高压变频器在煤矿行业的应用

The high- voltage inverter is in the application of the coal mine profession
摘  要：本文介绍了东方日立（成都）电控设备有限公司高压大功率变频器在煤矿行业要害设备上的成功应用，通过改造，达到节能的效果。
关键词：高压变频器    煤矿   瓦斯泵
Abstract: This text introduced Dong Fang Hitachi (CD) Electric Control Equipments Co.,Ltd the high- voltage inverter in the success of the coal mine profession vital part equipments application, pass the reformation, attain the result of economy energy.
Key words: high-voltage inverter    coal mine   gas pump
一、前 言
老虎台矿座落在素有“煤都”之称的抚顺东部 ,是抚顺矿业集团有限责任公司下属的重点煤矿。井田面积10平方公里，开采于1901年，至今已有百年开采历史。截止2004年末，可采储量5562 .8 万吨，矿井设计能力由建国初期的 30万吨 建成年产 320万吨的大型矿井，采煤机械化程度为100%。建国以来累计生产煤炭1.619亿吨，上缴利润29.154 亿元，成为抚顺矿业集团的支柱企业。老虎台矿现有在籍员工7869 人，主导产品为二级精煤，副产品为八级精煤和五级中块，其性能具有低硫、低灰的气煤， 发热量为 22.99 — 25千焦耳之间， 是优质的工业动力煤和生活用煤，煤炭主要销往鞍钢、本钢等地，煤气作为副产品 原只供于本地区和市内，现向沈阳部分地区供气，年供气量将达到 8000多万m3 以上。

图1  老虎台矿
二、煤矿高压变频器改造的可行性分析
    主扇风机在煤矿生产中有着重要的地位，随着开采和掘进的不断延伸，巷道延长，尽管风量基本不变，但井下所需的风压要求却不断增加，风机需用功率也随之增加。根据反风及开采后期运行状况来确定的主扇风机及拖动电动机的功率通常远大于煤矿长期开采所需的正常运行功率。存在以下几个问题:
2.1、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，这就以为在主扇风机设计上余量特别大，说明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。
2.2、 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。
2.3、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。
    为了矿井的安全生产和降低生产成本，提升该煤矿的自动化水平，对主扇风机进行变频调速改造具有非常重要的意义。
三、设备选型及特点
交流电动机结构简单、惯量小、维护方便，可在恶劣环境中运行，容易实现大容量化，高压化、高速化、价格低廉。
3.1、调速方案比较
      从节能的角度，交流电动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图                  

调速方案转子串电阻定子调速电磁调速液力偶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
电压
n∝f(ld)
改变励磁电流
n∝f(0il)
改变供油量n = 60fp (1—s)
变极对数Pn =1-kconβ
（K=1—S）
改变逆变角n = 60fp (1—s)
改变电网频率
和电压
  

机械特性   n


n0
M
0  n
      
      
n0
M
0 n
      Id
      增大
n0
M
0 n
          0il
          增大
n0
M
0

n1
n2
M
0  n
        β减小


M
0  n
       增大


M
0
调速范围%100～50100～8097～2097～30100，50，0100～40100～0
节能效果一般,η=1-S一般,η=1-S一般,η=1-S一般,η=1-S优,η优一般优,η优
功率因数优良好良好良好良好差优
快速性差快快差快快快
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贵较贵
维护保养易易较易不易最易较难易
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，高压变频调速以节能效果明显，调速范围宽，维护保养简单，可靠性明显高于其他调速装置，是目前国际、国内高压电机调速的发展趋势，虽然前期投资比起其他的调速装置昂贵，但是从长远角度考虑，投资回报率非常高。抚顺煤矿老虎台矿通过充分的论证、分析，最终决定对该厂的抽出井下空气的主扇风机调速和中央瓦斯泵调速均采用高压变频调速，通过国内外几家高压变频器厂商的比较，最终选用的是东方日立（成都）电控设备有限生产的DHVECTOL-DI系列变频器。
3.2、东、西主扇风机高压变频方案的选择
   老虎台矿东、西主扇风机分别配置三台高压电机，两套风机。其中的1600kW电机和630kW电机带一台风机，中间通过连轴器连接，如果其中一台电机故障，解开对轮，接上另外一台电机，从而保证井下通风，如图2。

