矿井通风机节能增效工业电气解决方案

1、矿井通风机节能增效工业电气解决方案北京欣博通能科传动技术股份有限公司目 录1.概述22.矿井通风系统的现状33.矿井通风系统工业电气节能增效解决方案概述44.矿井通风工业电气节能增效技术的描述75矿井通风工业电气节能增效解决方案的工程实施146矿井通风工业电气节能增效解决方案的总结161. 概述长期以来，煤矿行业由于受复杂的生产条件和环境影响，在矿用设备选型上都采用功率比较大的型号，电机全速运行，大马拉小车现象非常普遍，耗能十分严重。如何以技术进步和技术创新为先导，降低企业的生产成本，提高劳动生产率是煤炭生产企业需要解决的迫切课题。煤矿主通风机是煤矿的四大主要设备之一，作为矿井主通风，它每天2

2、4小时不停地运转，是整个矿井的“呼吸”系统。然而随着开采及掘进的不断延伸，巷道延长，所需的风量也将不断增加，风机所用功率也将加大。四季的交替，冷热的变化，所需的风量也需不断调节。但煤矿原根据反风及开采后期运行工况所设计的通风机及拖动的电动机的功率，通常远大于煤矿正常生产所需的运行功率。利用变频技术对现有用电设备进行节能改造， 对解决我国煤炭工业高消耗、低效益的现状具有非常重要的意义。2. 矿井通风系统的现状矿井一般按开采各阶段中通风最困难时期选择风机型号。一般矿山选型时，按实际通风参数配备电机功率，计算方法如下：N：所需电机功率，系指、级电机的总功率（kW）；Pst：矿井最困难时期总阻力（Pa

3、）；Q：矿井最困难时期总风量（m3/s）；st：按Pst、Q参数查样本的实际运行工况效率；K：功率贮备系数，一般取K1.11.15。传统的调节系统，是根据风量所需的多少，靠调节风门、叶片角度来实现的。从通风机选型的过程和煤炭生产的实际情况，通风机恒速运行存在以下几个问题：1）、电能的严重浪费大型煤矿的服务年限大多在几十年以上，投产初期到井田稳定开采一般在十年以上，但是一般主扇风机设计上余量特别大，在相当长的时间主扇风机一直处在较轻负载下运行。由于煤矿主扇风机一般采用档板调节，因此造成能源浪费，增加了生产成本。2）、启动困难，机械损伤严重 主扇风机采用直接启动，启动时间长，启动电流大，对电动机的

4、绝缘有着较大的威胁，严重时甚至烧毁电动机。而高压电动机在启动过程中所产生的单轴转矩现象使风机产生较大的机械振动应力，严重影响到电动机、风机及其它机械的使用寿命。 3）、自动化程度低 主扇风机依靠人工调节档板，更不具备风量的自动实时调节功能，自动化程度低。在故障状态下，如风流短路，将对矿井正常生产造成严重影响。由于在生产中，所需风量风压在不同阶段有不同的要求，为满足生产工艺要求，煤矿风机通常采用以下几种方法调节：（1）、闸门调节；（2）、改变通风机转速；（3）、改变前导器叶片角度；（4）、轴流式通风机改变动叶安装角；（5）、离心式通风机调节尾翼摆角；（6）、轴流式通风机改变动叶数目；（7）、轴流

5、式通风机改变静叶角度。其中以阀门调节效率最差，它是人为地改变阻力曲线，增加风阻，越调节性能就越恶化；前导器调节和尾翼摆角调节效率比阀门调节高；改变动叶安装角和动叶数目，可以改变风机的特性曲线，使风机在较大范围内以较高的效率运行，以达到节能降耗的目的；改变通风机转速，使其在最佳工况点运行，使风机在最大范围内以最高的效率运行，节能效果最好。3. 矿井通风系统工业电气节能增效解决方案概述3.1 矿井通风系统节能增效解决方案的设计依据与目的针对矿井通风机电控系统的问题现状满足矿井通风机的生产工艺要求以及矿山设备的使用、操作、运行等规范、规程的要求提供完整的自动化控制与驱动的技术及系统，确保矿井通风机高

