1、礦井通風機節能增效工業電氣解決方案北京欣博通能科傳動技術股份有限公司目 錄1.概述22.礦井通風系統的現狀33.礦井通風系統工業電氣節能增效解決方案概述44.礦井通風工業電氣節能增效技術的描述75礦井通風工業電氣節能增效解決方案的工程實施146礦井通風工業電氣節能增效解決方案的總結161. 概述長期以來，煤礦行業由于受復雜的生產條件和環境影響，在礦用設備選型上都采用功率比較大的型號，電機全速運行，大馬拉小車現象非常普遍，耗能十分嚴重。如何以技術進步和技術創新為先導，降低企業的生產成本，提高勞動生產率是煤炭生產企業需要解決的迫切課題。煤礦主通風機是煤礦的四大主要設備之一，作為礦井主通風，它每天2

2、4小時不停地運轉，是整個礦井的“呼吸”系統。然而隨著開采及掘進的不斷延伸，巷道延長，所需的風量也將不斷增加，風機所用功率也將加大。四季的交替，冷熱的變化，所需的風量也需不斷調節。但煤礦原根據反風及開采后期運行工況所設計的通風機及拖動的電動機的功率，通常遠大于煤礦正常生產所需的運行功率。利用變頻技術對現有用電設備進行節能改造， 對解決我國煤炭工業高消耗、低效益的現狀具有非常重要的意義。2. 礦井通風系統的現狀礦井一般按開采各階段中通風最困難時期選擇風機型號。一般礦山選型時，按實際通風參數配備電機功率，計算方法如下：N：所需電機功率，系指、級電機的總功率（kW）；Pst：礦井最困難時期總阻力（Pa

3、）；Q：礦井最困難時期總風量（m3/s）；st：按Pst、Q參數查樣本的實際運行工況效率；K：功率貯備系數，一般取K1.11.15。傳統的調節系統，是根據風量所需的多少，靠調節風門、葉片角度來實現的。從通風機選型的過程和煤炭生產的實際情況，通風機恒速運行存在以下幾個問題：1）、電能的嚴重浪費大型煤礦的服務年限大多在幾十年以上，投產初期到井田穩定開采一般在十年以上，但是一般主扇風機設計上余量特別大，在相當長的時間主扇風機一直處在較輕負載下運行。由于煤礦主扇風機一般采用檔板調節，因此造成能源浪費，增加了生產成本。2）、啟動困難，機械損傷嚴重 主扇風機采用直接啟動，啟動時間長，啟動電流大，對電動機的

4、絕緣有著較大的威脅，嚴重時甚至燒毀電動機。而高壓電動機在啟動過程中所產生的單軸轉矩現象使風機產生較大的機械振動應力，嚴重影響到電動機、風機及其它機械的使用壽命。 3）、自動化程度低 主扇風機依靠人工調節檔板，更不具備風量的自動實時調節功能，自動化程度低。在故障狀態下，如風流短路，將對礦井正常生產造成嚴重影響。由于在生產中，所需風量風壓在不同階段有不同的要求，為滿足生產工藝要求，煤礦風機通常采用以下幾種方法調節：（1）、閘門調節；（2）、改變通風機轉速；（3）、改變前導器葉片角度；（4）、軸流式通風機改變動葉安裝角；（5）、離心式通風機調節尾翼擺角；（6）、軸流式通風機改變動葉數目；（7）、軸流

5、式通風機改變靜葉角度。其中以閥門調節效率最差，它是人為地改變阻力曲線，增加風阻，越調節性能就越惡化；前導器調節和尾翼擺角調節效率比閥門調節高；改變動葉安裝角和動葉數目，可以改變風機的特性曲線，使風機在較大范圍內以較高的效率運行，以達到節能降耗的目的；改變通風機轉速，使其在最佳工況點運行，使風機在最大范圍內以最高的效率運行，節能效果最好。3. 礦井通風系統工業電氣節能增效解決方案概述3.1 礦井通風系統節能增效解決方案的設計依據與目的針對礦井通風機電控系統的問題現狀滿足礦井通風機的生產工藝要求以及礦山設備的使用、操作、運行等規范、規程的要求提供完整的自動化控制與驅動的技術及系統，確保礦井通風機高

