1、1隧道通风风机变频控制节能技术1 前言1.1 风机变频技术概况隧道施工一般为多作业面、多工序交替作业。施工中，由于钻孔、爆破、装碴、喷射混凝土等工序，以及内燃机械的废气排放等会产生大量的有害气体、粉尘,并导致气温升高。施工中必须向洞内供给新鲜空气，以改善隧道施工作业环境,保障施工作业人员的身体健康和施工装备正常运转，实现安全生产。隧道通风方案,通常按照掘进通风中最大新鲜空气需求量选择风机,然而在掘进工作面较短的情况下,掘进通风机仍以较大功率运行 ,造成了极大的能源浪费。现有隧道施工用轴流式通风机，少数采用了变频控制技术，当需要对风机供风量进行调整时，必须在变频控制柜面板上对外接电源频率进行手动
2、操作（即“本地操作”），如果通风机和控制柜安装在距离隧道口一定距离处，工序转换时需要改变风量甚至停止风机时，由于交通等方面的原因，通风机可能一直在满负荷状态下工作，变频功能得不到正确使用；另外，上述手动操作对象（频率值）为连续按键设置，而不是一键操作，不利于值班人员的快速选用。根据石林隧道进口端通风机进洞运行的要求，通过对通风机变频器自动控制和远程控制技术的研究,使隧道通风机因采用变频技术而获得了显著的节能效果,具有良好的经济效益和广泛的应用前景。1.2风机变频节能的基本原理通风机的输出风量由其转速决定，而通风机是由电动机驱动的，即电动机的转速决定了风机的输出风量。因此通过改变电动机的转速就可
3、以实现对风机输出风量的调节。由电机理论可知, 交流异步电动机的转速与电源频率成正比，与电动机极对数成反比，由下式确定： psfn160式中： n 异步电动机的转速；f 电动机的电源频率；2s 电动机转差率；p 电动机磁极对数。由上式可以看出，通过调节电动机交流电源频率（ f） ，可以实现对电动机转速（ n）的调节。采用电动机变频调速技术，并采用恰当的控制方式，就可以方便地实现根据不同工况所要风量而改变风机输出风量，从而达到节约能源的目的。2.隧道通风变频控制技术的主要特点1）石林隧道进口通风机变频控制技术采用本地（变频器控制柜）操作和远程操作，远程操作控制器安装在隧道进口值班室内，使操作调节更
4、方便。2）以作业面风速传感器采集的风速为反馈信号，与控制器（触摸屏）上设定的风速进行比较，从而实现对风机风速的自动控制。3）在确认通风机电源频率为 50Hz，而电机非全功率运行时，可以设置电源频率在一个比较合理的频率范围（如 3040Hz）内长期工作，以取得良好的节能效果。4）电机启动可以实现软启动，避免了工频启动对电网和电机的冲击，有效降低电机和机械部分的工作强度，延长设备使用寿命和检修周期。5）具有多种安全的保护功能，故障率低。6）可在原有通风机控制柜基础上进行老旧设备改造。3.适用范围该通风机变频控制技术适用于隧道、巷道掘进过程中的通风机节能控制。4.主要引用标准铁路隧道施工技术指南（T
5、Z204-2008）、变频电机用 G 系列冷却风机技术规范（GB/T 22712-2008）、风机泵类负载变频调速节电传动系统及其应用技术条件(GBT21056-2007)、一般用途轴流通风机技术条件（JBT105622006）、压缩机、风机、泵安装工程施工及验收规范（GB50275-98）、公路隧道施工技术规范（JTG F60-2009）。5.风机变频工作系统布置方法隧道通风风机变频工作系统布置形式如图 1。隧道通风风机变频工作系统，包括控制系统和通风系统（轴流式通风机风管）两部分。其中，控制系统主要由变频控制柜、风速传感器、传感器测控箱、触摸屏控制台等构成。31）变频控制柜与通风机连接，控
6、制柜在通风机附近择址安装，并适当支垫（图 2）。安装在隧道内部时，要求安装位置不能在凹坑或狭窄区域内，且上方不漏水、无危石掉落、空气流动、粉尘可控。 触 摸 屏控 制 台 变 频控 制 柜 传 感 器测 控 箱风 速 传 感 器通 风 机图 1 风机变频工作系统布置示意图2）风速传感器和传感器测控箱安装在开挖面附近。风速传感器宜安装在通风管出口端 1m 范围内，可利用风管的悬挂锚杆或铁线对传感器进行固定（图 3），传感器采集口宜靠近通风管中部，以获得较为稳定的供风流动速度。测控箱与传感器之间有约 90m 电缆线固定相连，测控箱可悬挂在隧道边墙一侧，距离掌子面以爆破飞石不会损坏箱体为准。3）触摸