6、性能运行的要求提供矿井通风机完整的节能增效运行的检测、诊断与控制技术。3.2 矿井通风系统节能增效工业电气解决方案的系统结构矿井通风机节能增效工业电气解决方案的系统构成如下图所示：因此，矿井通风节能增效系统解决方案，采用先进的自动化控制系统的层级模型（现场设备层、自动化控制层、操作与监视SCADA层、节能增效优化管理层等），以及不同层级间的工业通讯与网络技术（设备层数据接口技术、现场总线技术，控制层数据通讯技术、三网合一的数据传输技术），并实现了下述系统的集成：1) 、通风机综合检测与保护系统2) 、高压配电及综保系统3) 、高压变频传动系统4) 、综合自动化控制系统5) 、操作与监视的SCA

7、DA系统6) 、工业数据通讯系统（工业以太网、现场总线、ModBUS RTU等）7) 、能源数据采集、分析与节能增效运行的优化与控制系统3.3 矿井通风系统节能增效工业电气解决方案的主要功能矿井通风机电气传动采用交流变频调速系统，实现通风机的风量可控的技术要求，使系统具有：1）、提高了电机的功率因数；2）、实现电机软启动，减小启动冲击，降低维护费用，延长设备使用寿命；可系统安全、3）、可靠，具有变频故障转工频功能，确保风机连续运行；4）、控制方便、灵活，自动化水平高；5）、输入谐波含量小，不对电网造成污染；输出谐波含量低，适合所有改造项目的普通异步电动机；6）、界面全为纯中文操作，操作简单，使

8、用方便；7）、全保护功能齐全，除了过压、过热、过载、短路等自身保护功能外，还设有外围连8）、锁保护系统，提高了系统的安全稳定性；9）、采集各风机运行的工艺参数、电器参数、电气设备运行的状况。基于对通风机运行的动态分析技术，监测风机的运行状态。监测的数据包括: 静压、 动压、 全压、 风量、 电机功率、 电机总功率、 效率、 电机定子绕组温度、 电机轴承温度、风机消耗的电量及风机效率等，显示画面实时显示监测到的数据;同时可实时显示压力曲线（静压、动压、全压）、风量曲线、工况运行曲线图; 功率曲线(单级或双级功率及总功率 )、 静压效率及全压效率曲线; 可形成各种数据及状态的运行记录、历史记录曲线

9、、历史查询报表。对所监测的运行状态参数值进行分析判断, 给出风机运行状态“正常”、“警告”、“异常”等提示，确保通风机的安全可靠运行。 集成通风机的运行状态检测与保护，实现矿井通风机的满足矿山设备规范的、安全的、保护与控制：主风机可由PLC进行控制，严格按控制程序进行控制，并对风机正常切换和故障切换进行控制和操作指导，且在控制柜实现硬件闭锁控制。在控制站显示通风系统工艺参数表、电气参数、设备运行状态（工作、停止、故障）以及报警参数表等。温度保护：对电机绕组、轴承、滚筒等进行温度的检测、报警与保护；风压风量控制：通过对现场风压、风量的采集实现风机负压、风量的闭环控制； 提供矿井通风机控制系统的完

10、整的智能化解决方案：全面采用智能化、全数字、先进的自动化控制与传动设备，实现系统单元设备的故障自诊断与记录功能，提高了设备故障的排查与维护。通过全集成的通信与自动化网络，把分散的、单元设备的智能化诊断信息进行采集，并集中进行整体评估，从而实现系统级的、故障的快速诊断与解决。综合使用工业通讯与网络技术：通过在系统的各个层级采用先进的网络通讯技术，实现包括通风机综合运行检测信息、通风机电气传动的高压配电综保信息、通风机交流变频调速系统运行信息、通风机过程控制与状态信息等等的传输与集成。同时，控制系统可与工厂的电话调度系统、工业电视系统相集成，构成一个完整的操作、调度、监视网络，从而最大程度的实现皮

11、带机生产运行基于全厂级地遥测、遥控与遥信，满足企业对皮带机设备的管控一体化要求。 上位计算机操作监视SCADA系统、方便地实现皮带机的集中操控与显示 ：灵活的SCADA系统的C/S、B/S等结构，方便实现全厂级地集中监控与调度要求 实现对矿井通风机（组）的运行工艺数据进行集中管理、优化及传送 实现对矿井通风机组的集中操控、提高了设备运行的各种工况下的应急反应 全面显示矿井通风机运行全过程、设备运行状态、电气传动状态（如通风机运行速度、电机负载电流的显示等）以及自动化过程控制状态，实现矿井通风机的透明化运行 实现矿井通风机工艺运行过程的各类参数的归档功能，便于通风机的运行工艺的优化、设备绩效的评

