高压变频器在煤矿瓦斯抽放站中的运用
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[摘 要]目前在煤矿地面瓦斯抽放站中用高压、大功率的抽放泵很普片，目前煤矿大都采用2BEC系列的水循环式真空泵，然而煤矿的初步抽采和今后随着煤矿井下巷道的变化出现了“大马拉小车”的不经济运行现象。自从安装上高压变频器后实行调功、调频、调压控制瓦斯泵电机的转速来配合煤矿井下瓦斯的抽采从而达到节能的目的。
[关键词]高压变频调速 煤矿瓦斯抽放 节能
中图分类号：D380 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）28-0019-02
1 前言
贵州万峰集团矿业公司织金县三甲煤矿设计能力是年产30万t/a的矿井，目前新投入的瓦斯抽放站使用使用的是2BEC72泵，电机是隔爆型三相异步电机功率是630KW，电压等级是10KV，自从安装上高压变频器作为启动、控制后解决了“大马拉小车”的不经济运行现象同时通过变频器改变了电机的功率因素达到0.98，提高了供电的质量。特别是在井下工况点变化时调节频率实现瓦斯抽放在经济状况下运行，实现节能降耗具有现实的意义。
变频器是控制系统中的功率变换器。当今的控制系统包含多种学科的技术领域，总的发展趋势是：驱动的交流化，功率变换器的高频化，控制的数字化、智能化和网络化。因此，变频器作为系统的重要功率变换部件，提供可控的高性能变压变频的交流电源而得到迅猛发展。在启动电机的过程中是低电压、低频率、低功率这样减小了启动电流使其平稳的启动保证了设备的安全更重要的是节能，在实际中运用自如。
2 高压变频器作为启动控制节能的理论依据
电机的转速与输入频率成正比，即满足如下关系式：
n=60f/（1-s）/p （1）
式中，n为异步电机的转速r/min;f为工作频率Hz;、s为电机的转差率;P为电机的磁极对数。由上述关系，通过改变电动机工作的频率来达到改变电机转速的目的。
从流体力学的原理知，使用电机驱动的泵类，轴功率P与风量Q，风压H的关系为：P∝QxH。
当电动机的转速由n1变化到n2时，Q、H、P与转速的关系如下：
Q2=Q1x （n2/n1） （2）
H2=H1x （n2/n1）2 （3）
P2=P1x （n2/n1）3 （4）
可见流量Q和电机的转速n是成正比关系的，而所需的轴功率P与转速n的立方成正比关系。所以当需要80%的额定流量时，通过调节电机的转速至额定转速的80%。从下图运行曲线来分析采用变频后的节能效果。
从当所抽放的量从Q1减小到Q2时，如果采用关闭单个的瓦斯抽放支管的办法阻力会增加，不关闭那是浪费抽采不起任何作用，当矿井系统工况点从A点变到新的运行工况点B点时（工况点变化指：瓦斯抽放管路的减少、瓦斯少时单个支管的关闭等状况），所需要的轴功率P2与面积H2xQ2成正比;在这样的情况下采用变频调速方式，瓦斯抽放泵的转速由n1下降到n2，其性曲线的变化看已经下移，即从A点移到C点。此时所需的轴功率P3与面积HBxQ2成正比。从理论上分析所节约的轴功率Delt（P）与（HB-HC）xQ2的面积成正比。图中HO为抽采的最低永许工作频率。
3 高压变频器调速控制方案
根据现场的工艺特点，为了保证设备运行的可靠性和节能的的需要，对现场两台瓦斯抽泵采用了一拖二手动切换方案。
在同一时间内，高压变频器只能拖动一台电机运行且相互之间有互锁功能。如果变频出现故障或检修可以随时切换到工频运行。该柜严格按照“五防”联锁要求设计，完全能够保证变频调速系统安全运行。
4 瓦斯抽放系统运行参数与节能计算
在瓦斯抽放系统安装调试完工后投入运行，根据运行情况把高压变频器的频率设置在20Hz-50Hz之间进行了参数观察，其实际数值如下表（见表1）
5 变频器运行的节能效果
煤矿瓦斯抽放泵使用变频器除了软起、软停外最主要的是在煤矿井下工况情况变化和前期投入使用时调节频率实现瓦斯抽放在经济状况下运行。根据运行参数统计和本煤矿的实际情况，本抽放泵一般在35Hz运行时抽放合理瓦斯不超限且在这个频率运行时间的较多些，按设备年平均运行为360天（其余天数为检修时间），节能效果如下计算所示：
5.1 由上统计设备在50Hz运行时年耗电量计算：
W1=P1T=549.4x24x350=4614960kW.h
5.2 由上y计设备在35Hz运行时年耗电量计算：
W2=P2T=338.4x24x350=2920320kW.h
5.3 每年节能计算：
W= W1-W2=4614960-2920320=1694640kW.h
5.4 电价按照0.5元/kW.h计算：
每年节约电费为1694640kW.hx0.5元/kW.h=847320元。
6 使用变频器运行的优点
使用变频器作为瓦斯泵站的启动控制后较大的改善了整个控制工艺，对生产成本又了明显的降低，综合考虑使用变频器后有以下几方面的优点：
6.1 提高网侧功率因数
（1） 电机直接由工频驱动时，满载时功率因数为0.85左右，实际运行功率因数远低于0.8，采用变频调速系统后，电源侧功率因数可提高到0.9以上，无需无功补偿装置就能明显减少无功功率，满足电网要求，可进一步节约上游设备的运行费用。
（2）提高网侧功率因数，无功节电明显，无功节电的意义在于降低其他供电母线的线路损耗，降低变压器二次侧电流，节约的无功电流可以让出给电网中其他设备，从而化解了新增设备后的变压器增容问题。同时无功电流的减少可以降低电力变压器的运行温升，从而延长电力变压器的使用寿命。
6.2 降低设备运行与维护费用
（1） 采用变频调速后，由于通过调节电机的转速实现节能，在负荷率较低时，电机和泵的转速也同时降低，设备磨损较之前减轻，维护周期可加长，设备运行寿命延长。
（1） 使用变频后管道中各处阀门的可开度是100%，运行中不受任何压力，可显著减少阀门挡板的维护量;变频器在运行中只需要定期对变频器除尘，不用停机保证了生产的延续性。
6.3 延长设备的使用寿命
（1）使用变频调速装置后，可对电机实现软启动、软停机，启动时电流不超过电机额定电流的1.2陪，对电网无任何冲击，电机使用寿命延长。
（2）变频器的启动、停止时间是任意可调的，也就是说启动时的加速度和停车时的减速度是任意可调的。
（3）在整过运行范围内，电机可以保证运行平稳，损耗减小;电机启动时的噪音和启动电流非常小，无任何异常振动和噪音;
6.4 保证设备安全运行
（1）设备具有过流、短路、过压、欠压、缺相、温升等多种保护功能，更完善的保护电网和电机。
（2）适应电网电压波动能力强，电压工作范围宽，电网电压在-15%-- +10%之间波动时，系统均可正常运行。操作简单，运行方便，可通过计算机远程给定参数，实现智能调节。
7 结语
对变频调节效果及节能原理进行分析，从实践中得到论证后，笔者在万峰集团矿业公司所属煤矿的瓦斯抽放站（泵型号为2BEC72，功率为630kW）实现变频控制后，经理论与实践两结合将频率设置在35Hz左右节电效果十分明显。
参考文献
[1].仲明振，赵相宾，高压变频器应用手册[M]，机械工业，2009，121
[2].肖朋生、张文、王建辉，变频器及其控制技术[M].北京：机械工业，2008