礦井自然風(fēng)壓與主扇變頻系統(tǒng)匹配節(jié)能技術(shù)研究

余志劍，彭 濤，彭 斌

（湖南有色冶金勞動(dòng)保護(hù)研究院，湖南 長沙410014）

自然風(fēng)壓廣泛存在于礦井通風(fēng)系統(tǒng)中，在深達(dá)千米并采取機(jī)械通風(fēng)的礦井中，自然通風(fēng)能約占總通風(fēng)能耗的30%；對于一些地處山區(qū)而采用多水平平硐開拓的淺部礦井，甚至采用自然風(fēng)壓通風(fēng)代替主扇風(fēng)機(jī)通風(fēng)，也可達(dá)到一定的通風(fēng)效果［1］。在不同時(shí)節(jié)和不同地表氣候條件下，自然風(fēng)壓值的大小也隨之不同，并且對礦井通風(fēng)系統(tǒng)影響也隨之改變。在日常通風(fēng)管理中，為充分利用自然風(fēng)壓加強(qiáng)礦井通風(fēng)，很多礦山開始采用風(fēng)機(jī)變頻器實(shí)現(xiàn)對風(fēng)機(jī)的控制，調(diào)控風(fēng)機(jī)的通風(fēng)量。因此，分析和掌握自然風(fēng)壓的變化規(guī)律及其對通風(fēng)系統(tǒng)的影響，并利用風(fēng)機(jī)變頻器控制風(fēng)機(jī)有利于合理控制和利用自然風(fēng)壓，對礦井風(fēng)機(jī)選型、礦井通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和優(yōu)化改造等具有十分重要的意義［2］。

1 礦井自然風(fēng)壓

1．1 自然風(fēng)壓產(chǎn)生原理

自然風(fēng)壓的產(chǎn)生主要源于進(jìn)回風(fēng)井的標(biāo)高差異和氣溫差異，導(dǎo)致回風(fēng)井的空氣密度比進(jìn)風(fēng)井的空氣密度小，產(chǎn)生壓差即為自然風(fēng)壓。自然風(fēng)壓大小影響因素主要取決于地表溫度、礦井進(jìn)風(fēng)井與回風(fēng)井筒內(nèi)的溫度、井筒深度等，進(jìn)回風(fēng)井筒溫差和標(biāo)高差愈大，則自然風(fēng)壓愈大。礦井自然風(fēng)壓隨季節(jié)變化而變化，一般，冬季地表氣溫較低時(shí)，自然風(fēng)壓幫助主扇通風(fēng)；當(dāng)夏季氣溫高時(shí)，自然風(fēng)壓不利于主扇通風(fēng)。當(dāng)自然風(fēng)壓有利于通風(fēng)時(shí)，風(fēng)量自然增大；當(dāng)自然風(fēng)壓阻礙礦井通風(fēng)時(shí)，進(jìn)風(fēng)井風(fēng)量減少，或者部分風(fēng)井和巷道出現(xiàn)無風(fēng)、反風(fēng)等異?，F(xiàn)象，危害井下人員安全和礦井安全生產(chǎn)等［3－4］。

1．2 自然風(fēng)壓計(jì)算模型

建立自然風(fēng)壓計(jì)算模型要考慮眾多礦井的實(shí)際因素，礦井地形復(fù)雜，既服務(wù)于礦井自然風(fēng)壓的計(jì)算也要盡可能的結(jié)合實(shí)際情況。因此，模型建立時(shí)將礦井的空氣溫度過程視為等溫漸變過程，礦井的進(jìn)回風(fēng)井高差和地表與井下溫差對自然風(fēng)壓具有很大影響。以流體靜力學(xué)理論為基礎(chǔ)，建立自然風(fēng)壓計(jì)算初始模型并不斷進(jìn)行修正，其計(jì)算理論模型如式表1所示［5－6］。

表1 自然風(fēng)壓計(jì)算模型

由表1中公式可知，自然風(fēng)壓影響因素較多，與進(jìn)回風(fēng)井的深度、溫度、大氣壓等都存在很大影響。因此在通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與優(yōu)化時(shí)都需認(rèn)真考慮自然風(fēng)壓的影響，對礦井的地形地質(zhì)資料、氣候條件等都需認(rèn)真考慮。其礦井自然風(fēng)壓的示意圖見圖1。

