1、隧道通風風機變頻控制節能技術1 前言1.1 風機變頻技術概況隧道施工一般為多作業面、多工序交替作業。施工中，由于鉆孔、爆破、裝碴、噴射混凝土等工序，以及內燃機械的廢氣排放等會產生大量的有害氣體、粉塵,并導致氣溫升高。施工中必須向洞內供給新鮮空氣，以改善隧道施工作業環境,保障施工作業人員的身體健康和施工裝備正常運轉，實現安全生產。隧道通風方案,通常按照掘進通風中最大新鮮空氣需求量選擇風機,然而在掘進工作面較短的情況下,掘進通風機仍以較大功率運行,造成了極大的能源浪費。現有隧道施工用軸流式通風機，少數采用了變頻控制技術，當需要對風機供風量進行調整時，必須在變頻控制柜面板上對外接電源頻率進行手動操作

2、（即“本地操作”），如果通風機和控制柜安裝在距離隧道口一定距離處，工序轉換時需要改變風量甚至停止風機時，由于交通等方面的原因，通風機可能一直在滿負荷狀態下工作，變頻功能得不到有效應用；另外，上述手動操作對象（頻率值）為連續按鍵設置，而不是一鍵操作，不利于值班人員的快速選用。根據石林隧道進口端通風機進洞運行的要求，通過對通風機變頻器自動控制和遠程控制技術的研究,使隧道通風機因采用變頻技術而獲得了顯著的節能效果,具有良好的經濟效益和廣泛的應用前景。1.2風機變頻節能的基本原理通風機的輸出風量由其轉速決定，而通風機是由電動機驅動的，即電動機的轉速決定了風機的輸出風量。因此通過改變電動機的轉速就可以實

3、現對風機輸出風量的調節。由電機理論可知, 交流異步電動機的轉速與電源頻率成正比，與電動機極對數成反比，由下式確定： 式中：n 異步電動機的轉速；f 電動機的電源頻率；s 電動機轉差率；p 電動機磁極對數。由上式可以看出，通過調節電動機交流電源頻率（f），可以實現對電動機轉速（n）的調節。采用電動機變頻調速技術，并采用恰當的控制方式，就可以方便地實現根據不同工況所要風量而改變風機輸出風量，從而達到節約能源的目的。2.隧道通風變頻控制技術的主要特點1）石林隧道進口通風機變頻控制技術采用本地（變頻器控制柜）操作和遠程操作，遠程操作控制器安裝在隧道進口值班室內，使操作調節更方便。2）以作業面風速傳感器

4、采集的風速為反饋信號，與控制器（觸摸屏）上設定的風速進行比較，從而實現對風機風速的自動控制。3）在確認通風機電源頻率為50Hz，而電機非全功率運行時，可以設置電源頻率在一個比較合理的頻率范圍（如3040Hz）內長期工作，以取得良好的節能效果。4）電機啟動可以實現軟啟動，避免了工頻啟動對電網和電機的沖擊，有效降低電機和機械部分的工作強度，延長設備使用壽命和檢修周期。5）具有多種安全的保護功能，故障率低。6）可在原有通風機控制柜基礎上進行老舊設備改造。3.適用范圍該通風機變頻控制技術適用于隧道、巷道掘進過程中的通風機節能控制。4.主要引用標準鐵路隧道施工技術指南（TZ204-2008）、變頻電機用

5、G系列冷卻風機技術規范（GB/T 22712-2008）、風機泵類負載變頻調速節電傳動系統及其應用技術條件(GBT21056-2007)、一般用途軸流通風機技術條件（JBT105622006）、壓縮機、風機、泵安裝工程施工及驗收規范（GB50275-98）、公路隧道施工技術規范（JTG F60-2009）。5.風機變頻工作系統布置方法隧道通風風機變頻工作系統布置形式如圖1。隧道通風風機變頻工作系統，包括控制系統和通風系統（軸流式通風機風管）兩部分。其中，控制系統主要由變頻控制柜、風速傳感器、傳感器測控箱、觸摸屏控制臺等構成。1）變頻控制柜與通風機連接，控制柜在通風機附近擇址安裝，并適當支墊（圖

6、2）。安裝在隧道內部時，要求安裝位置不能在凹坑或狹窄區域內，且上方不漏水、無危石掉落、空氣流動、粉塵可控。圖1風機變頻工作系統布置示意圖2）風速傳感器和傳感器測控箱安裝在開挖面附近。風速傳感器宜安裝在通風管出口端1m范圍內，可利用風管的懸掛錨桿或鐵線對傳感器進行固定（圖3），傳感器采集口宜靠近通風管中部，以獲得較為穩定的供風流動速度。測控箱與傳感器之間有約90m電纜線固定相連，測控箱可懸掛在隧道邊墻一側，距離掌子面以爆破飛石不會損壞箱體為準。3）觸摸屏控制臺安裝在隧道口值班室內，配置專業技術人員作為管理員，值班室值班人員進行操作管理。 圖2變頻控制柜在隧道內安裝 圖3傳感器在峒頂被固定6.變頻

