中央主扇高压变频调速改造方案.doc

集团公司某矿井中央风井主扇风机改造方案设计
1 项目概况
1.1 矿井通风系统概况
集团公司股份公司该矿井位于山西省屯留县境内，设计生产能力6.0Mt/a，于1995年建成投产，是我国利用世行贷款建设的第一座现代化特大型矿井。
该矿井目前通风系统采用分区式通风，其中中央风井主扇风机担负+520水平南一、南二、北一、北二及北三采区开拓的供风任务，在+470水平开始开拓时，其掘进及巷道用风亦由中央风井主扇担负；西坡风井主扇风机担负+520水平南三、南四、南五及南六采区供风任务。2007年2月上旬矿井总进风量为27380m3/min，总回风量为28970m3/min。
1.2 现有中央风井主扇风机设备
该矿井中央回风井安装有两台GV1-40-2000/10型轴流式风机，1987年由德国托马克公司引进机械部分，由德国AEG公司引进电气部分，风机叶轮直径4m，叶片数12片，液压动叶可调。配套电动机为2000kW，600r/min，6kV同步电动机。
风机运行模式有两种，一种是自动模式，风机在调定的风量下，根据负压变化，自动调整叶片角度；两台风机可以自动切换。另一种是手动模式，叶片角度不随风量、负压变化；两台风机不能自动切换。
风机反风方式为调叶片角度反风。
风机目前运行工况：风量253 m3/s，负压2400Pa。
风机运行特性曲线见图1。
1.3 中央风井主扇风机改造的必要性
1）矿井通风安全要求
中央风井主扇风机于1992年投入运行以来，经过两次大修，多次小修，仍存在诸多问题：仪器仪表指示不准，误差较大；而德国AEG公司也已不存在，市场上无法采购到电气备件，不得不使风机带病运行；雷击曾造成多次三相不平衡，致使风机自动保护动作，直接停机，危及整个矿井的通风安全。
随着矿井生产逐步向北延伸，通风距离加长，通风阻力增加，中央风井主扇风机运行工况已接近风机运行特性曲线的驼峰区，即不稳定工作区。2006年4月18日，在自动模式下运行的2号风机因发生喘振而停机，1号风机自动启动，8分钟后，1号风机也发生喘振现象，司机不得不将1号风机停机，经过科室和矿领导分析事故原因，决定采用手动模式启动风机，使风机达到稳定运行，至此，风机不稳定运行达到28分钟，造成井下多个工作面瓦斯超限。目前风机只能在手动模式下运行，工作风机和备用风机之间不能实现自动切换，严重制约着矿井的通风安全。
2）矿井生产衔接要求
在该矿井原设计中，中央风井主扇风机只担负+520水平南一、南二、北一及北二采区开拓的供风任务，北3、北4采区设计有一对进、回风井，但由于存在高速公路压煤及其它因素，北翼不再设计进、回风井。现阶段矿井生产已经延伸至北3采区，现有风机已经不能满足北3采区供风要求，同时，+470水平的开拓也将存在配风困难问题，因此生产衔接要求必须对中央风井主扇风机进行改造。
1.4 设计依据
1、《煤矿安全规程》（2007）
2、《煤炭工业矿井设计规范》（2006）
3、《集团公司股份公司会议纪要》[2007]1号
4、《该矿中央主扇方案设计选型参数确定》（该煤矿通风科）
1.5 设计指导原则
在矿井通风容易和困难时期风机运行工况点均须在风机运行曲线的高效区内，并且风机最大能力工况点不能处于其不稳定工作区；设备运行必须安全可靠；对现有的中央主扇风机房的矿建、土建工程不作大的改动（保持现有的风机房、引风道、风门及扩散塔）；改造期间，中央主扇风机单机运行时间不能超过一个月。
1.6 设计范围
设计范围包括以下几部分：
(1) 机械设备改造设计；
(2) 电气、电控部分改造设计；
(3) 设备基础及配电间改造；
(4) 投资估算。
2 机械设备改造
2.1 设计依据
通风容易时期风量 320m3/s
容易时期矿井阻力 3200Pa
通风困难时期风量 378m3/s
困难时期矿井阻力 3920Pa
最大能力时期风机风量 454m3/s
最大能力时期风机负压 4700Pa
2.2 选型计算
考虑通风设施漏风和风道局部阻力损失后通风机需要的风量、负压为：
容易时期风量 QB容易=1.05×320=336m3/s
容易时期负压 HB容易=3200+400=3600Pa
困难时期风量 QB困难=1.05×378=397m3/s
困难时期负压 HB困难=3920+400=4320Pa
容易时期通风网路阻力系数：