6、性能運行的要求提供礦井通風機完整的節能增效運行的檢測、診斷與控制技術。3.2 礦井通風系統節能增效工業電氣解決方案的系統結構礦井通風機節能增效工業電氣解決方案的系統構成如下圖所示：因此，礦井通風節能增效系統解決方案，采用先進的自動化控制系統的層級模型（現場設備層、自動化控制層、操作與監視SCADA層、節能增效優化管理層等），以及不同層級間的工業通訊與網絡技術（設備層數據接口技術、現場總線技術，控制層數據通訊技術、三網合一的數據傳輸技術），并實現了下述系統的集成：1) 、通風機綜合檢測與保護系統2) 、高壓配電及綜保系統3) 、高壓變頻傳動系統4) 、綜合自動化控制系統5) 、操作與監視的SCA

7、DA系統6) 、工業數據通訊系統（工業以太網、現場總線、ModBUS RTU等）7) 、能源數據采集、分析與節能增效運行的優化與控制系統3.3 礦井通風系統節能增效工業電氣解決方案的主要功能礦井通風機電氣傳動采用交流變頻調速系統，實現通風機的風量可控的技術要求，使系統具有：1）、提高了電機的功率因數；2）、實現電機軟啟動，減小啟動沖擊，降低維護費用，延長設備使用壽命；可系統安全、3）、可靠，具有變頻故障轉工頻功能，確保風機連續運行；4）、控制方便、靈活，自動化水平高；5）、輸入諧波含量小，不對電網造成污染；輸出諧波含量低，適合所有改造項目的普通異步電動機；6）、界面全為純中文操作，操作簡單，使

8、用方便；7）、全保護功能齊全，除了過壓、過熱、過載、短路等自身保護功能外，還設有外圍連8）、鎖保護系統，提高了系統的安全穩定性；9）、采集各風機運行的工藝參數、電器參數、電氣設備運行的狀況。基于對通風機運行的動態分析技術，監測風機的運行狀態。監測的數據包括: 靜壓、 動壓、 全壓、 風量、 電機功率、 電機總功率、 效率、 電機定子繞組溫度、 電機軸承溫度、風機消耗的電量及風機效率等，顯示畫面實時顯示監測到的數據;同時可實時顯示壓力曲線（靜壓、動壓、全壓）、風量曲線、工況運行曲線圖; 功率曲線(單級或雙級功率及總功率 )、 靜壓效率及全壓效率曲線; 可形成各種數據及狀態的運行記錄、歷史記錄曲線

9、、歷史查詢報表。對所監測的運行狀態參數值進行分析判斷, 給出風機運行狀態“正常”、“警告”、“異常”等提示，確保通風機的安全可靠運行。 集成通風機的運行狀態檢測與保護，實現礦井通風機的滿足礦山設備規范的、安全的、保護與控制：主風機可由PLC進行控制，嚴格按控制程序進行控制，并對風機正常切換和故障切換進行控制和操作指導，且在控制柜實現硬件閉鎖控制。在控制站顯示通風系統工藝參數表、電氣參數、設備運行狀態（工作、停止、故障）以及報警參數表等。溫度保護：對電機繞組、軸承、滾筒等進行溫度的檢測、報警與保護；風壓風量控制：通過對現場風壓、風量的采集實現風機負壓、風量的閉環控制； 提供礦井通風機控制系統的完

10、整的智能化解決方案：全面采用智能化、全數字、先進的自動化控制與傳動設備，實現系統單元設備的故障自診斷與記錄功能，提高了設備故障的排查與維護。通過全集成的通信與自動化網絡，把分散的、單元設備的智能化診斷信息進行采集，并集中進行整體評估，從而實現系統級的、故障的快速診斷與解決。綜合使用工業通訊與網絡技術：通過在系統的各個層級采用先進的網絡通訊技術，實現包括通風機綜合運行檢測信息、通風機電氣傳動的高壓配電綜保信息、通風機交流變頻調速系統運行信息、通風機過程控制與狀態信息等等的傳輸與集成。同時，控制系統可與工廠的電話調度系統、工業電視系統相集成，構成一個完整的操作、調度、監視網絡，從而最大程度的實現皮

11、帶機生產運行基于全廠級地遙測、遙控與遙信，滿足企業對皮帶機設備的管控一體化要求。 上位計算機操作監視SCADA系統、方便地實現皮帶機的集中操控與顯示 ：靈活的SCADA系統的C/S、B/S等結構，方便實現全廠級地集中監控與調度要求 實現對礦井通風機（組）的運行工藝數據進行集中管理、優化及傳送 實現對礦井通風機組的集中操控、提高了設備運行的各種工況下的應急反應 全面顯示礦井通風機運行全過程、設備運行狀態、電氣傳動狀態（如通風機運行速度、電機負載電流的顯示等）以及自動化過程控制狀態，實現礦井通風機的透明化運行 實現礦井通風機工藝運行過程的各類參數的歸檔功能，便于通風機的運行工藝的優化、設備績效的評

