高海拔礦井通風(fēng)機(jī)的合理選型與優(yōu)化設(shè)計(jì)

王洪粱， 辛 嵩， 韓永輝

(1.黑龍江科技大學(xué) 安全工程學(xué)院，哈爾濱 150022;2.山東科技大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院，山東 青島 266590)

我國(guó)西部的青藏高原資源極為豐富，對(duì)我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展起到重要的推動(dòng)作用。高海拔地區(qū)能源開發(fā)利用存在的主要障礙是高原降效問題，而產(chǎn)生高原降效的主要原因是，高海拔地區(qū)氣壓低、空氣密度小等惡劣的氣候條件。礦山開采離不開通風(fēng)機(jī)，然而，由于高原地區(qū)空氣密度較低，導(dǎo)致風(fēng)機(jī)的性能指標(biāo)遠(yuǎn)低于風(fēng)機(jī)出廠時(shí)的性能標(biāo)準(zhǔn)，這就是風(fēng)機(jī)的降效問題。高原礦井通風(fēng)機(jī)性能分析是高海拔礦井通風(fēng)機(jī)選型的基礎(chǔ)，也是關(guān)系到高海拔地區(qū)礦山資源開采能否實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵因素。筆者從通風(fēng)機(jī)動(dòng)力學(xué)原理入手，分析空氣對(duì)礦用風(fēng)機(jī)性能及礦井風(fēng)阻特性的影響，并提出高海拔礦井風(fēng)機(jī)合理選型及優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，為高原低氣壓地區(qū)的礦井開采提供了技術(shù)參考。

1 風(fēng)機(jī)性能與礦井風(fēng)阻特性

1.1 高海拔對(duì)礦用風(fēng)機(jī)性能的影響

風(fēng)機(jī)出廠的性能曲線是以標(biāo)準(zhǔn)空氣狀態(tài)為條件設(shè)計(jì)的，所以風(fēng)機(jī)制造公司所給出的性能曲線也是風(fēng)機(jī)在標(biāo)準(zhǔn)狀況下的運(yùn)行曲線。平原地區(qū)的礦井所在地空氣密度與標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)相差不大，主要通風(fēng)機(jī)可以根據(jù)出廠曲線進(jìn)行選擇，而高海拔地區(qū)空氣密度與標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下空氣密度相差較大，青藏高原等高海拔地區(qū)空氣密度約為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的60%?？諝饷芏茸兓瘜?duì)礦井主要通風(fēng)機(jī)的壓力、流量、實(shí)際性能、配套電機(jī)四方面均產(chǎn)生影響。

1.1.1 風(fēng)機(jī)壓力

同一臺(tái)風(fēng)機(jī)在不同的海拔高度運(yùn)行時(shí)，屬于相似風(fēng)機(jī)。根據(jù)風(fēng)機(jī)相似原理，在風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、葉輪直徑不變的狀態(tài)下，風(fēng)機(jī)壓力與空氣密度成正比:

式中:p1、p2——兩臺(tái)相似風(fēng)機(jī)的工作壓力，Pa;

D1、D2——兩臺(tái)相似風(fēng)機(jī)的葉輪外緣直徑，m;

n1、n2——兩臺(tái)相似風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，r/min;

ρ1、ρ2——兩臺(tái)相似風(fēng)機(jī)工作地空氣密度，kg/m3;

從式(1)可以看出，風(fēng)機(jī)在轉(zhuǎn)速一定的條件下，在青藏高原等高海拔地區(qū)產(chǎn)生的風(fēng)機(jī)壓力約為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的0.6倍。

1.1.2 風(fēng)機(jī)流量

根據(jù)相似定律，相似風(fēng)機(jī)的體積流量與葉輪直徑和轉(zhuǎn)速成正比。當(dāng)同一臺(tái)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速一定時(shí)，其體積流量不變，如式(2)所示。在高海拔礦井雖然風(fēng)機(jī)的體積流量不發(fā)生改變，但是由于空氣密度較小，導(dǎo)致風(fēng)機(jī)質(zhì)量流量大幅減少，通過式(3)可以看出，同一臺(tái)風(fēng)機(jī)，轉(zhuǎn)速一定的條件下，在青藏高原等高海拔地區(qū)的質(zhì)量流量約為其標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的0.6倍，即單位時(shí)間給礦井輸送的氧氣質(zhì)量減少，為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的0.6倍。供氧量減少將給礦井生產(chǎn)造成較大影響。

相關(guān)計(jì)算式為:

式中:qV1、qV2——兩臺(tái)相似風(fēng)機(jī)的工作流量，m3/s;ˉQ1、ˉQ2——兩臺(tái)相似風(fēng)機(jī)流量系數(shù)。