圖1 礦井通風(fēng)系統(tǒng)示意圖

2 風(fēng)機(jī)變頻器

在主扇風(fēng)機(jī)控制裝置中安裝變頻器，根據(jù)外界條件的變化利用變頻技術(shù)來調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)的運(yùn)行速度，達(dá)到改變風(fēng)機(jī)風(fēng)壓、風(fēng)量的目的，保證通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定運(yùn)行。

2．1 風(fēng)機(jī)變頻器工作原理

風(fēng)機(jī)變頻器的工作原理與其他電器設(shè)備的變頻器原理基本一致。采用高科技的變頻與微電子技術(shù)，改變交流電機(jī)供電的頻率和幅值，因而改變其運(yùn)動(dòng)磁場的周期，達(dá)到平滑控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的目的，即通過調(diào)節(jié)電機(jī)輸入電流頻率達(dá)到控制風(fēng)機(jī)電機(jī)的控制設(shè)備。變頻器通過整流、儲(chǔ)能和逆變等部分的有機(jī)結(jié)合，以及控制系統(tǒng)的有效控制達(dá)到為電機(jī)提供所需的電壓，從而控制風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速以及風(fēng)機(jī)的排風(fēng)量等。其控制系統(tǒng)流程圖如圖2所示。

圖2 風(fēng)機(jī)變頻器控制系統(tǒng)流程圖

2．2 風(fēng)機(jī)變頻器的作用

在傳統(tǒng)的風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)中，風(fēng)機(jī)流量一般采用最大量設(shè)計(jì)，在實(shí)際運(yùn)行調(diào)節(jié)中則通過設(shè)置擋板、調(diào)節(jié)風(fēng)門等方法調(diào)節(jié)，不能形成封路的閉合回路控制，沒有達(dá)到很好的省電節(jié)能效果。一般的電氣控制對風(fēng)機(jī)電機(jī)的部件沖擊損壞較大，致使設(shè)備壽命減短且噪音也大。

變頻器的出現(xiàn)，解決了看似復(fù)雜的調(diào)控轉(zhuǎn)速的問題更加簡單化。變頻器具有節(jié)能、對電網(wǎng)沖擊小、對電機(jī)有保護(hù)作用和滿足工業(yè)要求的作用。在礦山風(fēng)機(jī)變頻器調(diào)速的實(shí)踐中，優(yōu)化風(fēng)機(jī)電機(jī)的運(yùn)行具有很大的優(yōu)越性，還可以起到提高效率和節(jié)能的作用。據(jù)全球知名的變頻器生產(chǎn)企業(yè)的預(yù)算，就該公司在全球范圍內(nèi)生產(chǎn)的變頻器每年就可以節(jié)省1150億kW·h的電力，相應(yīng)減少9700萬tCO2排放，這節(jié)能效果是相當(dāng)可觀的。在實(shí)際運(yùn)用中也可以延長風(fēng)機(jī)電機(jī)的壽命，減少對電網(wǎng)的沖擊，通風(fēng)工作需要可以讓風(fēng)機(jī)電機(jī)緩慢運(yùn)行，使得電網(wǎng)有一個(gè)安全的電流值，風(fēng)機(jī)電機(jī)和線路發(fā)熱量也相應(yīng)減少，在電網(wǎng)負(fù)荷過大時(shí)可以減少對電網(wǎng)的沖擊。因此工作實(shí)踐中，滿足了工業(yè)要求，可以節(jié)省用電30%以上。

3 綜合應(yīng)用研究

3．1 自然風(fēng)壓與變頻器系統(tǒng)的匹配技術(shù)