12、估以及歷史過程的查詢等功能。滿足生產所需的各種運輸統計、管理及各種報表的輸出等3.4 礦井通風方案的節能特點通過選擇高效率的電氣傳動設備，實現通風機傳動系統在設備層及電氣傳動的系統級上的節能增效運行。通過對通風機整機運行過程的能耗與效率相關數據的分析、計算與評估，并基于相應的節能控制模型，確保礦井通風機實現優化的、節能增效的工藝運行。具有礦井通風機運行過程的能源數據的采集、歸檔與處理功能，用于通風機運行的能耗分析，有助于發現問題或優化工藝運行，實現生產的節能增效。同時，通過與企業的ERP、MES系統的集成，進一步實現諸如通風機運行的能耗績效的分析與評估等功能。4. 礦井通風工業電氣節能增效技術

13、的描述4.1 節能增效工藝分析針對交流電機結構簡單、慣量小、維護方便、可在惡劣環境中運行的特點，容易實現裝機的大容量化、高壓化、高速化以及價格低廉等。從節能的角度，交流電機的調速裝置可以分為高效調速裝置和低效調速裝置兩大類。高效調速裝置的特點是：調速時基本保持額定轉差，不增加轉差損耗，或可以將轉差動率回饋至電網；低效調速裝置的特點是：調速時改變轉差，增加轉差損耗。下面通過機械特性、調速范圍、節能效果、故障處理、投資成本、維護保養、可靠性、性能等方面做個詳細比較。各種交流電機調速方式比較如下表：調速方案轉子串電阻定子調速電磁調速液力耦合器變極調速串級調速變頻調速調速方式改變轉子附加電阻改變輸入電

14、壓nf(ld) 改變勵磁電流nf(Oil) 改變供油量 n=60f(1-s)/p變極對數pn=lkcos(k=1-s) 改變逆變角n=60f(1-s)/p改變電網頻率和電壓機械特性調速范圍%100501008097209730100,50,0100401000節能效果一般，=1-S一般，=1-S一般，=1-S一般，=1-S優，優一般優，優功率因數優良好良好良好良好差優快捷性差快快差快快快故障處理停車處理可投工頻停車處理停車處理停車處理停車處理不停車，投工頻使用范圍新老企業新老企業新建企業新建企業新建企業新建企業新老企業外圍要求繞線電阻無電磁離合器水冷油系統無繞線型電機無初投資較省省省一般最省較

15、貴較貴維護保養容易容易較易不易最易較難容易可靠性可靠可靠一般一般可靠較差最可靠對電網干擾無大無無無較大稍有或無性能好不好一般有共振問題好較好最好通過比較，變頻調速以節能效果明顯，調速范圍寬，維護保養簡單，可靠性明顯高于其它調速裝置，是目前際、國內交流電機調速的發展趨勢，雖然前期投資比起其它的調速裝置昂貴，但是從長遠角度考慮，投資回報率非常高。因此，為保證礦井生產的安全，降低生產成本，提高自動化程度，對礦井通風機的變頻改造就成為勢在必行的工程了。4.2 節能增效措施控制方案采用集中化與智能化的控制系統對通風機進行精確控制，實現控制層的節能增效運行的控制礦井主要通過機房裝備兩臺同等能力的通風機，定

16、時輪開，互為備用。主、備用通風機必須在10 min內投入運行或改變巷道中的風流方向，完成反風任務。由于煤礦主通風機在煤礦安全生產中起著至關重要的作用，因此合理選用安全、可靠、方便的風機控制方式是非常重要的。根據現場所使用風門的控制方式，共設計如下方案供選擇：1) 手動操作控制每臺風機由兩臺電機組成，分別由一臺變頻器驅動。根據煤礦安全規程要求，在機械、電氣和軟件上同時實現閉鎖，先手動啟動一號電機，使用PLC測量風洞負壓以及瓦斯濃度，手動調節電機達到適當的轉速。如果一臺電機不能滿足通風要求，再啟動第二臺電機調整，使風量和負壓值達到規定的要求，并能達到兩臺風機同步調整。當測量值降到一定程度時，一臺停

