变频调速技术在矿用对旋轴流式通风机的

节能应用与分析

作者：黄贵庭

    摘  要：针对矿用对旋轴流式通风机的工作特性，应用异步电动机变频调速原理，通过分别改变两台电动机的运行频率，实现风机两级动叶干涉性调速的最佳流动匹配，进而对通风机运行工况进行随机合理调节，满足矿井风量、负压需求，减小通风机运行功率，达到通风机的最佳节能效果。

    关键词：对旋轴流式通风机  异步电动机  变频  节能 Abstract：According tO mine use for Xuan the work that axle flows  out  type  ventilator  property，  the  application asynchronous motor principle Of frequency control iS clear and excessly other tO change the running frequency Of two motors，realize fan two levels tO move leaf interference operation best flow tO match，and then for ventilator operating conditions carry out radom reasonable regulation，satisfy pit air volumeand the demand Of negative pressure，reduce the best effect Of energy saving that 1ittle ventilator runs power and reaches  ventilator．

    Keyword：

    For Xuan axle flow out the type ventilator asynchronous   motor energy saving Of frequency conversion

    一、引言

    主扇风机是矿山企业为矿井送风的一种主要设备。设备性能的优劣，直接影响着矿井的安全生产和经济合理运行状况。由于轴流式通风机具有高效、高压、低噪音，且土建安装工程费用较低等优点，已逐渐被大中型矿山企业所采用。但由于传统研发的局限性和设计、选型、调试等综合管理等因素，致使矿山企业风机类设备效率低、能耗高、“大马拉小车”的现象较为普遍存在。本文通过吸取前人对对旋轴流式通风机的研究成果，结合变频技术的特点，进行了节能性应用分析，仅供同行商榷。

   二、对旋轴流式通风机的发展和主要研究成果

    矿用对旋轴流式通风机属叶轮机械。所谓“对旋”的概念，是指两个叶轮以互为相反的旋转方向旋转。它是依据一元相似理论和相关流体力学原理为基础进行设计和研发的。对旋轴流式叶轮机械的研究与应用经历了几十年的发展过程，取得了丰硕成果。早在上个世纪三十年代，对旋轴流式通风机已被人们所悉知。设置在ONERA(法国国家航空研究局)的大型风洞，利用两台55000马力的水轮机作为动力所进行的风洞试验。得到了转速在100—240转/分的综合特性曲线。同时，相继获得了前置叶轮不同转速的特性曲线和相对功率消耗曲线^[1]。

    二十世纪九十年代，我国对对旋轴流式通风机的研究也十分活跃，其研究的重点主要是新型高效率、低噪音的优化设计及流场计算分析等。随着理论设计和实际应用的不断深化，使我们找到了对旋轴流式通风机两级动叶的风压特性、风量特性和功率特性的气能特性规律，具体成果如下：

    1、对旋轴流式通风机因为没有静叶不存在静叶损失^[2]，因此其通风效率比普通风机要高。

    2、对旋轴流式通风机有较大的逆向送风能力，其一般可达70％—80％，而普通风机的逆向送风能力仅为30％—40％。

    3、根据不同的风压、风量要求，对旋轴流式通风机可采用前置叶轮、后置叶轮同时运转；前置叶轮运转，后置叶轮停止：后置叶轮运转，前置叶轮停止。这三种运行方式(但试验中后两种运行方式效率偏低，噪音也效高，一般不宜采用)大大拓宽了实际应用范围^[3]。

    4、对旋轴流式通风机的压力一风量特性曲线较陡，因此较小的风压变化，即可得到较大的风量变化，较好的满足实际风量的需求。

    5、在实际应用中，由于矿井管网特性的变化，致使对旋轴流式通风机的运行工况逐渐偏离设计工况。通过对实际运行中有关数据的分析得知：后置叶轮的气动负荷要比前置叶轮的气动负荷较大，且前置、后置两级叶轮的功率特性也发生了相应变化。