3．1．1 自然風(fēng)壓時(shí)時(shí)計(jì)算系統(tǒng)的創(chuàng)建

在我國的多數(shù)礦山中已經(jīng)完成“礦井六大系統(tǒng)”的建設(shè)，可以時(shí)時(shí)有效的將地表氣壓溫度、井下進(jìn)回風(fēng)道溫度、風(fēng)機(jī)風(fēng)壓與風(fēng)量等反映在地表終端上，為礦井自然風(fēng)壓計(jì)算提供了真實(shí)有效的數(shù)據(jù)。基于前文中的自然風(fēng)壓計(jì)算模型，在“礦井通風(fēng)三維仿真系統(tǒng)”軟件上開發(fā)了自然風(fēng)壓時(shí)時(shí)計(jì)算模塊，軟件可以時(shí)時(shí)根據(jù)六大系統(tǒng)監(jiān)測終端數(shù)據(jù)計(jì)算自然風(fēng)壓值，具體的計(jì)算模塊見圖3。

圖3 自然風(fēng)壓計(jì)算模塊

3．1．2 自然風(fēng)壓與變頻系統(tǒng)的匹配

為有效的利用和控制自然風(fēng)壓，首先需要掌握自然風(fēng)壓的特性和規(guī)律。自然風(fēng)壓的大小與礦井深度成正比，并隨地表氣溫的變化而變化。通過對江南某礦井的通風(fēng)系統(tǒng)監(jiān)測可知，在一整年中，氣溫隨著春夏秋冬季節(jié)的更替而呈現(xiàn)波浪形式的變化。從而自然風(fēng)壓也呈現(xiàn)出波紋形式的變化，且天氣有時(shí)一日數(shù)變，自然也隨著改變，一年中自然風(fēng)壓變化曲線大致如圖4所示。

通過創(chuàng)建的自然風(fēng)壓計(jì)算模塊，可以很快的了解整個(gè)礦井通風(fēng)系統(tǒng)的風(fēng)量、風(fēng)壓和自然風(fēng)壓值得變化。通過對風(fēng)機(jī)安裝調(diào)頻器，利用終端監(jiān)測數(shù)據(jù)和自然風(fēng)壓計(jì)算值時(shí)時(shí)對風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)進(jìn)行調(diào)頻運(yùn)轉(zhuǎn)，確保井下風(fēng)量的合理供應(yīng)和風(fēng)機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，并且可以為礦井通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化提供合理依據(jù)。從而，不僅可以實(shí)現(xiàn)礦井風(fēng)流的合理調(diào)節(jié)，也可根據(jù)需要實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)的節(jié)能效果［8］。

圖4 常年自然風(fēng)壓變化曲線示意圖

3．2 應(yīng)用實(shí)例

瑤崗仙鎢地處江南地區(qū)，氣候夏季涼爽、春季多雨。歷年平均氣溫為17．2℃，最低氣溫在1～2月份，為－5～－9℃，最高氣溫在7～8月份，為33～35．9℃，年 平 均 降 雨 量 達(dá) 1450mm，蒸 發(fā) 量1418mm。該礦區(qū)上下開采中段高差較大，形成較大的大氣壓差，加上有多中段平窿直接與地表相通這些特殊性，受自然風(fēng)壓影響非常大。該礦有專用回風(fēng)井，2＃豎井與礦井最低的平窿相通，導(dǎo)致兩個(gè)進(jìn)風(fēng)井受自然風(fēng)壓影響而形成一進(jìn)一出的局面。礦井通風(fēng)系統(tǒng)雖然隨著井下開采深度的延伸作了相應(yīng)的調(diào)整及變化，但仍然難以形成穩(wěn)定的通風(fēng)系統(tǒng)。

3．2．1 通風(fēng)系統(tǒng)存在的問題

由于瑤崗仙鎢礦礦區(qū)屬于高山采礦，上下開采中段高差較大，形成較大的大氣壓差，經(jīng)計(jì)算反向自然風(fēng)壓最大達(dá)379．54Pa，自然風(fēng)壓影響突出，在此基礎(chǔ)上風(fēng)流基本上受自然風(fēng)壓控制，造成目前井下用風(fēng)量不足，炮煙難以排出，污風(fēng)串聯(lián)現(xiàn)象嚴(yán)重。在冬季時(shí)，自然風(fēng)壓很大，在不開風(fēng)機(jī)的情況下有很大的風(fēng)流從21中段的平窿進(jìn)入，并從回風(fēng)井排出；在夏季時(shí)，自然風(fēng)壓起反向作用，即在開風(fēng)機(jī)的情況下也有大量的風(fēng)流從21中段排出，嚴(yán)重影響礦井的通風(fēng)，因此在必要的情況下只能將下部中段平窿口設(shè)置風(fēng)門進(jìn)行風(fēng)量調(diào)節(jié)。

