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1 引言
通風(fēng)、排水、壓氣、提升是地下礦山著名的4大件，也是礦山設(shè)備中的耗能大戶。目前，礦山企業(yè)所使用的水泵及風(fēng)機均為交流拖動，且大多都采用通過改變出口閥門的開啟度來調(diào)節(jié)流量和風(fēng)量，能量損失很大。為了節(jié)約電能，可采用變頻調(diào)速裝置，通過調(diào)節(jié)電動機轉(zhuǎn)速來控制流量和風(fēng)量。
2 水泵、風(fēng)機變速運行與節(jié)能的關(guān)系
現(xiàn)以離心水泵為例，說明變速運行與節(jié)能的關(guān)系。
離心水泵在礦山應(yīng)用較為廣泛，其輸出特性既決定于水泵的種類，也隨供水管網(wǎng)的阻力特性曲線不同而異。一般說來，當(dāng)一臺水泵在一定轉(zhuǎn)速下輸送一定流量時，必然會有同此流量相對應(yīng)的揚程、功率和效率。當(dāng)調(diào)節(jié)水泵出口處調(diào)節(jié)閥的開啟度時，這些數(shù)值亦相應(yīng)地改變，離心水泵的性能曲線就是表示在一定的轉(zhuǎn)速下，不同的流量與其相對應(yīng)的揚程、功率、效率之間的相互關(guān)系，如圖 1所示。圖1中，曲線①為流量-揚程曲線;曲線②為流量-功率曲線;曲線③為流量效率曲線。
離心泵的特性曲線公式如下:
(1)
式中: P—泵的軸功率(kw)
H—揚程高度(m)
Q—泵的流量(m3)
γ—液體的比重(kg/m3)
η—泵的效率
圖1 離心泵的特性曲線
由圖1可見，對水泵而言，只有在原設(shè)計的工況點A處工作時，效率才為最高點。偏離這個工況點，效率有所下降。因此，水泵只有在高效區(qū)域(B-C之間)運行時，耗能才會降低。
根據(jù)以上分析，按照排水系統(tǒng)的實際流量Q2和揚程H2及與之相適應(yīng)的使用效率η0，可計算出泵所需要的比較合理的軸功率P0:
(2)
這樣，整個排水系統(tǒng)節(jié)能潛力為:
W=(P-P0)t (3)
式中: P—整個系統(tǒng)泵消耗的總軸功率(kw)
t—水泵年運行時間(小時/年)
由流體力學(xué)及閘閥不同開啟度所測得的數(shù)據(jù)，可求得管網(wǎng)裝置特性為:
H2=KQ+Hj (4)
式中: Hj—水泵進、出口水位的高差(m)
H2—水泵揚程高度(m)
Q—流過管網(wǎng)的流量(m3/s)
K—管路阻力系數(shù)
管網(wǎng)的特性曲線如圖2所示。其中曲線①為泵在全速(100%ηe)運行時的Q-H曲線;曲線②為管網(wǎng)系統(tǒng)閥門全開啟時的阻力特性曲線;曲線③為靜壓高度;曲線④為關(guān)小閥門后的阻力特性曲線;曲線⑤為降低速度后(80%ηe)泵的Q-H曲線。
圖2 管網(wǎng)性曲線
由圖2可見，觀望特性曲線與泵的特性曲線的交點即為泵的正常使用工況點。二者怎樣匹配才能有效地節(jié)約電能呢？下面以圖3為例說明這個問題。
圖3中，水泵運行工況點D是泵的特性曲線ηe與管路阻力曲線R1的焦點。用閥門控制時，減少流量需要關(guān)小閥門，使閥門的摩擦阻力變大，阻力曲線從R1移到R1'，揚程則從H0升到H1，流量從QN減少到Q1，運行工況點從D點移到A點。
圖3 水泵調(diào)速時的特性
用調(diào)速控制時，阻力曲線R1不變，泵的特性取決于轉(zhuǎn)速。如果把轉(zhuǎn)速從ne降到n1，特性曲線也從ne移至n1，這時，運行工況點從D點移到C點，揚程從H0下降到 H3，流量從QN減少到Q1。
根據(jù)公式(1)以求得:
A點泵的軸功率
C點泵的軸功率
兩者之差為:
(5)
由此可見，用閥門控制流量時，比用速度控制多浪費的功率為ΔP，并且隨著閥門不斷地關(guān)小，ΔP也不斷地增加。
用轉(zhuǎn)速控制時，由流體力學(xué)原理知道，流量Q同轉(zhuǎn)速的一次方成正比，而軸功率P同轉(zhuǎn)速的三次方成正比。因此，采用調(diào)速控制方式控制流量，在節(jié)能方面的效果是十分明顯的。
以上的分析過程和結(jié)論，對風(fēng)機也是適用的。
3 風(fēng)機、水泵變頻調(diào)速系統(tǒng)
對風(fēng)機進行技術(shù)改造時，為避免工程質(zhì)量和一次性投資過大，可采用如圖4所示的方案。
其特點如下:
(1) 采用速度開關(guān)控制方式，能夠滿足礦山對風(fēng)機、水泵轉(zhuǎn)速精度的要求。
(2)保留原供電線路，旁路并入變頻器。正常情況下投入變頻器運行，人工控制其輸出頻率，達到變頻調(diào)速的目的。若變頻器發(fā)生故障，可通過原供電線路(ZK3、C2、ZK4)繼續(xù)給設(shè)備供電，使設(shè)備不間斷運行。
由于變頻器的工作原理已被大家熟悉，在此不在獒述。實際應(yīng)用中，可選用日本SANKEN公司生產(chǎn)的MF系列變頻裝置，該產(chǎn)品為16位微機控制的SPWM調(diào)制型GTR變頻調(diào)速系統(tǒng)，采用先進的電壓矢量控制方式，可實現(xiàn)超精細、高精度的全數(shù)字式變頻控制。同時，由于該裝置保護功能齊全，保證了系統(tǒng)可靠運行。
圖４ 系統(tǒng)主電路圖
4 結(jié)束語
變頻調(diào)速系統(tǒng)在礦山節(jié)能中具有廣闊的發(fā)展前景，盡管技術(shù)改造時一次性投資可能偏高，但從長遠觀點看，它所產(chǎn)生的效益和創(chuàng)造的價值是巨大的，值得大力推廣應(yīng)用。
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