6、在保持前、后两级叶轮工况特性在高效区运行的前提下，因为前置叶轮为后扭型，后置叶轮为预扭型，后置叶轮的风压一风量特性相对于前置叶轮的风压一风量特性较陡。因此，前置叶轮安装角度的变化主要影响风机的风压特性的变化;后置叶轮的安装角度的变化主要影响风机风量特性的变化。同理：在前置、后置两级叶轮安装角度(预设)不变的情况下，前置叶轮转速的变化主要影响对旋轴流式通风机风压特性的变化；后置叶轮转速的变化主要影响对旋轴流式通风机风量特性的变化。其转速比、功率比大致在1.07—1.68之间，也可获得较大范围的高效运行区(约为10％)。

7、采用双电机双端驱动方式，有利于根据矿井实际风压、风量需求和矿井管网特性随机进行调整，使对旋轴流式通风机能够保持较为安全合理的经济运行状态。

综上所述：对旋轴流式通风机前置叶轮和后置叶轮的结构较为紧凑，但其驱动结构过程特性较为复杂。前置叶轮和后置叶轮合理的轴向间隙和径向间隙，两级叶轮转速的最佳合理匹配，不仅影响到机器的噪音程度，同时还对对旋轴流式通风机压缩性、失速裕度、运行效率，对旋级压升、风压一风量的综合气动特性有着最关键的影响因素，这就为我们提供了探讨和研究新的调速方式，改善综合性能提供了较为可靠的理论依据。因此我们试想运用变频调速技术对旋轴流式通风机前置叶轮和后置叶轮进行干涉性运转以求实现高效、合理、节能的运行工况。

三、变频调速节能原理：

1、异步电动机的变频调速性能

n=         (1-s)           （3—1)

式中：n——电机转速

      s——转差率

      p——定子磁极对数

      f—电源频率

由上述公式得知，在保持p、s不变的条件下，若均匀的改变电源频率f，可以平滑的改变电动机的转速。

对风机进行调速控制属于减少空气动力的节电方法。它同—般常用的调节风门控制风量方法相比，有着明显的节电效益。其节电原理见图3-1。

曲线(1)为风机在恒速下风压一风量(H—Q)特性：曲线(2)为恒速下功率一风量(N—Q)特性；曲线(3)为矿井管网风阻特性(风门全开)。

若风机在设计时工作在(A)点效率最高，输出风量Q_I为100％，此时轴功率N₁与Q₁、H_I的乘积面积AH_IOQ₁成正比。根据工艺要求，当风量需由Q_I下降到Q₂ (例如50％风量)时，如采用调节风门方法，相当于增加矿井管网阻力，使矿井管网阻力特性变到曲线(4)，系统由原来工况点(A)移到新的工况点(B)进行，由图3-1可见，此时风压反而增加，而轴功率N₂与面积BH₂0Q₂成正比，减少不多。而如果采用变频调速控制，风机转速由N₁降到N₂，根据风机参数的比例定律，画出在转速N₂下的风压一风量(H—Q)特性，如曲线(5)所示，可见在满足Q₂的情况下，风压H：大幅度下降到H₃，功率N₃(相当于面积CH₃0Q₂)，随着显著减少，节省的功率损耗△N=△H×Q₂与面积BH₂H₃C成正比，可见节能效果是十分显著的。

    2、调节风机风量的途经。

(1)、通过改变风机的管网阻力特性来实现对风机风量的调节如 图3—2所示。

这种办法结构简单，操作方便。相对节流调节风量能减少节流损耗。但是，① 随机调节性能较差，费工、费时。

 ②对于对旋轴流式风机而言，风机节风机调整角度有效分格(风叶角度)为三格，平均为30度、35度、40度，调整的适应性较差，不能在满足风量需求的情况下达到应有的节能效果和实现较高的风机效率。