7、屏控制台安装在隧道口值班室内，配置专业技术人员作为管理员，值班室值班人员进行操作管理。图 2 变频控制柜在隧道内安装 图 3 传感器在峒顶被固定6.变频控制操作要点6.1启动前的检查1）检查确认所有主回路端子与导线冷压端子必须牢固连接，确认变频控制柜4中的刀闸处于变频器输出侧位置。2）确认系统输入电压符合系统要求。3）在变频控制柜中对主断路器进行合闸操作。4）在变频控制柜中合上控制电源总开关 QF1，柜内散热风机开关 QF2，PLC 电源开关 QF3，柜内照明电源开关 QF4，柜内检修电源插座开关 QF5，变频器电源合闸开关 QF6。6.2启动和运行1）本地操作运行模式（1）在变频控制柜上把本
8、地/远程操作旋钮旋转到“本地位置” ，把“手动/自动”操作旋钮旋转到手动位置，此时通风系统处于“本地操作+手动控制”运行模式，在远程触摸屏上只能对系统的运行状态进行监视。变频控制柜操控面板结构图如图 3。（2）按下变频控制柜上的 “电源合闸”按钮，变频控制柜中交流接触器动作， “系统备妥”指示灯亮，变频器送电成功。等待 3-5s 后变频控制柜柜门上的变频器“操作面板”点亮并出现闪烁，此时可以进行通风系统风机启动操作。按下“本地启动”按钮可以启动风机，风机启动后“变频运行”指示灯亮，按下“本地停止”按钮可以停止风机， “变频运行”指示灯熄灭。在系统风机停止的情况下按下“电源分闸”按钮可以断开变频
9、控制柜电源，电源分闸后“系统备妥”指示灯熄灭。（3）当系统处于本地操作控制状态时，系统运行频率（即通风系统的风速）由变频控制柜柜门上的“本地调速”电位器给定。5A本 地 /远 程 V控 制 电 源 系 统 备 妥 变 频 故 障 变 频 运 行 通 信 报 警手 动 自 动 报 警 系 统 电 源 合 闸 电 源 分 闸 本 地 启 动 本 地 停 止操 作 面 板本 地 调 速图 3 变频控制柜操控面板结构示意图2）触摸屏操作合上触摸屏操控柜内的电源开关，开机后触摸屏会进入登录界面。轻触用户名一栏后面的符号，可以选择登录用户 Admin（具有系统操作管理权限）或者 Guest（仅有监视查看权
10、限） 。选择好登录用户之后，输入登录密码，点击确定（图 4） 。登录后，进入通风系统设备监控主画面（图 5） 。图 4 触摸屏会进入登录界面6图 5 通风系统设备监控主画面在设备监测画面可以对通风系统进行数据实时监测和远程控制操作。点击设备监测画面下方 参数设置 、 报警查看 、 风机曲线 、 退出登录 按钮，可以分别进入系统运行参数设置画面、报警事件查看画面、风机运行曲线查看画面和返回登陆界面。（1）系统运行参数设置对系统进行操作前，必须先进入 参数设置 界面（图 6）设置正确的系统运行参数，通风系统才可以正常运行。参数设定由专业技术人员完成，其他人员不得随意改变参数。一级风速四级风速，可根
11、据作业面空气情况设定不同的风速值，需要施工现场工程技术人员与隧道作业人员根据实际通风效果总结确定，随着隧道掘进深度的推进，这些风速值还需要改变。设定这些风速值后，当系统处于远程自动运行模式时，操作人员可在风机系统设备监测画面中点选一级风速、二级风速、三级风速、四级风速中的某一级，系统就会按照设定好的风速进行运转。7图 6 通风系统运行参数设置界面（2）报警查看图 6 报警查看界面在报警查看界面里可以查看到系统运行过程中产生的报警记录。当系统产生故障报警，解除故障之后，可以在报警界面中对报警信号进行 报警复位 。3）风机运行曲线在风机运行曲线查看界面可以查看风机连续工作一段时间内的运行频率与运行
12、电流的变化情况。8图 7 一段时间内风机运行频率、电流变化情况监测3）远程操作运行模式一（远程操做+手动控制）（1）在变频控制柜上把 本地/远程 操作旋钮旋转到远程位置，把 手动/自动 操作旋钮旋转到手动位置。此时通风系统处于“远程操做+手动控制”运行模式，系统的运行将由远程触摸屏进行操控。（2）在变频器未上电时，在 设备监控 画面中，变频控制柜图像上显示为： 变频器未上电 ，点击此位置会在柜体图画下方出现 变频上电 变频断电 两个按钮，点击 变频上电 按钮，变频柜内接触器动作， 变频器未上电 变化为 变频器已上电 ，此时变频器送电成功。点击 设备监控 画面右上角 手动调速 下方数据显示位置，