式中:qm——風(fēng)機(jī)的質(zhì)量流量，kg/s;

qV——風(fēng)機(jī)的體積流量，m3/s。

1.1.3 風(fēng)機(jī)實(shí)際性能曲線

根據(jù)相似風(fēng)機(jī)的基本原理，風(fēng)機(jī)在高海拔地區(qū)運(yùn)行時(shí)風(fēng)壓會(huì)發(fā)生不同程度的降低，而體積流量不變。根據(jù)式(1)和式(2)可以推算風(fēng)機(jī)在高海拔礦井運(yùn)行時(shí)的性能曲線，如圖1所示，Ⅰ曲線為標(biāo)準(zhǔn)狀況下風(fēng)機(jī)壓力風(fēng)量曲線，Ⅱ曲線為風(fēng)機(jī)在高海拔礦井運(yùn)行時(shí)的實(shí)際壓力風(fēng)量曲線。

圖1 高海拔礦井風(fēng)機(jī)實(shí)際特性曲線Fig.1 Actual characteristic curves of main ventilator in high altitude mine

1.1.4 風(fēng)機(jī)配套電機(jī)

主要通風(fēng)機(jī)的配套電機(jī)作為礦井通風(fēng)動(dòng)力的來(lái)源，在高海拔地區(qū)惡劣的氣候條件下，其工作效率也會(huì)相應(yīng)地下降，給通風(fēng)機(jī)的正常工作帶來(lái)較大影響。

高海拔地區(qū)惡劣的氣候環(huán)境給風(fēng)機(jī)配套電機(jī)造成的影響主要有以下幾個(gè)方面:

(1)高海拔地區(qū)空氣密度小，造成電機(jī)散熱效率下降，溫升較大，輸出功率降低。

(2)電機(jī)在使用時(shí)容易產(chǎn)生電暈，不但造成能量的損失，還易造成絕緣材料的腐蝕老化。

(3)高海拔地區(qū)直流電機(jī)工作時(shí)換向器磨損更加嚴(yán)重。

1.2 高海拔對(duì)礦井風(fēng)阻特性的影響

礦井的阻力特性表示礦井通風(fēng)阻力及礦井通風(fēng)的難易程度，是礦井主要通風(fēng)機(jī)選型的依據(jù)[1]。礦井風(fēng)阻的計(jì)算公式為

式中:R——高海拔礦井的實(shí)際風(fēng)阻，kg/m7;

R0——高海拔礦井的標(biāo)態(tài)風(fēng)阻，kg/m7;

α——高海拔礦井的摩擦阻力系數(shù)，α=α0·(ρ/1.2);

α0——標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的摩擦阻力系數(shù);

圍繞三聚氰胺奶粉事件這一案例，設(shè)計(jì)了多層級(jí)漸進(jìn)性的探究性課題供學(xué)生小組探究（如圖1所示）。多層級(jí)漸進(jìn)性探究型教學(xué)模式具有5個(gè)特征，分別是“知識(shí)由淺入深”“能力培養(yǎng)由低到高”“主動(dòng)性由弱到強(qiáng)”“探究點(diǎn)的力度逐漸變大”“探究點(diǎn)的難度逐漸增加”，這5個(gè)特征以一種循序漸進(jìn)的方式把學(xué)生引入到探究式學(xué)習(xí)中[5]。

L——巷道長(zhǎng)度，m;

L1——巷道斷面周長(zhǎng)，m;

S——巷道斷面面積，m2。

從式(4)可以看出，在礦井巷道的特征參數(shù)一定(如巷道長(zhǎng)度、斷面積、形狀、周長(zhǎng)及粗糙度)時(shí)，礦井的風(fēng)阻與礦井內(nèi)的空氣密度成正比[2]，因此，礦井風(fēng)阻應(yīng)根據(jù)礦內(nèi)空氣密度進(jìn)行相應(yīng)校正。

高海拔礦井內(nèi)部空氣密度與標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的空氣密度相差較大，由式(4)可以看出，高海拔地區(qū)由于空氣密度較標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下小，造成礦井摩擦風(fēng)阻減小。如圖2所示，R0曲線為該礦井在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的阻力特性曲線，R曲線為高海拔礦井的實(shí)際特性曲線。

圖2 高海拔礦井阻力實(shí)際特性曲線Fig.2 Actual characteristic curves of resistance in high altitude mine

2 風(fēng)機(jī)選型與優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 礦井風(fēng)機(jī)選型