3．2．2 自然風(fēng)壓參數(shù)確定

自然風(fēng)壓計(jì)算需要的參數(shù)主要有進(jìn)、回風(fēng)井井筒深度，進(jìn)、回風(fēng)井井底溫度，地表大氣壓及地表溫度。為準(zhǔn)確的了解礦井全年的自然風(fēng)壓變化情況，需要在不同的時(shí)間段對自然風(fēng)壓的各個(gè)計(jì)算參數(shù)進(jìn)行現(xiàn)場有效測定。現(xiàn)以該礦某年測定結(jié)果為例，該礦區(qū)歷年平均氣溫為17．2℃，最低氣溫在l～2月份，為－5～－9℃，最高氣溫在7～8月份，為33～35．9℃（取夏季地表最高溫度為35℃）。進(jìn)風(fēng)井底氣溫為22℃，進(jìn)風(fēng)井口取夏季地表最高溫度為35℃，故平均為28．5℃。通過對礦井全年不同月份井下氣溫和地表氣溫的監(jiān)測，利用自然風(fēng)壓計(jì)算模塊計(jì)算全年不同時(shí)期的礦井自然風(fēng)壓值并繪制其變化曲線圖，見圖5。

圖5 瑤崗仙鎢礦常年自然風(fēng)壓變化曲線圖

從圖5中可知，瑤崗仙鎢礦通風(fēng)系統(tǒng)在通風(fēng)最困難時(shí)期和最容易時(shí)期受自然風(fēng)壓的影響比較大。特別是在夏季，自然風(fēng)壓起到非常大的阻力，而冬季有助于礦井通風(fēng)系統(tǒng)通風(fēng)。

3．2．3 自然風(fēng)壓與變頻器系統(tǒng)的匹配分析

瑤崗仙鎢礦井下主要安裝的是軸流式風(fēng)機(jī)，其軸流式風(fēng)機(jī)性能具有流量大，揚(yáng)程（全壓）低，流體沿軸向流入、流出葉輪等特點(diǎn)。并且每臺(tái)主扇都配備一臺(tái)變頻器實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)風(fēng)量的調(diào)節(jié)。風(fēng)機(jī)的功率、轉(zhuǎn)速和風(fēng)量之間的關(guān)系見式（5）。

從式（5）可知，在不改變通風(fēng)線路的情況下，兩功率之比等于兩風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的平方之比，等于兩風(fēng)機(jī)風(fēng)量的三次方之比。因此，當(dāng)井下所需通風(fēng)量減少時(shí)，其風(fēng)機(jī)實(shí)際提供的功率可適當(dāng)減小，并且可以利用變頻器來實(shí)現(xiàn)這一要求，達(dá)到節(jié)省能耗的效果［9］。在日常運(yùn)行中也可避免因風(fēng)機(jī)增速而導(dǎo)致的風(fēng)機(jī)超頻影響風(fēng)機(jī)的問題。在自然風(fēng)壓影響井下通風(fēng)及風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，風(fēng)機(jī)采用變頻器變頻也是不錯(cuò)的選擇。

