陈国防

（山西兰花集团东峰煤矿有限公司，山西 高平048400）

煤矿压风系统不仅具有维持井下正常生产的作用，而且具有在煤矿井下发生灾害时为矿工提供自救的功能。在保证井下压风自救系统保持正常运行，满足矿井用气量不断变化的同时，如何最大限度地节约用电，已经成为煤矿技术人员的一个课题。

机电产品发展日新月异，煤矿用活塞式、回转式和离心式等空压机已经逐渐退出了历史舞台，螺杆式空压机已经成为煤矿压风设备的主流。现在煤矿井下用气设备品种多、用气量大，在生产过程中，使用的时段、方式也不尽相同。原有工作方式不仅不利于设备的正常运行和维护保养，而且提供的气源不稳定、波动较大，空载时间较长，也浪费了不少电能，对煤矿安全生产带了隐患。随着电力电子技术的不断发展，目前最佳解决方案是对螺杆式空气压缩机实行变频节能控制。

2013年10月，山西兰花集团东峰煤矿对在用的4台空气压缩机进行了变频调速技术改造，节能效果显著。

1 空压机的变频调速节能原理

根据空压机工作原理，空压机的轴功率、排气量和轴转速符合下列公式：

由上述公式可知，在空压机的吸气容积一定的条件下，只有调节空压机的转速才能改变排气量，空压机是恒转矩负载，空压机轴功率与转速呈正比变化。在空压机总排气量大于用气量时，通过变频调速降低空压机转速来调节供风压力，是达到空压机经济运行的有效方法，其优点是压力给定方便，可根据用气量的变化随时调整设定值，能够实现压力闭环运行，实现压缩空气的恒压供应，提高空压机的运行效率，达到节能的目的。

2 空压机变频调速节能方案

2.1 空压机变频调速节能方案的确定

通过多个方案比较，决定采用一拖四的方案，利用一台变频器，配合可编程控制器PLC，以及主电路控制柜对4台空压机进行变频控制。在运行时可根据需要，通过人工确定工频、变频运行方式，也可系统智能完成空压机的循环切换，实现恒压供风。

2.2 空压机的电路控制方式

主电路为4台空压机编组运行。接触器KM作为主电路的控制元件，可用于系统的紧急停车等。接触器1～8 KM分别用于空压机的变频／工频切换和各台空压机之间的切换，各个接触器由PLC控制。

正常情况下启动1号空压机时，1KM吸合，1号空压机变频启动，随着频率的升高，电动机转速上升，系统压力随之增大，当频率接近工频（上限切换频率50Hz）时，系统压力若仍达不到工作压力，2KM吸合，同时1KM断开，则1号空压机切换为工频运行。3KM吸合，2号空压机变频启动，2号空压机启动后，随着频率的升高，当系统压力上升到压力上限时（0.75MP），系统在变频器PID功能的作用下，维持系统稳定的压力。当用户不断增多，系统压力低于压力下限时（0.45MP），控制系统将使2号空压机切换为工频运行，3号空压机变频启动，以保持系统的工作压力。当用户不断减少时，系统压力上升达到压力上限时（0.75MP），变频器输出频率降低，当频率下降到下限切换频率时（35Hz），5KM 断开，3号空压机退出运行，3KM吸合，4KM断开，2号空压机切换为变频运行，并维持系统工作压力（见图1）。

图1 主电路

在空压机实际工作中，变频器输入端PR用于设置来自于空压机储气罐上的压力变送器，FUP、FDN分别输出上限、下限压力信号，FU2、FU分别输出上、下限切换频率信号，这些连续的信号便于PLC发出指令，实现各台空压机之间、变频／工频之间的相互、有序切换（见图2）。

图2 PLC的接线图

相关参数的设置：压力上限设置为0.75MP，考虑到在最低气压时能够打开井下相对用气量小的气动风门、气动道岔等设备，压力下限设置为0.45MP。上限切换频率设置为50Hz，设置下限切换频率时，尝试设置为30Hz，在此频率条件下长时间运行，电机低速冷却变坏，温度升高较快，不利于电机的长期安全运行。因此，将下限切换频率调整为35Hz，电机的运行温升得到很好的改善。

3 变频改造节能分析

东峰煤矿井下风动绞车、风动水泵、喷浆机等用气设备较多，用气量变化大，空压机运行台数高峰时多达3台。考虑到其它空压机是工频运行，仅对变频运行的当台空压机进行了节能分析。

对空压机工频运行满载、空载时和变频运行空载时电机电压、电流、功率因数等运行参数进行了检测，计算出空压机变频改造前、改造后每天的节能量。

空压机工频运行时所消耗的能量：

空压机变频运行时所消耗的能量：

因此节电率为：16%，每年运行按345天计算，每年可节约电能2×105kWh，每度电费按0.5元计算，年可节约电费10万元，大约三年可收回投资，经济效益非常可观。同时，变频改造后，首先操作方法简便 ，可根据需要进行人工／自动切换，使用变频运行，消除了电机起动时对电网大电流的冲击现象；第二，风压变化幅值小，气压能够在0.45～0.75MPa区间平稳变化，而且风量充足，供风质量提高，大大减少了由于压风系统不稳定给安全带来的不利影响；第三，噪音大幅降低，工作环境得到很大的改善。

4 结语

经过一年多时间的运行，变频器改造的优越性逐渐显现出来，不仅节约了能源，提高了设备运行的可靠性，有利于企业的安全生产，而且改善了职工工作环境，提高了职工自信心和对企业的满意度，在收到了较好的经济效益的同时，也收获了更大的社会效益，这种技术改造具有很大的推广价值。

〔1〕邱 江，刘 富.矿山电力拖动与控制〔M〕.北京：煤炭工业出版社，2012.

〔2〕唐耀华，徐庆龙.空压站变频改造的节能分析和参数监控〔J〕.变频器世界，2004.