容易时期通风网路特性曲线方程：

困难时期通风网路阻力系数：

困难时期通风网路特性曲线方程：

最大能力时期通风网路阻力系数：

最大能力时期通风网路特性曲线方程：

2.3 方案比较
根据通风机必需风量及负压，设计进行了四个方案的技术经济比较。方案1是山西运城安运风机公司生产的FBCDZ-10-№40型矿用防爆对旋轴流式通风机，方案2是航空工业沈阳发动机研究所（606所）风机厂生产的AGF606-4.0-2.15-2型轴流式风机，方案3是上海鼓风机厂生产的GAF37.5-22.4-1FB 型轴流式风机，方案4是Howden公司生产的ANN-3924/1800B 型轴流式风机。各方案比较结果见表1。
方案1中的FBCDZ-10-№40型矿用防爆对旋轴流式通风机由山西运城安运风机公司生产，属国内90年代中期开发的新产品，已在国内矿井得到大量的应用。其两级叶轮既是工作轮又互为导叶，提高了风机运行效率，通风机设有回流环（以损失风机效率为代价），有效地消除了喘振；可用一台电机单级叶轮运行，以适应矿井不同期间对通风的需要；采用反转反风并带防爆制动器，反风量较大，反风转换时间较短；安装和制造工期短。但由于电动机安装在风机轮毂内，叶轮安装在电动机轴上，电动机散热条件较差，维护较复杂；风机结构形式与原有风机差别较大，必然会影响其改装后的运行效果；生产厂家非国内大型风机制造厂家，制造质量无法与其他三个厂家相比；对旋式风机的主要优势在于其不需要风机房，安装简单，对于本改造项目，不存在这一优势，反而因为必须使用防爆电动机而使设备投资提高。由表1可知，与方案2相比，其年电费高35万元，设备费高606.3万元。
方案2中的AGF606-4.0-2.15-2型轴流式风机是航空工业沈阳发动机研究所（606所）风机厂应用航空技术优势生产的新型矿用风机，目前已在我国20多个矿务局得到应用。该风机高效区范围广，运行平稳，噪声低，特别是该风机的叶片采用高强度铝合金锻造而成，体积轻巧、坚固耐用，风机两级动叶角度停机可联调，可直接反转反风，该风机结构与现有风机相似，便于在现有风机基础上进行改装。沈阳发动机研究所风机厂技术人员已对现场进行了实地测量，提出了较为详细的改造方案。由表1可知，其设备费和年电费均较低，制造工期也较短。
方案3中的GAF37.5-22.4-1FB 型轴流式矿井通风机是上海鼓风机厂1979年引进德国TLT公司技术生产的，该厂为国内大型风机制造企业，质
量体系完善，制造质量较好，设备可靠性较好，目前在国内大型矿井通风设备中占有率很高；风机调节方式有不停机液压整体动叶可调和停机机械式整体动叶可调两种型式，能使风机的特性与使用工况在较大流量变化范围内相适应，高效区范围大，节能效果显著；采用停机调节叶片角度方式反风，反风量大，反风转换时间较短；其结构与现有风机完全相同，便于在原基础上进行改装。由表1可知，与方案2相比，其设备费低109.2万元，但年电费高4万元，制造工期也较长。
方案4中的ANN-3924/1800B 型轴流式矿井通风机是Howden公司的最新产品，代表了90年代末期世界通风设备先进技术；采用反转反风，反风量较大，反风时间较短；风机性能按国际最高标准考核，无负偏差，曲线准确性高；结构设计合理，全压效率较高，制造质量好，维护量小；能在现场方便地更换叶片，对叶轮进行大中修，能确保备用风机的安全性；该厂制造的轴流通风机应用情况良好，设备可靠性高，其设在国外的制造厂有制造大型通风机的丰富经验。由于通风机的核心部件（叶轮、润滑油站等）从公司在英国的工厂进口，设备费较高，生产周期较长；该风机与现有风机结构形式不完全相同，因而其改造难度较大。与方案2相比，其年电费省39万元，但设备费高776.1万元，需要20年才能收回多出的投资。

