利德华福高压变频器在煤矿瓦斯抽放系统的应用———利德华福高压

　　
  　　1 前言
　　重庆打通一矿现在年产量1500kt/a，按重庆能投（集团）公司规划，打通一矿将逐步实现2400kt/a的原煤生产量。随着产量逐步的增加和开采水平的延伸，矿井瓦斯涌出量和回采后的瓦斯涌出量越来越大，严重制约着矿井的安全生产和发展，而采用瓦斯抽放泵抽取采空区涌出的瓦斯，能有效的控制采煤工作面和回风系统的瓦斯量，使其不超过《煤矿安全规程》规定，保证矿井的生产。

  　　对采空区瓦斯进行抽放时，如果抽放量过大，将使工作面新鲜风进入采空区，造成采空区自然发火事故。如果抽放量偏小，又不能有效的控制工作面风流中的瓦斯浓度不超过《煤矿安全规程》规定。为此，经过考察对比，选择北京利德华福电气技术有限公司生产的HARSVERT-A系列高压变频器对瓦斯抽放泵进行调速控制，使瓦斯抽放达到最佳参数。既保证了采空区抽放的需要，又达到节能的效果。

  　　2 抽放系统的工艺及主要参数
　　从采空区底板瓦斯巷道安装直径1000mm的瓦斯抽放管道至地面采空区抽放泵房，抽放泵采用SKA-720型水环式真空泵。抽放系统工艺见图2.1。

   图2.1  抽放系统工艺示意图
　　相关技术参数如下：
　　2.1 水环式真空泵：
　　型号：SKA-720                       最大抽速： 635m3/min
　　额定转速：340r/min                  极限真空度：160MPa
　　　2.2 配用电动机：
　　型号：YB63052-4                       额定功率：900kW
　　额定电压：6kV                         额定电流：104.2A
　　额定转速：1483r/min                   功率因数：0.87
　　3 高压变频器调速系统方案
　　3.1高压变频器的系统结构特点
　　HARSVERT-A系列高压变频器由移相变压器、功率单元模块和控制器组成。内部十五个相同的功率单元模每五个模块为一组构成一相，分别对应高压回路的三相。其系统结构图见图3.1