礦井主要通風(fēng)機(jī)選型的目的是，使所選風(fēng)機(jī)的性能特性與礦井的風(fēng)阻特性相匹配。高海拔礦井風(fēng)機(jī)選型時(shí)，首先繪制預(yù)選風(fēng)機(jī)在高海拔地區(qū)的等效特性曲線(圖3中曲線Ⅱ)和高海拔礦井等效風(fēng)阻特性曲線(圖3中曲線R)。從圖中得到該風(fēng)機(jī)在高海拔礦井條件下的實(shí)際工況點(diǎn)M，若該工況點(diǎn)滿足風(fēng)機(jī)選型要求，則該風(fēng)機(jī)型號(hào)作為可選風(fēng)機(jī)之一。從圖中可以看出，風(fēng)機(jī)在高海拔地區(qū)運(yùn)行的工礦參數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的工況參數(shù)有較大差別，壓力減小，但是體積流量會(huì)增大，而質(zhì)量流量會(huì)減小。因此，必須在高海拔礦井的特定條件下，對(duì)主要通風(fēng)機(jī)的性能和礦井的風(fēng)阻特性進(jìn)行校正，才能選出滿足高海拔礦井的通風(fēng)要求的主要通風(fēng)機(jī)。

圖3 高海拔礦井工況點(diǎn)確定方法Fig.3 Determination method of main ventilator’s operating point in high altitude mine

2.2 優(yōu)化設(shè)計(jì)

為了改善井下的生產(chǎn)條件，提高井下空氣密度，高海拔礦井一般采用壓入式通風(fēng)，在高壓風(fēng)機(jī)的作用下，風(fēng)流的密度增加，井下的工作環(huán)境更加優(yōu)化。在主要風(fēng)機(jī)選型時(shí)，風(fēng)機(jī)的能力約是標(biāo)準(zhǔn)狀況下風(fēng)機(jī)的1.7倍，才能達(dá)到相同的通風(fēng)效果，因此，風(fēng)機(jī)正常工作時(shí)的壓力一般都在5 000 Pa以上才能實(shí)現(xiàn)高海拔礦井的通風(fēng)要求。然而，目前風(fēng)機(jī)廠生產(chǎn)的風(fēng)機(jī)基本不能滿足要求，需要對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

在高海拔地區(qū)實(shí)現(xiàn)礦井的正常通風(fēng)，需要提高主要通風(fēng)機(jī)的壓力，可以通過兩種優(yōu)化設(shè)計(jì)方案來(lái)實(shí)現(xiàn):一是改變主要通風(fēng)機(jī)狀態(tài)參數(shù)(如轉(zhuǎn)速或風(fēng)機(jī)的葉輪直徑)，二是采用主要通風(fēng)機(jī)串聯(lián)運(yùn)行。

2.2.1 方案一

根據(jù)風(fēng)機(jī)的相似定律，改變通風(fēng)機(jī)的狀態(tài)參數(shù)可以提高通風(fēng)機(jī)的壓力，如式(5)所示，相似風(fēng)機(jī)的壓力與風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速的平方、葉輪直徑均成正比，因此，提高風(fēng)機(jī)的壓力可以通過增加風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速或者增大風(fēng)機(jī)的葉輪直徑實(shí)現(xiàn)。軸流式對(duì)旋風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速與配套電機(jī)轉(zhuǎn)速相等，提高電機(jī)轉(zhuǎn)速可同時(shí)提高風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速。提高配套電機(jī)轉(zhuǎn)速有兩個(gè)途徑:一是改變電動(dòng)機(jī)的級(jí)對(duì)數(shù)，二是調(diào)頻電機(jī)改變電流的頻率。

根據(jù)風(fēng)機(jī)相似定律繪制改造設(shè)計(jì)的風(fēng)機(jī)性能曲線，如圖4所示，根據(jù)比例定律由轉(zhuǎn)速為n0的風(fēng)機(jī)性能曲線推出風(fēng)機(jī)提高轉(zhuǎn)速后的性能曲線n1和n2[2]。相似風(fēng)機(jī)的換算公式為

式中:p0——風(fēng)機(jī)增加轉(zhuǎn)速后的壓力，Pa。

對(duì)于電機(jī)來(lái)說(shuō)，級(jí)數(shù)越少，轉(zhuǎn)速越高，在葉輪直徑不變的條件下，級(jí)數(shù)越少，主要通風(fēng)機(jī)的壓力越高。因此，減少電機(jī)的級(jí)數(shù)，可以提高風(fēng)機(jī)的壓力。

由式(5)可知，當(dāng)轉(zhuǎn)速一定時(shí)，葉輪直徑越大，風(fēng)機(jī)的能力越大。因此，增大風(fēng)機(jī)的葉輪直徑可以提高風(fēng)機(jī)的壓力，但是轉(zhuǎn)速一定時(shí)，直徑越大，風(fēng)機(jī)葉片所承受的應(yīng)力也就越大。

為滿足風(fēng)機(jī)在高海拔礦井的需求，需要設(shè)計(jì)高壓風(fēng)機(jī)，在增加風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的同時(shí)增大葉輪直徑以提高風(fēng)機(jī)的壓力。轉(zhuǎn)速和葉輪直徑同時(shí)增加，葉片所承受的應(yīng)力大幅增加，這對(duì)風(fēng)機(jī)葉片的材質(zhì)提出了更高的要求。