13、可以弹出频率输入对话框，即可输入需要的运行频率之后点击 确定 。此时点击 设备监控 画面右下角 风机启动 按钮，通风系统就会按照设定的频率进行运转。点击按钮风机停止 即可停止风机，在风机停止状态下，点击 变频断电 按钮可以对变频器切断供电。（3）在运行过程中，运行频率和电机电流会显示在 设备监控 画面中变频控制柜图像上，风速仪图像位置可以显示出系统当前风速。在“远程操作+手动控制”运行模式下，系统仅仅以手动设定的频率运转，一级四级风速按钮无效。强制通风时间作用无效。4）远程操作运行模式二（远程操做+自动控制）9（1）在变频控制柜上把 本地/远程 操作旋钮旋转到远程位置，把 手动/自动 操作旋钮
14、旋转到自动位置。此时通风系统处于“远程操做+自动控制”运行模式，系统的运行将由远程触摸屏进行操控。（2）在变频器未上电时，在 设备监控 画面中，变频控制柜图像上显示为： 变频器未上电 ，点击此位置会在柜体图画下方出现 变频上电 变频断电 两个按钮，点击 变频上电 按钮，变频柜内接触器动作， 变频器未上电 变化为 变频器已上电 ，此时变频器送电成功。点击 一级风速 二级风速 三级风速 四级风速 可分别选择需要的风速等级，选定后 设备监控 画面右上角 自动运行 下方会显示当前选择的风速等级及风速预设值。此时点击 设备监控 画面右下角 风机启动 按钮，通风系统就会按照 参数设置 画面中设定风速等级对
15、应的风速值自动进行闭环调节，使输出的风速在系统控制下逐渐达到设定的风速。点击按钮 风机停止 即可停止风机，在风机停止状态下，点击 变频断电 按钮可以对变频器切断供电。（3）在运行过程中，运行频率和电机电流会显示在 设备监控 画面中变频控制柜图像上，风速仪图像位置可以显示出系统当前风速。在“远程操作+手动控制”运行模式下，系统启动后，系统先在强制通风时间内运行，当强制通风时间结束后，系统以自动设定的风速等级闭环运行。7 劳动力组织变频节能风机操作由洞口值班室值班员负责, 以保证通风系统按照变频设定的风速或频率要求正常运转。配置人员 23 人。8 主要机具设备系统主要配置包括：森兰变频器；西门子
16、S7200 PLC；研华模拟量转化模块（ADAM-4117）；研华 RS485 光通讯模块（ADAM-4541）；昆仑通态触摸屏； 光电转换器；多模光纤等。9 操作控制安全措施9.1主要安全风险1）变频控制柜与通风机之间电源接线错误。102）电工安装或检查电路时意外触电。9.2保证措施1）设备管理人员和电工必须了解变频控制柜和通风机之间的电源接线要求，并仔细研究通风机接线盒内接线端子的布置形式，避免搭接错误或接线错误。2）风机变频控制系统无论处于本地状态或者远程状态，都可以在本地及远程进行电源合闸及电源分闸操作。因此，必须对风机变频系统相关作业人员进行技术培训，让他们了解这一系统特性，并能正确
17、应用。3）加强安全用电教育，非专业电工，禁止私拉乱接电力电源。10 应用实例10.1 工程简介云桂铁路石林隧道全长18208m，为云桂线最长隧道、全国最长单洞双线隧道、世界最长钻爆法施工的岩溶隧道。该隧道设置“一平导+两斜井”的辅助坑道模式。主要地质风险为岩溶，为级风险隧道。石林隧道进口分正洞、平导两个工作面分别施工。第一阶段通风方式为长管路压入式，第二阶段充分利用平导和正洞的进度差，通风方式为巷道式通风。文中描述的风机变频控制系统已成功安装在石林隧道进口，用于控制平导255kW通风机。10.2 风机变频使用效果1）使用效果（1）故障率大为降低，维护工作量大为减少。（2）运行稳定、可靠，操作简单灵活，因而节能效果明显。2）经济效益分析（1）直接经济效益表 1 现场记录表序号 电源频率 Hz 电机电流 A1 50 1422 40 953 30 64表 1 为现场从“通风系统设备监控主画面”上记录的数据，当电源频率为50Hz 时，通风机电机的实时电流为 142A；当电源频率降低为 40Hz 时，电机实时电流为 95A；当电源频率为 30Hz 时，通风机电机实时电流为 64A。假定电源电压