7、控制操作要點6.1啟動前的檢查1）檢查確認所有主回路端子與導線冷壓端子必須牢固連接，確認變頻控制柜中的刀閘處于變頻器輸出側位置。2）確認系統輸入電壓符合系統要求。3）在變頻控制柜中對主斷路器進行合閘操作。4）在變頻控制柜中合上控制電源總開關QF1，柜內散熱風機開關QF2，PLC電源開關QF3，柜內照明電源開關QF4，柜內檢修電源插座開關QF5，變頻器電源合閘開關QF6。6.2啟動和運行1）本地操作運行模式（1）在變頻控制柜上把本地/遠程操作旋鈕旋轉到“本地位置”，把“手動/自動”操作旋鈕旋轉到手動位置，此時通風系統處于“本地操作+手動控制”運行模式，在遠程觸摸屏上只能對系統的運行狀態進行監視。

8、變頻控制柜操控面板結構圖如圖3。（2）按下變頻控制柜上的 “電源合閘”按鈕，變頻控制柜中交流接觸器動作，“系統備妥”指示燈亮，變頻器送電成功。等待3-5s后變頻控制柜柜門上的變頻器“操作面板”點亮并出現閃爍，此時可以進行通風系統風機啟動操作。按下“本地啟動”按鈕可以啟動風機，風機啟動后“變頻運行”指示燈亮，按下“本地停止”按鈕可以停止風機，“變頻運行”指示燈熄滅。在系統風機停止的情況下按下“電源分閘”按鈕可以斷開變頻控制柜電源，電源分閘后“系統備妥”指示燈熄滅。（3）當系統處于本地操作控制狀態時，系統運行頻率（即通風系統的風速）由變頻控制柜柜門上的“本地調速”電位器給定。圖3 變頻控制柜操控面

9、板結構示意圖2）觸摸屏操作合上觸摸屏操控柜內的電源開關，開機后觸摸屏會進入登錄界面。輕觸用戶名一欄后面的符號，可以選擇登錄用戶Admin（具有系統操作管理權限）或者Guest（僅有監視查看權限）。選擇好登錄用戶之后，輸入登錄密碼，點擊確定（圖4）。登錄后，進入通風系統設備監控主畫面（圖5）。圖4觸摸屏會進入登錄界面圖5 通風系統設備監控主畫面在設備監測畫面可以對通風系統進行數據實時監測和遠程控制操作。點擊設備監測畫面下方參數設置、報警查看、風機曲線、退出登錄按鈕，可以分別進入系統運行參數設置畫面、報警事件查看畫面、風機運行曲線查看畫面和返回登陸界面。（1）系統運行參數設置對系統進行操作前，必須

10、先進入參數設置界面（圖6）設置正確的系統運行參數，通風系統才可以正常運行。參數設定由專業技術人員完成，其他人員不得隨意改變參數。一級風速四級風速，可根據作業面空氣情況設定不同的風速值，需要施工現場工程技術人員與隧道作業人員根據實際通風效果總結確定，隨著隧道掘進深度的推進，這些風速值還需要改變。設定這些風速值后，當系統處于遠程自動運行模式時，操作人員可在風機系統設備監測畫面中點選一級風速、二級風速、三級風速、四級風速中的某一級，系統就會按照設定好的風速進行運轉。圖6 通風系統運行參數設置界面（2）報警查看圖6 報警查看界面在報警查看界面里可以查看到系統運行過程中產生的報警記錄。當系統產生故障報警

11、，解除故障之后，可以在報警界面中對報警信號進行報警復位。3）風機運行曲線在風機運行曲線查看界面可以查看風機連續工作一段時間內的運行頻率與運行電流的變化情況。圖7 一段時間內風機運行頻率、電流變化情況監測3）遠程操作運行模式一（遠程操做+手動控制）（1）在變頻控制柜上把本地/遠程操作旋鈕旋轉到遠程位置，把手動/自動操作旋鈕旋轉到手動位置。此時通風系統處于“遠程操做+手動控制”運行模式，系統的運行將由遠程觸摸屏進行操控。（2）在變頻器未上電時，在設備監控畫面中，變頻控制柜圖像上顯示為：變頻器未上電，點擊此位置會在柜體圖畫下方出現變頻上電 變頻斷電兩個按鈕，點擊變頻上電按鈕，變頻柜內接觸器動作，變頻