12、估以及历史过程的查询等功能。满足生产所需的各种运输统计、管理及各种报表的输出等3.4 矿井通风方案的节能特点通过选择高效率的电气传动设备，实现通风机传动系统在设备层及电气传动的系统级上的节能增效运行。通过对通风机整机运行过程的能耗与效率相关数据的分析、计算与评估，并基于相应的节能控制模型，确保矿井通风机实现优化的、节能增效的工艺运行。具有矿井通风机运行过程的能源数据的采集、归档与处理功能，用于通风机运行的能耗分析，有助于发现问题或优化工艺运行，实现生产的节能增效。同时，通过与企业的ERP、MES系统的集成，进一步实现诸如通风机运行的能耗绩效的分析与评估等功能。4. 矿井通风工业电气节能增效技术

13、的描述4.1 节能增效工艺分析针对交流电机结构简单、惯量小、维护方便、可在恶劣环境中运行的特点，容易实现装机的大容量化、高压化、高速化以及价格低廉等。从节能的角度，交流电机的调速装置可以分为高效调速装置和低效调速装置两大类。高效调速装置的特点是：调速时基本保持额定转差，不增加转差损耗，或可以将转差动率回馈至电网；低效调速装置的特点是：调速时改变转差，增加转差损耗。下面通过机械特性、调速范围、节能效果、故障处理、投资成本、维护保养、可靠性、性能等方面做个详细比较。各种交流电机调速方式比较如下表：调速方案转子串电阻定子调速电磁调速液力耦合器变极调速串级调速变频调速调速方式改变转子附加电阻改变输入电

14、压nf(ld) 改变励磁电流nf(Oil) 改变供油量 n=60f(1-s)/p变极对数pn=lkcos(k=1-s) 改变逆变角n=60f(1-s)/p改变电网频率和电压机械特性调速范围%100501008097209730100,50,0100401000节能效果一般，=1-S一般，=1-S一般，=1-S一般，=1-S优，优一般优，优功率因数优良好良好良好良好差优快捷性差快快差快快快故障处理停车处理可投工频停车处理停车处理停车处理停车处理不停车，投工频使用范围新老企业新老企业新建企业新建企业新建企业新建企业新老企业外围要求绕线电阻无电磁离合器水冷油系统无绕线型电机无初投资较省省省一般最省较

15、贵较贵维护保养容易容易较易不易最易较难容易可靠性可靠可靠一般一般可靠较差最可靠对电网干扰无大无无无较大稍有或无性能好不好一般有共振问题好较好最好通过比较，变频调速以节能效果明显，调速范围宽，维护保养简单，可靠性明显高于其它调速装置，是目前际、国内交流电机调速的发展趋势，虽然前期投资比起其它的调速装置昂贵，但是从长远角度考虑，投资回报率非常高。因此，为保证矿井生产的安全，降低生产成本，提高自动化程度，对矿井通风机的变频改造就成为势在必行的工程了。4.2 节能增效措施控制方案采用集中化与智能化的控制系统对通风机进行精确控制，实现控制层的节能增效运行的控制矿井主要通过机房装备两台同等能力的通风机，定

16、时轮开，互为备用。主、备用通风机必须在10 min内投入运行或改变巷道中的风流方向，完成反风任务。由于煤矿主通风机在煤矿安全生产中起着至关重要的作用，因此合理选用安全、可靠、方便的风机控制方式是非常重要的。根据现场所使用风门的控制方式，共设计如下方案供选择：1) 手动操作控制每台风机由两台电机组成，分别由一台变频器驱动。根据煤矿安全规程要求，在机械、电气和软件上同时实现闭锁，先手动启动一号电机，使用PLC测量风洞负压以及瓦斯浓度，手动调节电机达到适当的转速。如果一台电机不能满足通风要求，再启动第二台电机调整，使风量和负压值达到规定的要求，并能达到两台风机同步调整。当测量值降到一定程度时，一台停

17、止工作，另一台可适当加速运行。当PLC测得风洞负压值不正常时，首先报警，提示跟班人员检查，如果故障没有排除。需人为调整风门，PLC测得风门到位信号后，提示手动切断一号风机的电源，肩动-q风机，实现手动控制的变频调速。2) 半自动控制(风门切换装置为手动)每台风机由两台电机组成，分别由一台变频器驱动。根据煤矿安全规程要求，在机械、电气和软件上同时实现闭锁，先手动启动一号电机，使用PLC测量风洞负压以及瓦斯浓度，根据事先设定好的参数值自动调节电机达到适当的转速，如果一台电机不能满足通风要求，再启动第二台电机调整，使风量和负压值达到规定的要求，并能达到两台风机同步调整。当测量值降到一定程度时，一台停