(3)通过改变风机的转速来实现风机风量的调节。当风机的转速改变时，其性能曲  线的变化如图3—4所示。当风机转速为n₁时，风机的风压-风量曲线与管网特性曲线R₁相交与M₁点，其风量一风压分别为Q₁、H₁。若工艺变更，需要的风量为Q1可将风机转速调到n2，风机的性能曲线(H—Q)相应下降并与R₁相交与M₂点，此时风量为Q₂，风压为H₂，可将风量风压下降，达到风量调节作用。相对于节流调节而言当风量为Q₂时是靠调节挡风板来实现的。此时虽然风量下降了，但风压相对于调节电机转速而言，反而上升了。因而变速调节比节流调节时的风压要减小△H=H₁-H₂。因此，在认为效率不变时，相应的主功率要减小△P=Q·△H／102n_Tn_F (Kw)，即变速调节比节流调节时风机从电网吸收的功率要减少。因此，风机的风量调节，无论是变流调节，或者是风叶角度的调节其节能效果都不如变速调节的方式随机、灵活有效。所以风机变速调节的方式是最佳有效的节能调节方式。

4、风量、风压、转速、功率的比例定律

由流体力学和风机比例定律得出风机、风量与转速及轴功率的关系为：

式中：  Q₁、Q₂——风量

    P₁、p₂一一轴功率

    N₁、N₂——转速

    H₁、H₂——风压

    当降低风机的转速时，流量也同比例下降，但功率却以转速的立方下降，其功率与转速、压力、流量、节电率等关系如下：

见表(3-1)

当风量减少，风机转速下降时，其功率降低很多。若风量下降到80％，转速也下降到80％时，则轴功率N约将下降到(0.8)³=51．2％。如果风量下降到35％，转速也下降70％，则轴功率N约下降到(0.7)³=34.3％，约节电65.7％。

    需要说明的是异步电动机调速节能，并不是着眼于电机本身的效率，虽然在很多调速方法中，电机的效率并未提高甚至降低，但由于转速的降低，使电机与负载的机械特性配合适当，能改变运行的工作点，则可得到较好的整体节能效果。

    因此，对风机类机械采用调速控制方式来调节风量(流量)，并通过对变频器与电动机组合的拖动方式的负载特性、电压、电流、转矩及功率因数等相互关系的分析，所得出的结论是：变频调速器在风机类设备的推广应用，节约用电是一种有效的办法，而且由于风机转速降低，对电机的和机械部件降低磨损延长设备使用寿命都很有利。

    四、变频调速方法及容量的选择

    1、变频调速技术是适用于所有风机类的节能控制方法，在对旋轴流式通风机应用则更能发挥其自身的节能优势。它是在矿井管网特性曲线不变时，采用分别改变或同时改变两级叶轮电动机的干涉性转速来改变通风机的综合特性，从而改变它的工况点，达到改变风量、风压目的，实现节能效果，这也是与其它风机类相比的重要区别。

由于风机的全压、与转速的平方成正比例，因此风机的调速范围不大，一般在2:1左右(实验中得知，对旋轴流式通风机前置后置两级叶轮的调速比大致为0.64:1:1.68)。风机变速运行在于调节风量、风压，因而对调速装置的性能要求不是很高，只要能满足正常运行就可以了，就是慢几转或快几转都不会影响风机的运行。因此调速方法适用性较为广泛。

    改用变频调速电力传动系统，必然增加投资并在运行过程中增加消耗。为了取得最大经济效益，在选择风机调速方法时，应根据风机的性能、矿井管网阻力特性状况、容量大小、风量变化幅度、调速装置的效率高低、技术复杂程度、价格高低、维修难易程度，对电网影响等多种因素进行综合经济技术分析比较，才能选择较为适用的的变频调速控制方法。

    2、变频调速方法及容量的选择按一下顺序进行．

(1)、要按照矿井管网阻力特性和生产周期及阶段风量、风压需求参数进行综合分析。

这个两个参数必须经过比较准确的分析计算，无须给其“层层加码”，使其裕度过大，目前，“大马拉小车”的现象仍较为普遍。一般来说，最好使计算值与实际相差不超过10％，这样才可使风机在高效区中运行。