12、器未上電變化為變頻器已上電，此時變頻器送電成功。點擊設備監控畫面右上角手動調速下方數據顯示位置，可以彈出頻率輸入對話框，即可輸入需要的運行頻率之后點擊確定。此時點擊設備監控畫面右下角風機啟動按鈕，通風系統就會按照設定的頻率進行運轉。點擊按鈕風機停止即可停止風機，在風機停止狀態下，點擊變頻斷電按鈕可以對變頻器切斷供電。（3）在運行過程中，運行頻率和電機電流會顯示在設備監控畫面中變頻控制柜圖像上，風速儀圖像位置可以顯示出系統當前風速。在“遠程操作+手動控制”運行模式下，系統僅僅以手動設定的頻率運轉，一級四級風速按鈕無效。強制通風時間作用無效。4）遠程操作運行模式二（遠程操做+自動控制）（1）在變頻

13、控制柜上把本地/遠程操作旋鈕旋轉到遠程位置，把手動/自動操作旋鈕旋轉到自動位置。此時通風系統處于“遠程操做+自動控制”運行模式，系統的運行將由遠程觸摸屏進行操控。（2）在變頻器未上電時，在設備監控畫面中，變頻控制柜圖像上顯示為：變頻器未上電，點擊此位置會在柜體圖畫下方出現變頻上電 變頻斷電兩個按鈕，點擊變頻上電按鈕，變頻柜內接觸器動作，變頻器未上電變化為變頻器已上電，此時變頻器送電成功。點擊一級風速 二級風速 三級風速 四級風速可分別選擇需要的風速等級，選定后設備監控畫面右上角自動運行下方會顯示當前選擇的風速等級及風速預設值。此時點擊設備監控畫面右下角風機啟動按鈕，通風系統就會按照參數設置畫面

14、中設定風速等級對應的風速值自動進行閉環調節，使輸出的風速在系統控制下逐漸達到設定的風速。點擊按鈕風機停止即可停止風機，在風機停止狀態下，點擊變頻斷電按鈕可以對變頻器切斷供電。（3）在運行過程中，運行頻率和電機電流會顯示在設備監控畫面中變頻控制柜圖像上，風速儀圖像位置可以顯示出系統當前風速。在“遠程操作+自動控制”運行模式下，系統啟動后，系統先在強制通風時間內運行，當強制通風時間結束后，系統以自動設定的風速等級閉環運行。7 勞動力組織變頻節能風機操作由洞口值班室值班員負責, 以保證通風系統按照變頻設定的風速或頻率要求正常運轉。配置人員23人。8 主要機具設備系統主要配置包括：森蘭變頻器；西門子S

15、7200 PLC；研華模擬量轉化模塊（ADAM-4117）；研華RS485光通訊模塊（ADAM-4541）；昆侖通態觸摸屏； 光電轉換器；多模光纖等。9 操作控制安全措施9.1主要安全風險1）變頻控制柜與通風機之間電源接線錯誤。2）電工安裝或檢查電路時意外觸電。9.2保證措施1）設備管理人員和電工必須了解變頻控制柜和通風機之間的電源接線要求，并仔細研究通風機接線盒內接線端子的布置形式，避免搭接錯誤或接線錯誤。2）風機變頻控制系統無論處于本地狀態或者遠程狀態，都可以在本地及遠程進行電源合閘及電源分閘操作。因此，必須對風機變頻系統相關作業人員進行技術培訓，讓他們了解這一系統特性，并能正確應用。3）

16、加強安全用電教育，非專業電工，禁止私拉亂接電力電源。10 應用實例10.1 工程簡介云桂鐵路石林隧道全長18208m，為云桂線最長隧道、全國最長單洞雙線隧道、世界最長鉆爆法施工的巖溶隧道。該隧道設置“一平導+兩斜井”的輔助坑道模式。主要地質風險為巖溶，為級風險隧道。石林隧道進口分正洞、平導兩個工作面分別施工。第一階段通風方式為長管路壓入式，第二階段充分利用平導和正洞的進度差，通風方式為巷道式通風。文中描述的風機變頻控制系統已成功安裝在石林隧道進口，用于控制平導255kW通風機。10.2 風機變頻使用效果1）使用效果（1）故障率大為降低，維護工作量大為減少。（2）運行穩定、可靠，操作簡單靈活，因而節能效果明顯。2）經濟效益分析（1）直接經濟效益表1 現場記錄表序號電源頻率Hz電機電流A1501422409533064 表1為現場從“通風系統設備監控主畫面”上記錄的數據，當電源頻率為50Hz時，通風機電機的實時電流為142A；當電源頻率降低為40Hz時，電機實時電流為95A；當電源頻率為30Hz時，通風機電機實時電流為64A。假定電源電壓維持380V不變，以50Hz為測定時段的基準功率，根據電學功率公式P=IV可知：電源頻率為40Hz時，風機節電率為33.1%；電源頻率為30Hz時，風機節電率為54.9%。