圖4 不同轉(zhuǎn)速條件下的風(fēng)機(jī)特性曲線Fig.4 Characteristic curves of main ventilator in different rotational speed

目前，礦井主要通風(fēng)機(jī)葉片一般是由鋁金屬鑄造而成，而鍛造鋁葉片所能承受的最大應(yīng)力可以達(dá)到鑄造鋁的2.5倍，因此，高海拔礦井風(fēng)機(jī)的葉片可以采用鍛造鋁。

2.2.2 方案二

將相同型號(hào)的風(fēng)機(jī)串聯(lián)，用以提高風(fēng)機(jī)的整體壓力。目前，煤礦中應(yīng)用最多的軸流式對(duì)旋風(fēng)機(jī)擁有二級(jí)主機(jī)，通過葉輪的對(duì)旋，可以提高風(fēng)機(jī)的壓力和使用效率。根據(jù)風(fēng)機(jī)聯(lián)合運(yùn)轉(zhuǎn)的機(jī)理，風(fēng)機(jī)串聯(lián)時(shí)，風(fēng)量相等，壓力相加。相同型號(hào)風(fēng)機(jī)串聯(lián)的等效特性曲線如圖5所示。由此，可以通過風(fēng)機(jī)串聯(lián)的方法提高主要通風(fēng)機(jī)的壓力。設(shè)計(jì)高壓風(fēng)機(jī)時(shí)，通過增加風(fēng)機(jī)的級(jí)數(shù)，四臺(tái)主機(jī)兩兩對(duì)旋，理論上可以使風(fēng)機(jī)的壓力提高至原來(lái)的兩倍。

圖5 四級(jí)主機(jī)串聯(lián)后等效特性曲線Fig.5 Equivalent characteristic curves of four host series

相同型號(hào)風(fēng)機(jī)串聯(lián)可以提高等效風(fēng)機(jī)的工況點(diǎn)，由圖5可以看出，風(fēng)機(jī)串聯(lián)后，風(fēng)量和壓力都會(huì)得到提高。但是風(fēng)機(jī)在增加主機(jī)后，通風(fēng)設(shè)備增多，風(fēng)機(jī)的可靠性降低，通風(fēng)的成本增加，而且設(shè)備管理維護(hù)困難。

2.3 應(yīng)用效果

娘姆特煤礦是典型的高原礦井，海拔3 850 m，礦區(qū)的大氣壓力約為63 000 Pa，不及標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的三分之二[3－4]。為了提高井下空氣密度和壓力，娘穆特煤礦采用壓入式通風(fēng)[5]。壓入式通風(fēng)使礦井內(nèi)部空氣的密度增大，單位體積內(nèi)的氧含量增加，從而改善礦井的生產(chǎn)環(huán)境。

經(jīng)計(jì)算，礦井的需風(fēng)量為130 m3/s，礦井的通風(fēng)阻力為5 350 Pa，根據(jù)通風(fēng)機(jī)論證會(huì)專家意見，確定采用風(fēng)機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案一，即在葉片可承受的應(yīng)力條件下，設(shè)計(jì)大直徑高轉(zhuǎn)速的風(fēng)機(jī)。娘姆特煤礦根據(jù)風(fēng)機(jī)廠提供的設(shè)計(jì)方案，選擇了BD－Ⅱ－6－No24(HP型)型號(hào)風(fēng)機(jī)及配套電機(jī)。同時(shí)，考慮企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益，最終選用精密鑄造鋁葉片。變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)在調(diào)節(jié)工況點(diǎn)、散熱等問題上，都有很大的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。該風(fēng)機(jī)在娘穆特煤礦已經(jīng)正式投入使用，改善了井下環(huán)境，實(shí)現(xiàn)了高原煤炭的順利開采。

3 結(jié)束語(yǔ)

筆者從高原氣候特點(diǎn)入手，分析了高海拔氣候?qū)ΦV井風(fēng)機(jī)性能和礦井阻力特性的影響，提出了高海拔風(fēng)機(jī)選型的方法。在娘姆特煤礦的實(shí)際應(yīng)用效果良好，驗(yàn)證了文中提出的高海拔風(fēng)機(jī)選型方法的正確性及經(jīng)過改進(jìn)后的主要通風(fēng)機(jī)應(yīng)用于高海拔礦井的可行性。該研究對(duì)于保證高海拔礦山資源順利開采，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。但是，高性能風(fēng)機(jī)還會(huì)造成高能耗問題，提高了礦山開采的成本，對(duì)資源開采造成不利影響，因此，高性能風(fēng)機(jī)經(jīng)濟(jì)性問題尚待進(jìn)一步研究。

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