18、止工作，另一台可适当加速运行。当PLC测得风洞负压值不正常时，首先报警，提示跟班人员检查，如果故障没有排除，需人为调整风门，PLC测得风门到位信号后，自动切断一号风机的电源，启动二号风机，实现半自动控制的变频调速。3) 全自动控制要求风门切换装置为自动，当PLC测得风洞负压值、风速值不正常时，首先报警，提示跟班人员检查，如果故障在规定的时间内没有排除，再一次报警，PLC发出风门切换信号，自动切换到二号风洞，当测得风门到位后，切断一号风机电源，启动二号风机，来实现全自动的通风机变频控制。4.3 节能增效理论分析建立矿井通风带机基于节能增效运行的数学模型在满足矿井通风机工艺运行的基础上，建立通风机

19、关于风机风速、负压、风量、能耗与效率的数学模型，通过该模型实现对通风机节能增效运行的诊断、分析、评估与优化。4.4 节能效果的分析主扇采用变频调速后的节电效果分析：以6kV，2315 kW 对旋式风机为例，根据风机参数引导，在容易期风量为Q=95.3 m3/S ，在困难期Q=147.8 m3/S 。而电机设计选型应以最困难时期选型，这样在设备安装初期就会有所达的余量。如果采用变频调速，可有很大的节电空间。按风机特性可知：QN； n1/n2 = Q1/Q2 = 95.3/147.8 = 64.4%；根据风机采用变频调速后的特性可知，Pn3。那么，在容易期，电机实际（理论）消耗功率为：Pl=P0(

20、64.4)3 ；其中，P0为电机额定功率。P0=3152=730(kW)；Pl=3152(64.4)3=7300.267=194.9(kW )；其节电率为73。考虑到效率和电机固定损耗，在容易期，其节电率也应在60以上，按60计算。则每天可节电：7306024=10512(kWh)，按电价1.1元计，则每天可节省电费11563.2元。如果按每年320天工作计算则可节电约370万元。以上可以得出在容易期（矿井初期），节能效果非常明显。4.5 应用案例-山阳矿回风立井变频节能增效控制系统山阳矿隶属于陕煤集团澄合矿务局，位于陕西省渭南市合阳县境内，是一个投资20多亿元，年产300万吨煤炭的国家重点大

21、矿。山阳矿回风立井风机由两台10kV 500kW 电机及相关辅助机械设备组成。欣博通提供的控制系统由四部分组成：1）、配电系统：矿井通风的配电系统是通风机的重要动力配电设备，对于通风机的连续运行、稳定运行以及对于保障煤矿安全生产，保护矿工生命和企业财产安全具有重要意义。主要功能是对对风机主电机、风门电机、照明及控制系统的供电。山阳矿配电系统共由14面高压配电柜组成，每面配电柜包含高压综合保护系统。配电柜采用国内外技术先进质量优良的电气元件。配电系统单线图2）、变频调速系统：本系统采用高压交流变频调速技术，每个风机的两个电机的性能参数完全一样，由一台容量为大于两电机容量之和的高压变频器同时控制两

22、台电机，实现开环定速运行，或闭环动态条件运行，风量风压控制在满足矿井的需要，能提高风机效率，大大降低能耗，减少维修工作量，且调节简单。矿井主通风机变频系统由高压变频柜和电源切换柜组成。变频柜内TEMIC（东芝三菱合资公司）的变频器成套而成，系统一体化设计，包括输入干式隔离变压器，整套系统在出厂前进行整体测试及72h连续负载试验。电源切换柜由知名切换开关成套而成，机械电气连锁，防止误操作。控制功能完善，具有实时性强、安全可靠、操作方便、易于维护等特点。符合煤矿安全规程、高压开关设备和控制设备标准的共用技术要求、低压成套开关设备和控制设备、 继电保护和安全自动装置技术规程等国家、地区、行业相关现行