    (2)、系统影响因数的考虑

    在计算通风系统阻力选择风机时，与风机出口连接的部件的阻力值，是在实验室中以均匀气流模拟而进行测定的．而在实际运行中，这些部件是处于不均匀气流作用下，故实际阻力值往往大于测定值．，同样的风机还有性能曲线的差异。美国空气流动与控制协会(AMCA)就为之进行了大量的测试研究工作，提出了系统影响因数的概念，其定义为：是一种压力损失因数，用以考虑风机入口和出口障碍以及其它装于系统中并对风机性能有影响的部件所造成的风机压力损失。因此，在设计应用中，应根据具体情况充分考虑这些影响因素，并尽可能予以避免和减少，从而达到节能的目的。

    (3)、根据高效、节能、低噪的主次选型

    通常，对于功率大的风机要特别重视节能和高效，对于功率不大但用量多的风机，选型时注意选高效型。值得注意的是选用了高效风机并不等于就是节能，把变频技术应用于对旋轴流式通风机也并不等于节能。还应要看实际运行中全部或大部分工况是否处于风机性能曲线的最高效率点附近。而且同一台高效风机．若调节方式不同，节能效果仍有很大差异。

3、变频器容量的选用

根据规范要求和该风机运行状况，在选用变频调速传动技术改造时，应注意以下几点：

    (1)、根据匹配电动机容量和负荷特性选择变频器。凡4极以上电动机选变频器时，应大一个规格；8极以上应大于两个规格。(即所配电动机容量的1．15的备用系数)

    (2)、风机变频调速运行的节电效果主要与其风量变化大小有关。风量在额定风量90％以上变化时，虽然节能效果不甚明显，但柔性启动及变矩性负载特性的随机调整，较为灵活，仍具有其优点。

    (3)、风量变化经常在额定风量60％以下的应采用高效调速方式。

(4)、在全风量范围变化的风机采用调速装置时，风量在90％以上时，必须具有工频恒速运行切换装置。

    (5)、为取得变频调速节电的良好效果，调速装置应配有根据风量变化的自动控制装置，当风量需要变化时，能按照给定的变化参数自动地改变转速，以期取得最好节电效果。

    五、拖动方案的选择

    根据上述，对旋主流式通风机的气能特性、矿井管网特性和变频调速技术的主要特点在合理选择前置、后置风叶安装角度的同时，对风机电机的拖动方式案可作以下选择：

 1、方案一

    一拖二方式，即利用一台合适容量的变频器同时拖动前置、后置两级动叶风机电动机(如图5-1)

    优点：电控设备投资较方案二低，可节约变频设备投资。

    缺点：由于变频自身的特点，必须使前置、后置叶轮电动机同时启动，因此，启动电流较大，要求变频器容量选择要>两台电机容量的总和乘以相应的备用系数。

2、方案二

一拖一方式即：利用两台变频器分别拖动前置、后置叶轮电动机，如图5—2：

优点：前置、后置叶轮电动机分别由两台变频器拖动。可实现对风机风压、风量的随机调整、以适应矿井在生产管理过程中风压、风量需求，及适应矿井管网特性的变化，达到两级动叶合理最佳匹配，使风机能够经常保持在高效区运行，达到较好的节能效果。

    缺点：变频设备前期投资费用较高，在控制上也要求两级电机同时启动。

    在选择拖动方案时，应根据实际风机的性能参数和矿井管网特性曲线，节电效果、投资回收期等多种因素综合考虑。

    六、节电效果的计算

    以往，我国在计算节电工程投资效果时，通常采用投资回收年限法。投资以工程完成后的收益的形式回收，所需要的年限，称为投资回收年限。当投资回收年限小于或等于某一规定年限时，则认为该工程在经济上是合理的，否则是不可取的。

    投资效果计算方法

    1、投资回收期限计算公式

T=C/△L=C/(L₂-L₁)=C/(A^δ-S)       (6-1)

式中  T——投资回收期限(年)

          C——实现节电措施所需的投资(元／年)，包括用于建筑、购置各种设备、安装及管理等费用；

          △L——实现节电措施后的年节电效益(元／年)：

          L₁——实现节电措施前的年收益(元／年)；

          L₂——实现节电措施后的年收益(元／年)；

          A——年节电总量(kW·h)／年：

          δ——电价元／(kW·h)：

          S——节电工程投入后的年维护保养费用(元／年)。

    用节能产品更换老产品的资金回收期限，应按下式计算

    T=(C-d)/△L                                (6—2)

