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(hù)。目前，礦山企業(yè)所使用的水泵及風(fēng)機(jī)均為交流拖動(dòng)，且大多都采用通過(guò)改變出口閥門(mén)的開(kāi)啟度來(lái)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(guò)調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速來(lái)控制流量和風(fēng)量。
2 水泵、風(fēng)機(jī)變速運(yùn)行與節(jié)能的關(guān)系
現(xiàn)以離心水泵為例，說(shuō)明變速運(yùn)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(lèi)，也隨供水管網(wǎng)的阻力特性曲線(xiàn)不同而異。一般說(shuō)來(lái)，當(dāng)一臺(tái)水泵在一定轉(zhuǎn)速下輸送一定流量時(shí)，必然會(huì)有同此流量相對(duì)應(yīng)的揚(yáng)程、功率和效率。當(dāng)調(diào)節(jié)水泵出口處調(diào)節(jié)閥的開(kāi)啟度時(shí)，這些數(shù)值亦相應(yīng)地改變，離心水泵的性能曲線(xiàn)就是表示在一定的轉(zhuǎn)速下，不同的流量與其相對(duì)應(yīng)的揚(yáng)程、功率、效率之間的相互關(guān)系，如圖 1所示。圖1中，曲線(xiàn)①為流量-揚(yáng)程曲線(xiàn);曲線(xiàn)②為流量-功率曲線(xiàn);曲線(xiàn)③為流量效率曲線(xiàn)。
離心泵的特性曲線(xiàn)公式如下：
?。?）
式中： P—泵的軸功率（kw）
H—揚(yáng)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(xiàn)
由圖1可見(jiàn)，對(duì)水泵而言，只有在原設(shè)計(jì)的工況點(diǎn)A處工作時(shí)，效率才為最高點(diǎn)。偏離這個(gè)工況點(diǎn)，效率有所下降。因此，水泵只有在高效區(qū)域（B-C之間）運(yùn)行時(shí)，耗能才會(huì)降低。
根據(jù)以上分析，按照排水系統(tǒng)的實(shí)際流量Q2和揚(yáng)程H2及與之相適應(yīng)的使用效率η0，可計(jì)算出泵所需要的比較合理的軸功率P0：
?。?）
這樣，整個(gè)排水系統(tǒng)節(jié)能潛力為：
W=（P-P0）t （3）
式中： P—整個(gè)系統(tǒng)泵消耗的總軸功率（kw）
t—水泵年運(yùn)行時(shí)間（小時(shí)/年）
由流體力學(xué)及閘閥不同開(kāi)啟度所測(cè)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(jìn)、出口水位的高差（m）
H2—水泵揚(yáng)程高度（m）
Q—流過(guò)管網(wǎng)的流量（m3/s）
K—管路阻力系數(shù)
管網(wǎng)的特性曲線(xiàn)如圖2所示。其中曲線(xiàn)①為泵在全速（100%ηe）運(yùn)行時(shí)的Q-H曲線(xiàn);曲線(xiàn)②為管網(wǎng)系統(tǒng)閥門(mén)全開(kāi)啟時(shí)的阻力特性曲線(xiàn);曲線(xiàn)③為靜壓高度;曲線(xiàn)④為關(guān)小閥門(mén)后的阻力特性曲線(xiàn);曲線(xiàn)⑤為降低速度后（80%ηe）泵的Q-H曲線(xiàn)。
圖2 管網(wǎng)性曲線(xiàn)
由圖2可見(jiàn)，觀望特性曲線(xiàn)與泵的特性曲線(xiàn)的交點(diǎn)即為泵的正常使用工況點(diǎn)。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(shuō)明這個(gè)問(wèn)題。
圖3中，水泵運(yùn)行工況點(diǎn)D是泵的特性曲線(xiàn)ηe與管路阻力曲線(xiàn)R1的焦點(diǎn)。用閥門(mén)控制時(shí)，減少流量需要關(guān)小閥門(mén)，使閥門(mén)的摩擦阻力變大，阻力曲線(xiàn)從R1移到R1‘，揚(yáng)程則從H0升到H1，流量從QN減少到Q1，運(yùn)行工況點(diǎn)從D點(diǎn)移到A點(diǎn)。
圖3 水泵調(diào)速時(shí)的特性
用調(diào)速控制時(shí)，阻力曲線(xiàn)R1不變，泵的特性取決于轉(zhuǎn)速。如果把轉(zhuǎn)速?gòu)膎e降到n1，特性曲線(xiàn)也從ne移至n1，這時(shí)，運(yùn)行工況點(diǎn)從D點(diǎn)移到C點(diǎn)，揚(yáng)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(diǎn)泵的軸功率
C點(diǎn)泵的軸功率
兩者之差為：
?。?）
由此可見(jiàn)，用閥門(mén)控制流量時(shí)，比用速度控制多浪費(fèi)的功率為ΔP，并且隨著閥門(mén)不斷地關(guān)小，ΔP也不斷地增加。
用轉(zhuǎn)速控制時(shí)，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(guò)程和結(jié)論，對(duì)風(fēng)機(jī)也是適用的。
3 風(fēng)機(jī)、水泵變頻調(diào)速系統(tǒng)
對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行技術(shù)改造時(shí)，為避免工程質(zhì)量和一次性投資過(guò)大，可采用如圖4所示的方案。
其特點(diǎn)如下：
?。?） 采用速度開(kāi)關(guān)控制方式，能夠滿(mǎn)足礦山對(duì)風(fēng)機(jī)、水泵轉(zhuǎn)速精度的要求。
?。?）保留原供電線(xiàn)路，旁路并入變頻器。正常情況下投入變頻器運(yùn)行，人工控制其輸出頻率，達(dá)到變頻調(diào)速的目的。若變頻器發(fā)生故障，可通過(guò)原供電線(xiàn)路（ZK3、C2、ZK4）繼續(xù)給設(shè)備供電，使設(shè)備不間斷運(yùn)行。
由于變頻器的工作原理已被大家熟悉，在此不在獒述。實(shí)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(jī)控制的SPWM調(diào)制型GTR變頻調(diào)速系統(tǒng)，采用先進(jìn)的電壓矢量控制方式，可實(shí)現(xiàn)超精細(xì)、高精度的全數(shù)字式變頻控制。同時(shí)，由于該裝置保護(hù)功能齊全，保證了系統(tǒng)可靠運(yùn)行。
圖4 系統(tǒng)主電路圖
4 結(jié)束語(yǔ)
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(shí)一次性投資可能偏高，但從長(zhǎng)遠(yuǎn)觀點(diǎn)看，它所產(chǎn)生的效益和創(chuàng)造的價(jià)值是巨大的，值得大力推廣應(yīng)用。?
?