23、标准。变频调速系统样图3）、矿井通风PLC监控系统：本矿井主通风机PLC在线监控系统，综合利用现代传感技术、微电子技术、自动控制技术、计算机技术、网络通讯技术，基于企业计算机网络实现主风机运行参数、通风数据的实时监测与风机主辅设备控制的一体化，监测内容丰富，控制功能完善，具有实时性强、安全可靠、操作方便、易学易用的特点。符合煤矿安全规程、煤矿安全生产监控系统通用技术条件、计算机软件开发规范等国家、地区、行业相关现行标准。矿井通风监控系统能使用户在地面集控中心对矿井通风机进行远程开停和在线监测，系统实现自动报警、信息显示和报表处理等功能，真正做到通风机房无人值守，达到减人提效的目的。系统应用计算

24、机技术对通风机工作状态进行在线监测。监测参数包括风机的入口静压、风量、电机功率、A相电流、A相电压；风机轴承温度、电机绕组温度、（PT100温度传感器用户预埋）；风机振动、风机开停信号及正反风信号等。并结合软件分析计算，全面掌握风机的实时工况，对于日常维护、故障诊断以及煤矿安全生产有十分重要的意义，能够在生产过程中随时掌握通风设备的运行状态，改变了传统的设备管理方式，提高了通风设备的自动化管理水平，有力地保证了通风机设备的经济、可靠运行，为煤矿通风安全管理提供了可靠的科学依据。矿井通风PLC监控系统图4）、通风机振动监测系统：通风机作为矿井的关键设备，振动监测与故障诊断设备，通过在线监测设备运

25、行时产生的振动信号，采用综合技术手段（计算机技术、数据采集技术、信号处理技术、传感器技术等），监测设备运行状态，对设备运行状况进行分析，判断设备是否异常及异常的原因、部位、性质，以便采取措施进行维护而保证设备安全正常地运行。回风立井通风机监控画面在线振动分析监测系统的组成：在线振动分析监测系统由在线振动监测仪（模块）、振动分析软件以及振动传感器三部分组成。通风机在线振动监测分析系统可以对通风机运行状态进行在线监测。对设备当前的运行状态做出评估（属于正常、还是异常），对异常状 态及时做出报警（预警、报警、危险），并为进一步的故障分析、设 备性能评估等提供信息和数据。在线振动分析监测系统可以及时发

26、现机组故障的早期振动征兆，如：电机轴承故障、电继电磁类故障、转子平衡问题、轴弯曲或裂纹故障、 扇页边形及松动故障等，以便现场维护人员采取相应的措施。同时为防止变频器发生重大故障，不能运行，设计了工频旁路电路，在重大故障时系统可将电动机手动投入工频运行，以确保生产的连续性，避免了不可预料的事故发生。4.6 节能效果优化通过对矿井通风机运行过程中的实时能效水平的评估，当设备或系统运行效率低下时，矿井通风机节能增效模型能自动进行优化计算，获得整机系统最佳的节能增效运行参数。矿井通风机节能增效模型的优化是基于通风机运行的实时能源数据、基于实时的能耗及效率计算获得的当前系统能效运行点，通过集成的通风机风

27、量连续控制参数及通风机负载预测技术，确定出期望的通风机运行的能耗及效率水平，即期望的系统能效运行点，并进而确定出相应的优化控制参数。与矿井通风机节能增效模型的优化相关的重要的参数：当前的风量数据：输入参数；通过通风机的实时运行数据获得；当前的负压数据：输入参数；通过现场检测采集信号获得；当前的能耗及效率水平（当前系统能效运行点）：通风机节能增效模型的中间值，即它既是基于当前运行数据按相关模型的计算值，同时又是进行优化的输入参量期望的能耗及效率水平（期望的系统能效运行点）：输出参数；通风机节能增效模型优化后计算出的系统能耗及效率水平节能增效优化控制参数：输出参数；通风机节能增效模型基于优化后的期望的系统能效运行点确定的控制参数节能增效优化的运量控制参考数据：输出参数；通风机节能增效模型基于其集成的通风机风量连续控制技术，参考风压检测输入信号，确定的最佳风量数据，可反馈给上游工艺设备，作为调节风量的参考数据。5 矿井通风工业电气节能增效解决方案的工程实施北京欣博通能科传动技术股份有限公司是国内资深的专注于工业电气节能的工业自动化与传动领域的高端工业技术服务公司，拥有涵盖技术研发、方案创新、工程实施和技术服务的完整的业务体系，始终以客户需求为导向，以提