    式中  C——购置节能产品费用(元)；

          d——老产品报废后的回收资金(元)：

        △L——更换后年节电效益(元／年)。

    一般认为，当T≤1/2—2/3节能产品寿命周期时，在经济上合理的，否则不可取。

2、工序能耗计算法

K=1×10⁶·P/3600·Q·H[KWh·(Mm³pa)]^-1

式中：k——通风用电单耗(按照原煤炭部规定，通风用电单耗应<0.44的标准)

P——电动机的输出功率(kW)

Q——通风机的风量((m³/s)^-1)

H——主扇风机全压(Pa)

应该说明的是：衡量通风用电单耗标准是以综合指标确定的，除了电器节能外，还有矿井管网阻力特性状况条件，内、外漏风率等综合管理因素。

七、变频技术在FBDN₀18型通风机的应用与分析

1、2007年5月，我们首次在国内把变频技术应用于义煤曹窑煤矿FBDZN_018型通风机，并经河南煤矿安全监察局安检中心、河南理工大学安检中心联合对该通风机变频技术应用节能及效果检测并提出了检验报告，以下简称《检验报告》

表7—1(2x110Kw)

2、通过对以上实测数据的分析初步得出：

    (1)对旋轴流式通风机的压力一风量特性曲线较陡，因此较小的风压变化，即可得到较大的风量变化，较好的满足矿井通风需求。

    (2)  在合理工况情况下前置动叶、后置动叶同时调频变速，在两级动叶转速相同的情况下，节能效果最为明显。

    (3)矿用对旋轴流式通风机应用变频调节技术的节能效果，根据矿井通风管网特性和实际需求风量大约在15％一47％之间。

初步结论：变频调速技术应用于对旋轴流式通风机，能够实现两级动叶最佳流动合理匹配，实现随机调整工况、满足矿井风量负压需求。它是在生产矿井管网特性发生一定变化时，采用分别改变或同时改变两级动叶电动机的转速来改变通风机的综合气动特性，从而改变它的工作工况，达到改变风量、风压目的，实现安全运行及产生较好的节能效果。

八、我国煤矿企业主要通风机的使用现状：

1、据统计目前我国重点煤矿企业主要通风机的能耗为矿井综合能耗的17％一25％。通过有关部门对30个煤矿企业统计，如使用70B₂型系列轴流式通风机占风机总量的49％，2002年国有重点煤矿通风机总量为1486台，平均通风效率45％—60％不足50％，平均效率在60％以工仅为2％。尽管近几年通过更新改造，对选轴流式风机的使用占有相当比例，但是，煤矿企业通风机存在效率、低能耗高、“大马拉小车”的现象仍较为普遍。

一般情况下，采用风门调节的风机，在两者偏离10％时效率下降8％左右：偏离20％时，效率下降20％左右，而偏离30％时，效率则下降30％以上。如表1所示

表8—1富裕量对风机效率的影响

上述数据显示，可见风机运行风压、风量富裕量偏离最佳工况对风机效率将产生较大影响。

2、我国风机类设备的传统驱动方式(直接启动，降压启动等)都将产生较大的冲击负载，对系统电网的冲击较为明显，使系统电网的供电质量及系统内的终端电器设备都受到了不同程度的影响。按照《规程》要求，主扇风机要定期倒换运行。因此，频繁的设备启动或停止所产生的单轴轴转现象，使风机产生较大的机械振动应力，以上这些都严重的影响到电动机及其机械设备的使用寿命。

3、我国的主扇风机多数是依靠人工调节挡板进行风压、风量调节的，不具备风压、风量自动适时调节功能，费力费时自动化程度较低，不仅对正常安全生产产生不利影响，同时能耗较高。

4、在矿井基建设计过程中，所选取的通风设备都是按矿井最大生产能力所需风量，加备用系数进行选型的。因此，从设计、选型及设备购置，其层层加码，实际在用风机与矿井管网特性匹配较差，富裕度过大、而导致综合能耗较高。

