應用,將對推動企業(yè)科技進步起到重要作用。 信息來源于:中國煤炭
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