  
  图3.1 高压变频器系统结构图
  
　　移相变压器的副边绕组分为三组，构成30脉冲整流方式，这种多级移相叠加的整流方式可以大大改善网侧的电流波形，使其负载下的网侧功率因数接近1。

  　　功率单元是一种单相桥式变换器，为一种交-直-交单相逆变电路。由输入干式变压器的副边供电，经三相全桥整流、滤波电路滤波后由4个IGTB以PWM进行控制，产生设定的频率波形。每个功率单元结构完全一致，可以互换。其电路结构见图3.2。当某一单元出现故障时，通过继电器K闭合，可将此单元旁路出系统而不影响其他单元的运行，变频器可以持续降额运行，通过这种旁路功能可以减少很多场合下停机造成的损失。
   图3.2 功率单元电路结构图
　　3.2 高压变频器技术参数
　　根据瓦斯抽放泵电动机参数和现场需要，配置1台高压变频器，其详细参数如下：
　　变频器型号：HARSVERT-A06/110
　　适配电动机功率：900kW
　　额定输出电流：110A
　　输入功率因数：0.95（＞20%负载）
　　变频器效率：额定负载下＞0.96
　　输出频率范围：0.5Hz～120Hz
　　输出频率分辨率：0.01Hz
　　过载能力：120%1min，150%立即保护
　　模拟量输入：0～10V/4～20mA任意设定
　　模拟量输出：两路0～10V/4～20mA可选
　　加、减速时间：0.1～3000s
　　控制开关量输入/输出：4路输出/4路输入
　　冷却方式：风冷
　　3.3 主回路方案     
   图3.3 电气主回路原理图
　　瓦斯抽放泵与矿井主通风机一样是煤矿的主要设备，根据《煤矿安全规程》规定，采用双回路电源供电，瓦斯抽放泵房内安装2台瓦斯抽放泵，1台运行1台完好备用。因此选用高压变频器一拖二方案。其电气主回路原理如图3.3。
　　采用以上主回路方案，可以实现以下几种运行方式：
　　⑴ Ⅰ段母线电源供电，用变频器运行1#瓦斯抽放泵：由QS1、QF1、QS3、QS7组成。
　　⑵ Ⅰ段母线电源供电，用变频器运行2#瓦斯抽放泵：由QS1、QF1、QS3、QS8组成。
　　⑶ Ⅱ段母线电源供电，用变频器运行2#瓦斯抽放泵：由QS2、QF2、QS4、QS8组成。
　　⑷ Ⅱ段母线电源供电，用变频器运行1#瓦斯抽放泵：由QS2、QF2、QS4、QS7组成。
　　⑸ Ⅰ段母线电源供电，用工频运行1#瓦斯抽放泵：由QS1、QF1、QS5组成。
　　⑹ Ⅱ段母线电源供电，用工频运行2#瓦斯抽放泵：由QS2、QF2、QS6组成。
　　3.4 高压变频器的安装调试
　　⑴ 瓦斯抽放泵房抽取的是可燃易爆气体，泵房内所有电气设备均为矿用防爆设备，而高压变频器为非防爆产品，为此，将高压变频器与瓦斯抽放泵房隔离安装在独立的电控室内。变频器至电动机采用高压电缆敷设。
　　⑵ 安装完毕系统空重负荷试车后，瓦斯抽放系统投入运行，根据运行情况分别对瓦斯抽放泵运行在30Hz～50Hz进行了参数考察，其考察参数（平均值）统计如表3.1：
　　表3.1 瓦斯抽放系统运行参数统计表
   　　4瓦斯抽放系统使用变频器的效果分析
　　4.1满足了工况运行的需要
　　采空区抽放系统，主要是为以满足采煤工作面在回采过程中瓦斯不超过《煤矿安全规程》的规定，从而保证矿井的安全生产。根据考察，瓦斯抽放泵一般运行在35Hz～45Hz之间，运行频率与采煤工作面和接抽尾排孔的距离有关。当工作面推进与接抽尾排孔较进时，运行频率较低，反之运行频率较高。通过定期测定采煤工作面瓦斯抽放参数进行分析，确定瓦斯抽放泵的运行频率，以满足采空区抽放的需要，即保证了回采工作面瓦斯不超限，工作面的安全工作环境得到保障；又能保证工作面的新鲜风不进入采空区，避免采空区自然发火事故的发生。从而使回采工作面的原煤产量得到了很大的提高。
　　4.2变频器软启动的效果
　　瓦斯抽放泵电动机功率大，如果采用直接启动，启动时间长，启动电流大，对电动机的绝缘有着较大的威胁，启动压降对电网的影响较大，对设备的机械冲击大。采用变频器实现了瓦斯抽放泵的软启动和软停车，具有如下效果：
　　⑴ 消除了电动机因启动和停车对设备的冲击，延长了瓦斯抽放泵以及电动机的使用寿命；
　　⑵ 限制了启动时的启动电流对电网的冲击，减少了启动峰值功率损耗；
　　⑶ 瓦斯抽放泵的运转速度下降后，改善了设备运转部位的润滑条件，降低了传动装置的故障。
　　4.3 变频运行的节能效果
　　4.3.1 变频运行节能计算
　　根据运行参数统计，瓦斯抽放系统一般运行在35Hz～45Hz之间，运行在45Hz的时间相对较多一些。按设备年平均运行350天（每月需对设备停机检修1天），瓦斯抽放泵运行在45Hz时计算节能：
　　⑴ 50Hz频率运行的年耗电量计算：
　　⑵ 45Hz运行状态的年耗电量为：
　　⑶ 年节能计算：
　　电价按0.5元/kW.h计算，则每年可节约电费70.7万元。
　　4.3.2 改善电网功率因数
　　瓦斯抽放泵电动机额定功率因数为0.87，而变频器可使功率因数保持在0.95以上，提高了电网的供电质量、输电效率和减少电费支出。
　　5 结语
　　高压变频器在打通一矿采空区瓦斯抽放系统的应用，成功有效的控制采煤工作面和回风系统的瓦斯量，保证了矿井的安全生产，节能效果明显。