5、在矿井开采过程中，通风网络不断发生变化，例如投产初期，通风距离短，网络比较简单，需求风量也较少；但到中期通风距离较长，网络比较复杂，产量也较高，需要增加风量；到了矿井末期，网络更加复杂，但产量又趋减少，需要风量也相应减少。又如矿井新采区投产或关闭老采区，这些都会引起矿井通风管网特性的不断变化，因此通风设备应充分应用变频调速这一技术优势特点，能够具有较为宽广的随机可调节功能和较好的节能效果。

6、随着我国矿山企业朝着高产、高效方向的快速发展和资源整合的形势需要，矿用风机也随之需要大风量、高效率、高风压方向发展。同时，对旋轴流式通风机又具有高效、高压、大风量的技术优势。近几年对旋轴流式通风机在我国大中型矿井中将得到广泛应用。因此变频调速在矿井主扇风机的应用就更能够发挥其技术优势。

九、我国关于能源节约政策(摘抄)

1、我国十一五规划提出：“——……单位国内生产总产值能源消耗降低2 0％左右……(摘抄自中华人民共和国民经济和社会发展第十一个五年规划纲要第一篇第三章第三条9页)。这就是说自2006年 开始，每年国内单位生产总产值能源消耗平均降低4．4％-4．7％左右。

2、第六篇第二十二章第一节《节约能源》篇中提出：“专栏10——节能重点工程‘电机系统节能——在煤炭等行业进行电动机拖动风机、水泵系统优化改造”。(摘抄自十一五规划纲要第41页)。

十、变频调速技术在对旋轴流式通风机应用中的主要优点：

 l、变频调速技术在矿用对旋轴流式通风机的应用，能够分别对前置动叶和后置动叶实施干涉性调速达到两级动叶最佳流动匹配，不仅随机改善了风机运行工况，满足矿井生产需求风量。同时，节电效果非常明显节电率可达15％—47％左右。

2、柔性启动，停止平稳，可实现对前置叶轮电机、后置叶轮电机的分别单调或双级统调的无级调速，随机性强，调速范围大(10％左右)，可从OHz一55Hz对系统电网、电压无冲击，压降较小。

3、降低电动机运行时的噪音与温度。

4、与传统电力拖动方式相比，变频调速装置在启动时对系统电网电压无冲击，有利于保证安全供电。减少机械冲击，瞬时态转矩反应，降低电动机的疲劳磨损，有效延长电动机的使用寿命。

5、变频调速技术还具有PTC、DSP系统控制通过实时在线检测系统可实现无人值守，能够为实现矿井自动化创造有利条件。

目前电动机的高效、智能综合、优化节能变频技术是随着电力、电子技术、微电子技术、电子计算机及智能自动化控制理论等多专业学科的发展已进入的崭新的时代，变频调速节能产品已逐渐由低压到高压，由小功率到大功率的飞跃发展。同时，矿用风机类变频调速技术也不断取得了丰富和发展。

十一、结束语

“十一、五”期间乃至更长时期，随着我国节能减排的要求，电动机的节能已成为国家节能的重点工程之一。结合我国煤矿企业主扇风机的使用现状和发展趋势，通风机类在节能技术改造方面就显得更为迫切和重要。在市场经济激烈竞争、高速发展的能效经济时代，“电费是未被控制的最后一项成本”。对于企业而言，节能降耗是企业控制成本的有效手段。对旋轴流式通风机在我国矿山企业的广泛应用及变频技术及自动化产品的不断成熟，这为我们充分发挥对旋轴流式通风机的综合技术优势，提供了更为广阔的应用前景。

参考文献：

[1]王德军、曹树良、吴玉林《对选轴流式叶轮机械的研究发展》水发电学报清华大学北京(100084)2008.3第一期总刊第76期

[2]王晓林《对选轴流式通风机两级叶轮最佳流动匹配条件的探讨》矿业安全与环保2003.10第30卷第5期  煤炭科学研究总院重庆分院  重庆4000377

[3]陈燎原、潘地林、黄家友《对旋式风机II级动叶理论特性的研究》[J]煤炭科学技术2004.(5)

二OO八年三月