17、止工作，另一臺可適當加速運行。當PLC測得風洞負壓值不正常時，首先報警，提示跟班人員檢查，如果故障沒有排除。需人為調整風門，PLC測得風門到位信號后，提示手動切斷一號風機的電源，肩動-q風機，實現手動控制的變頻調速。2) 半自動控制(風門切換裝置為手動)每臺風機由兩臺電機組成，分別由一臺變頻器驅動。根據煤礦安全規程要求，在機械、電氣和軟件上同時實現閉鎖，先手動啟動一號電機，使用PLC測量風洞負壓以及瓦斯濃度，根據事先設定好的參數值自動調節電機達到適當的轉速，如果一臺電機不能滿足通風要求，再啟動第二臺電機調整，使風量和負壓值達到規定的要求，并能達到兩臺風機同步調整。當測量值降到一定程度時，一臺停

18、止工作，另一臺可適當加速運行。當PLC測得風洞負壓值不正常時，首先報警，提示跟班人員檢查，如果故障沒有排除，需人為調整風門，PLC測得風門到位信號后，自動切斷一號風機的電源，啟動二號風機，實現半自動控制的變頻調速。3) 全自動控制要求風門切換裝置為自動，當PLC測得風洞負壓值、風速值不正常時，首先報警，提示跟班人員檢查，如果故障在規定的時間內沒有排除，再一次報警，PLC發出風門切換信號，自動切換到二號風洞，當測得風門到位后，切斷一號風機電源，啟動二號風機，來實現全自動的通風機變頻控制。4.3 節能增效理論分析建立礦井通風帶機基于節能增效運行的數學模型在滿足礦井通風機工藝運行的基礎上，建立通風機

19、關于風機風速、負壓、風量、能耗與效率的數學模型，通過該模型實現對通風機節能增效運行的診斷、分析、評估與優化。4.4 節能效果的分析主扇采用變頻調速后的節電效果分析：以6kV，2315 kW 對旋式風機為例，根據風機參數引導，在容易期風量為Q=95.3 m3/S ，在困難期Q=147.8 m3/S 。而電機設計選型應以最困難時期選型，這樣在設備安裝初期就會有所達的余量。如果采用變頻調速，可有很大的節電空間。按風機特性可知：QN； n1/n2 = Q1/Q2 = 95.3/147.8 = 64.4%；根據風機采用變頻調速后的特性可知，Pn3。那么，在容易期，電機實際（理論）消耗功率為：Pl=P0(

20、64.4)3 ；其中，P0為電機額定功率。P0=3152=730(kW)；Pl=3152(64.4)3=7300.267=194.9(kW )；其節電率為73。考慮到效率和電機固定損耗，在容易期，其節電率也應在60以上，按60計算。則每天可節電：7306024=10512(kWh)，按電價1.1元計，則每天可節省電費11563.2元。如果按每年320天工作計算則可節電約370萬元。以上可以得出在容易期（礦井初期），節能效果非常明顯。4.5 應用案例-山陽礦回風立井變頻節能增效控制系統山陽礦隸屬于陜煤集團澄合礦務局，位于陜西省渭南市合陽縣境內，是一個投資20多億元，年產300萬噸煤炭的國家重點大

21、礦。山陽礦回風立井風機由兩臺10kV 500kW 電機及相關輔助機械設備組成。欣博通提供的控制系統由四部分組成：1）、配電系統：礦井通風的配電系統是通風機的重要動力配電設備，對于通風機的連續運行、穩定運行以及對于保障煤礦安全生產，保護礦工生命和企業財產安全具有重要意義。主要功能是對對風機主電機、風門電機、照明及控制系統的供電。山陽礦配電系統共由14面高壓配電柜組成，每面配電柜包含高壓綜合保護系統。配電柜采用國內外技術先進質量優良的電氣元件。配電系統單線圖2）、變頻調速系統：本系統采用高壓交流變頻調速技術，每個風機的兩個電機的性能參數完全一樣，由一臺容量為大于兩電機容量之和的高壓變頻器同時控制兩

22、臺電機，實現開環定速運行，或閉環動態條件運行，風量風壓控制在滿足礦井的需要，能提高風機效率，大大降低能耗，減少維修工作量，且調節簡單。礦井主通風機變頻系統由高壓變頻柜和電源切換柜組成。變頻柜內TEMIC（東芝三菱合資公司）的變頻器成套而成，系統一體化設計，包括輸入干式隔離變壓器，整套系統在出廠前進行整體測試及72h連續負載試驗。電源切換柜由知名切換開關成套而成，機械電氣連鎖，防止誤操作。控制功能完善，具有實時性強、安全可靠、操作方便、易于維護等特點。符合煤礦安全規程、高壓開關設備和控制設備標準的共用技術要求、低壓成套開關設備和控制設備、 繼電保護和安全自動裝置技術規程等國家、地區、行業相關現行