图2  东、西主扇风机系统图
考虑到井下通风的连续性，在变频改造之前一般的运行方式是其中一台风机运行，另外一台联动，轮换的时候都是另外一台运行起来，再停其中一台。为了提高变频器的利用率，所以在高压变频器设计方案里保证了1年365天都能运转。其中一次回路如图3。
               图3、  东、西主风扇变频改造一次回路图
(1)、正常情况下变频器带动1050kW电机运行，变频器运行中故障直接联动变频风机，如果联动不成功，变频器发出联动失败信号，在启动630kW电机工频运行。
(2)、KM1和KM2同工频运行的小车开关互锁；
3.3、中央瓦斯抽放泵高压变频方案的选择
瓦斯抽放泵是用于煤矿在地面集中抽放井下瓦斯的一种专用安全装备，其特点是能有效地抽出部分或大部分煤层解吸瓦斯，减轻矿井通风负担，同时将抽出的瓦斯输送到居民区，中央瓦斯泵站共配置4台瓦斯泵，两用两备，定期切换，系统配置如图4。

图4、中央瓦斯泵系统示意图
     瓦斯泵的可靠性要求非常高，运行中一台故障联动另外一台，在改造方案中充分的考虑到安全性，做出如图5所示的方案

                    图5、瓦斯泵变频器一次回路图
   （1）、正常情况下，变频器带一台瓦斯泵运行，如果在运行中变频器出现故障直接联动变频泵工频运行，联动失败，发出联动失败信号直接启动另外一台工频泵运行；
   （2）、QF2与QF3和QF4互锁；
3.4、远程通讯方案的选择
    为了保证煤矿的安全生产，煤矿调度室需要时时监控井下人员安全情况以及煤矿所有设备的安全运行情况，同时按照各个专业的划分，机电厂和保安区也分别要时时监控主扇风机和瓦斯泵的运行状况，做出如图6系统通讯方案。
                     图6、变频器通信方案
注：东、西风扇变频器的信号传送到机电厂监视，瓦斯泵站变频器的信号送到保安区监视。机电厂和保安区再将信号送到矿调度。保证了所监视的数据能在矿调度、机电厂、保安区同时显示。
3.5、DHVECTOL-DI变频器特点
   (1)、输入谐波小，高功率因数；
   (2)、高效率，高可靠性；
   (3)、电机实现软启动，无冲击电流，保护了电机，降低维护电机费用；
   (4)、单元旁路功能，保证了运行的可靠性；
   (5)、瞬时停电再启动功能，不会因为电网的波动造成变频器停机；
   (6)、通用的通讯借口；
   (7)、完善的运行记录和系统自诊断能力。
四、项目实施情况
该项目2005年9月29日采购，2005年11月27日设备运抵现场，2005年12月7日开始安装东、西主扇风机变频器，2005年12月21日开始调试变频器主体部分，2005年12月29日开始调试远程通信，2006年1月9日完成所有调试，投入生产运行，1月12日顺利通过72小时生产考核运行，通过一个月的运行考核，初步估算节能达到40%以上。

图7、变频改造的高压电机
五、结束语
     我国是世界上的产煤大国，又是能源贫乏的国家之一，而且也是吨煤电耗比较高的国家。我们要创造出一条以低能耗实现现代化的新路,节能降耗是明智之举。通过实际应用也表明，高压变频器的应用于煤矿系统改造能取得良好的运行效果和经济效益。在国家倡导建设节约型社会的大好形势下，煤矿行业高压变频改造也是刻不容缓的。



参考文献：
[1]  毛正孝          泵与风机    中国电力出版社
[2]  王占奎          变频调速应用百例    科学出版社
[3]  周乃荣、万 生   矿山固定机械手册   煤炭工业出版社
[4]  产品技术手册    东方日立（成都）电控设备有限公司