中央主扇风机改造方案技术经济比较表
表1
方案
内容
方案1
安运风机公司
方案2（推荐）
沈阳606所
方案3
上海鼓风机厂
方案4
豪顿华风机厂

风

机

风机型号
FBCDZ-10-№40
AGF606-4.0-2.15-2
GAF37.5-22.4-1FB
ANN-3392/1600B
台数
2
2
2
2
容
易
时
期
风量 m3/s
336
336
336
336
负压 Pa
3600
3600
3600
3600
效率 %
76
84
82
85
轴功率 kW
1591
1440
1475
1423
困
难
时
期
风量 m3/s
397
397
397
397
负压 Pa
4320
4320
4320
4320
效率 %
80.5
83
82.7
86
轴功率 kW
2131
2066
2074
1994
最
大
时
期
风量 m3/s
454
454
454
454
负压 Pa
4700
4700
4700
4700
效率 %
82
81
82.7
87
轴功率 kW
2602
2634
2579
2480
电
动
机
型号
YBF防爆型
Y型异步机
Y型异步机
Y型异步机
额定功率 kW
3600
4000
3600
3600
额定电压 kV
6
6
6
6
转速 r/min
595
595
750
990
年电费 万元
1169（+35）
1134（0）
1138（+4）
1095（-39）
投资
设备费 万元
1348.2
813.2
716.9
1498
安装费 万元
179.8
108.5
95.6
199. 8
合计 万元
1528（+606.3）
921.7（0）
812.5（-109.2）
1697.8（+776.1）
制造周期 月
3.5～4
6
10
10
注：1.年电费按通风困难时期参数计算，每度电按0.5元计算。
2.投资按风机+电机计算。

2.4 结论
通过以上从设备制造质量、设备投资、改造难易程度、设备运营费用及制造工期等方面对各方案进行的分析比较，拟推荐方案2，即沈阳发动机研究所（606所）风机厂的改造方案。风机技术参数如下：
风机型号：AGF606-4.0-2.15-2
风机转速：595r/min
叶轮直径：4m
轮毂直径：2.15m
叶轮级数：2
一级动叶片数：20
二级动叶片数：20
中导叶片数：15
后导叶片数：29
配套电动机：Y8007-10，4000kW，6kV，595r/min
经过沈阳发动机研究所风机厂技术人员对现场实地测量，在保持现有的风机房、引风道、风门及扩散塔的前提下，需要更换的部件有电动机、制动器、传动轴、转子组件、整流器组件、主体风筒组件、后导器组件、扩压器组件。以上组件的安装除了需要重新钻电动机地脚螺栓孔外，其余均利用原有的基础及地脚螺栓。
风机运行特性曲线见图2。
风机安装布置图见图3。
3 配电及控制
1）供电现状
现中央主扇风机高压电源引自6kV开闭所，6kV开闭所高压出线柜型号为KY28A-7.2kV (300A),电源电缆采用YJV22-6/6kV 3x150mm2, 6kV开闭所距中央主扇风机高压配电室500米。
该6kV开闭所母线现有井下负荷15800kW,井上负荷14500kW,新增井下负荷1600kW,地面储装运系统负荷3500kW，瓦斯抽放站负荷3200kW，中央主扇风机增加负荷2000kW，6kV开闭所母线负荷将达到40600kW。
2）供电方案
方案1：中央主扇风机高压电源仍然引自6kV开闭所。目前6kV开闭所没有备用位置和出线间隔，也没有扩建的可能，只有对原有出线柜进行改造更新，并更换电源电缆，电源电缆采用YJV22-6/6kV 3x240mm2。，6kV开闭所距中央主扇风机高压配电室500米。对现有6kV开闭所供电系统改造、施工时会造成其他生产系统停电，影响正常生产，并且施工复杂。
方案2：中央主扇风机高压电源引自110kV变电所6kV不同母线段。110kV变电所有充足的备用出线间隔位置，可以在备用出线间隔位置增加两台开关柜（KYN28A-7.2kV,630A）,作为中央主扇风机高压电源出线柜，电源电缆采用YJV22-6/6kV 3x240mm2，电缆沟敷设方式，110kV变电所距中央主扇风机高压配电室600米。与方案1比较，方案2施工简单，对正常生产影响小，供电可靠性高。
推荐采用方案2。
3）配电
在通风机房附近建配电室和控制室，设高压真空开关柜12面,开关柜采用KYN28A-7.2kV型高压真空开关柜，主接线采用单母线分段接线方式。
配电室设SCB11-50/10，10/0.4kV干式变压器2台，容量50kVA，担负通风机辅助设备用电。
设通风机监控装置一套，监测控制通风机及辅助设备工况。
4）电气传动
方案1：采用变频调速装置。
方案2：采用数字软启动装置。
现对两种方案进行比较，以选择更为合理的方案。
（1）运行性能、可靠性
软起动装置功能主要使风机起动过程平稳，减少起动过程中对机械设备和供电电网产生的冲击，电机达到额定转速时旁路软起动装置，电机在工频下以额定转速运行，通过调节风叶角度满足风量、负压的需要，效率低、功率损耗大，并且调节过程会引起设备振动、摩擦等，加大了设备的维护量，设备使用寿命缩短。
变频调速装置不仅启动曲线比软启动装置好，而且根据矿井风量、负压变化，适时调节电机转速，满足风量、负压的需求，使风机高效运行，节电显著、经济效益突出。并且调速过程平稳，避免了对机械设备的冲击，不仅延长设备的使用寿命，也大大提高了设备的可靠性。变频调速装置在国内各行业有广泛应用，在煤矿主扇也有很多应用实例，如阳泉、宁夏煤业集团、开滦、神华大柳塔等，并取得很好的经济效益。据报导节能效果均在30%-50%之间。
（2）节能
风机负载具有以下特点：即风量与转速的1次方成正比，而功率与转速的3次方成正比，故采用调节电机转速调节风量，当转速减小时，所需功率近似按转速的3次方大幅度下降，通过计算采用变频调速装置调节电机转速比采用调节风叶角度来控制风量和负压节能率高41%。
（3）投资
软起动装置一套投资约150万元人民币，在装置退出运行后由于负载变化电机无功增大，系统需加设无功补偿装置。投资不可收回。
变频调速装置节电显著、经济效益突出，投资可收回。变频调速装置国外进口6kV等级的设备约1250元（人民币）/kW，一套投资3600×1250=450万人民币。
根据已知的通风参数对该中央主扇风机采用变频调速的节能效果进行估算：
通风容易期最大轴功率1440kW，采用变频调速时可将风机的效率调至85%，则风机轴功率为（320×3200）÷1000÷0.85=1204kW，节能1440-1204=236kW，一年节电236×8760=206.74万kWh。每kWh按0.5元算，一年节约电费103.37万元。
通风困难期最大轴功率2066kW，采用变频调速时可将风机的效率调至85%，则风机轴功率为（378×3920）÷1000÷0.85=1473kW，节能2066-1743=323kW，一年节电323×8760=283万kWh。每度按0.5元算，一年节约电费141.5万元。
按静态投资分析法，在通风容易期进口产品一套可收回投资的期限为450÷103.37=4.35（年）。在通风困难期进口产品一套可收回投资的期限为450÷141.5=3.18（年）。
通过比较，推荐采用方案1,即变频调速装置方案。
变频调速装置拖动具体配置设计考虑二种方式：
方式1采用二套变频调速装置与风机一对一配置方式。采用二套变频调速装置与两台风机的拖动装置配置完全一致，相互间没有任何联系。优点是系统结构简单、投资省、占地面积小，控制保护、运行管理方便，故障率低，其缺点是在极端情况下（即一风机或电机检修，而另一套变频调速装置事故），系统不能正常运行。
方式2采用二套变频调速装置均一拖二方式 ，互为备用。优点是能满足极端情况下（即一风机或电机检修，而另一套变频调速装置事故）保证系统能够正常运行。缺点是增加一套投切装置，系统结构复杂、投资高，同时控制保护系统、运行管理复杂。
本着安全、可靠的设计原则，经综合分析推荐方式2，即采用二套变频调速装置均一拖二方式 。
变频调速装置的采用使风机运行工况始终保持在高效区，节电效果显著，运行可靠安全，可以为企业带来可观的经济效益。