23、標準。變頻調速系統樣圖3）、礦井通風PLC監控系統：本礦井主通風機PLC在線監控系統，綜合利用現代傳感技術、微電子技術、自動控制技術、計算機技術、網絡通訊技術，基于企業計算機網絡實現主風機運行參數、通風數據的實時監測與風機主輔設備控制的一體化，監測內容豐富，控制功能完善，具有實時性強、安全可靠、操作方便、易學易用的特點。符合煤礦安全規程、煤礦安全生產監控系統通用技術條件、計算機軟件開發規范等國家、地區、行業相關現行標準。礦井通風監控系統能使用戶在地面集控中心對礦井通風機進行遠程開停和在線監測，系統實現自動報警、信息顯示和報表處理等功能，真正做到通風機房無人值守，達到減人提效的目的。系統應用計算

24、機技術對通風機工作狀態進行在線監測。監測參數包括風機的入口靜壓、風量、電機功率、A相電流、A相電壓；風機軸承溫度、電機繞組溫度、（PT100溫度傳感器用戶預埋）；風機振動、風機開停信號及正反風信號等。并結合軟件分析計算，全面掌握風機的實時工況，對于日常維護、故障診斷以及煤礦安全生產有十分重要的意義，能夠在生產過程中隨時掌握通風設備的運行狀態，改變了傳統的設備管理方式，提高了通風設備的自動化管理水平，有力地保證了通風機設備的經濟、可靠運行，為煤礦通風安全管理提供了可靠的科學依據。礦井通風PLC監控系統圖4）、通風機振動監測系統：通風機作為礦井的關鍵設備，振動監測與故障診斷設備，通過在線監測設備運

25、行時產生的振動信號，采用綜合技術手段（計算機技術、數據采集技術、信號處理技術、傳感器技術等），監測設備運行狀態，對設備運行狀況進行分析，判斷設備是否異常及異常的原因、部位、性質，以便采取措施進行維護而保證設備安全正常地運行。回風立井通風機監控畫面在線振動分析監測系統的組成：在線振動分析監測系統由在線振動監測儀（模塊）、振動分析軟件以及振動傳感器三部分組成。通風機在線振動監測分析系統可以對通風機運行狀態進行在線監測。對設備當前的運行狀態做出評估（屬于正常、還是異常），對異常狀 態及時做出報警（預警、報警、危險），并為進一步的故障分析、設 備性能評估等提供信息和數據。在線振動分析監測系統可以及時發

26、現機組故障的早期振動征兆，如：電機軸承故障、電繼電磁類故障、轉子平衡問題、軸彎曲或裂紋故障、 扇頁邊形及松動故障等，以便現場維護人員采取相應的措施。同時為防止變頻器發生重大故障，不能運行，設計了工頻旁路電路，在重大故障時系統可將電動機手動投入工頻運行，以確保生產的連續性，避免了不可預料的事故發生。4.6 節能效果優化通過對礦井通風機運行過程中的實時能效水平的評估，當設備或系統運行效率低下時，礦井通風機節能增效模型能自動進行優化計算，獲得整機系統最佳的節能增效運行參數。礦井通風機節能增效模型的優化是基于通風機運行的實時能源數據、基于實時的能耗及效率計算獲得的當前系統能效運行點，通過集成的通風機風

27、量連續控制參數及通風機負載預測技術，確定出期望的通風機運行的能耗及效率水平，即期望的系統能效運行點，并進而確定出相應的優化控制參數。與礦井通風機節能增效模型的優化相關的重要的參數：當前的風量數據：輸入參數；通過通風機的實時運行數據獲得；當前的負壓數據：輸入參數；通過現場檢測采集信號獲得；當前的能耗及效率水平（當前系統能效運行點）：通風機節能增效模型的中間值，即它既是基于當前運行數據按相關模型的計算值，同時又是進行優化的輸入參量期望的能耗及效率水平（期望的系統能效運行點）：輸出參數；通風機節能增效模型優化后計算出的系統能耗及效率水平節能增效優化控制參數：輸出參數；通風機節能增效模型基于優化后的期望的系統能效運行點確定的控制參數節能增效優化的運量控制參考數據：輸出參數；通風機節能增效模型基于其集成的通風機風量連續控制技術，參考風壓檢測輸入信號，確定的最佳風量數據，可反饋給上游工藝設備，作為調節風量的參考數據。5 礦井通風工業電氣節能增效解決方案的工程實施北京欣博通能科傳動技術股份有限公司是國內資深的專注于工業電氣節能的工業自動化與傳動領域的高端工業技術服務公司，擁有涵蓋技術研發、方案創新、工程實施和技術服務的完整的業務體系，始終以客戶需求為導向，以提