4 投资估算
该矿中央主扇改造工程建设项目总造价为2663.43万元， 其中：土建工程费 59.75万元，设备及工器具购置费1932.85万元，安装工程费320.85万元，其他费用248.84万元，预备费101.14万元。
1）投资范围
估算投资范围为设计规定的土建工程、设备及工器具购置费、安装工程和工程建设其他费用的投资及预备费。
2）编制依据
执行原国家煤炭工业局煤规字[2000]第48号文颁发的《关于发布煤炭建设各类定额、指标、取费标准及造价编制与管理办法的通知》。
3）定额指标
（1）土建工程
执行原国家煤炭工业局煤规字[2000]第48号文颁发的《煤炭建设地面建筑工程概算指标（99统一基价）》。
（2）机电安装工程
执行原国家煤炭工业局煤规字[2000]第48号文颁发的《煤炭建设机电安装工程概算指标（99统一基价）》。
（3）工程建设其他费用
执行原国家煤炭工业局煤规字[2000]第48号文颁发的《关于发布煤炭建设各类定额、指标、取费标准及造价编制与管理办法的通知》。
4）工资单价、材料预算价格、设备价格及价差调整
主要设备采用询价，其他设备按照《煤炭工业常用设备价格汇编》估价。主要材料采用《2005年矿区主要材料实际价格》和《煤炭工业安装工程定额外材料预算价格》（2000版），材料运杂费：安装工程定额外材料按材料原价的8%计算。价差调整采用煤邯价字〔2005〕19号《关于对晋城煤业集团赵庄矿井建筑安装工程概算综合调整系数的批复》。
5）费用标准
执行原国家煤炭工业局煤规字[2000]第48号文颁发的《关于发布煤炭建设各类定额、指标、取费标准及造价编制与管理办法的通知》。
6）预备费
（1）基本预备费
依据原国家煤炭工业局煤规字[2000]第48号文规定，基本预备费按4%计取。
（2）工程造价调整预备费
根据国家计委计投资[1999]1340号文，投资价格指数按零计算的规定，工程造价调整预备费不计取。
7）资金来源
全部资金按自有资金考虑，不考虑贷款。
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