瑤崗仙鎢礦已經(jīng)將六大系統(tǒng)實(shí)施完畢，對井下地表的氣壓和溫度進(jìn)行時(shí)時(shí)監(jiān)控，井下風(fēng)量的有效監(jiān)控等。對于監(jiān)控掌握的信息可以時(shí)時(shí)了解整個(gè)礦井在此條件的自然風(fēng)壓值，礦井風(fēng)量受自然風(fēng)壓產(chǎn)生的影響等。因此，不僅可以掌握全年的自然風(fēng)壓變化曲線，也可掌握一天或是一段較長時(shí)間內(nèi)的自然風(fēng)壓值?，帊徬涉u礦是屬于山坡型礦山，21中段以上采用豎井加平硐開拓方式，21中段以下采用豎井加斜井開拓方式，21中段平硐與2＃豎井和回風(fēng)井高差相差700多米，在此條件下自然風(fēng)壓值非常大，自然風(fēng)壓對通風(fēng)系統(tǒng)將產(chǎn)生很大影響。圖4中通過對某年的溫度和氣壓測定結(jié)果計(jì)算自然風(fēng)風(fēng)壓值可知，夏季自然風(fēng)壓值最高達(dá)到－354．66Pa，對通風(fēng)的阻礙作用非常大；而冬季自然風(fēng)壓值也達(dá)到＋379．54Pa，則有利于礦井通風(fēng)。由上述可知，可以通過變頻器與風(fēng)機(jī)電機(jī)的合理匹配，在不同自然風(fēng)壓的影響下實(shí)現(xiàn)對風(fēng)機(jī)的有效調(diào)節(jié)，不僅可以在困難時(shí)期有助于加強(qiáng)通風(fēng)動(dòng)力，也可在容易時(shí)期通過變頻器減小風(fēng)機(jī)的通風(fēng)動(dòng)力，充分利用自然風(fēng)壓來加強(qiáng)礦井通風(fēng)。

3．2．4 主扇時(shí)時(shí)變頻調(diào)節(jié)節(jié)能分析

變頻器是通過改變電機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)改變風(fēng)機(jī)的供風(fēng)量，從而達(dá)到滿足礦井不同風(fēng)量需求的要求。由式（4）、式（5）中可知，通過調(diào)頻器改變的是風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速和風(fēng)機(jī)供風(fēng)量，而礦井自然風(fēng)壓最直接的作用也是改變礦井的風(fēng)量。在井下通風(fēng)現(xiàn)狀和礦井通風(fēng)量不改變的情況下，礦井通風(fēng)阻力也不會(huì)改變，選取通風(fēng)最長線路計(jì)算通風(fēng)阻力為2497．52Pa，加上自然風(fēng)壓作用，整個(gè)礦井的通風(fēng)阻力變化曲線見圖6。

圖6 瑤崗仙鎢礦礦井總阻力變化圖

由圖6可知，礦井通風(fēng)總阻力隨著季節(jié)而不斷變化，而根據(jù)通風(fēng)機(jī)的H－Q曲線可知，阻力的增加勢必導(dǎo)致風(fēng)量的減少，而阻力的減少則會(huì)導(dǎo)致風(fēng)量的增加。在冬季寒冷季節(jié)，自然風(fēng)壓有利于礦井通風(fēng)時(shí)，相當(dāng)于串聯(lián)一臺(tái)風(fēng)機(jī)增加井下的風(fēng)量而導(dǎo)致井下風(fēng)量增加，此時(shí)可以利用調(diào)頻器降低風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，減少風(fēng)機(jī)的供風(fēng)量，而能量消耗也大大降低；在夏季炎熱季節(jié)時(shí)，當(dāng)風(fēng)量不足時(shí)可以利用變頻器提高風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，增加風(fēng)機(jī)通風(fēng)量。在日常的生產(chǎn)工作中，可以根據(jù)需要時(shí)時(shí)變頻調(diào)整風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，控制風(fēng)機(jī)運(yùn)行與年生產(chǎn)計(jì)劃相匹配，使通風(fēng)量滿足礦井需要［10］。如此可以減少風(fēng)機(jī)因困難時(shí)期滿負(fù)荷運(yùn)行而導(dǎo)致容易通風(fēng)時(shí)期造成的能量消耗損失，從而達(dá)到節(jié)能的效果。在瑤崗仙鎢礦的通風(fēng)系統(tǒng)中，安設(shè)有兩臺(tái)90kW的軸流式風(fēng)機(jī)，未安設(shè)調(diào)頻器時(shí)采用全負(fù)荷運(yùn)行。通過監(jiān)測和計(jì)算可以得到在風(fēng)機(jī)全負(fù)荷運(yùn)行和安設(shè)調(diào)頻器狀態(tài)下的功耗情況，結(jié)果如表3所示。

表3 風(fēng)機(jī)全負(fù)荷與調(diào)頻器調(diào)節(jié)的功耗結(jié)果（全年）

由表2可知，該礦風(fēng)機(jī)采用調(diào)頻器調(diào)節(jié)明顯比未安設(shè)調(diào)頻器狀態(tài)下節(jié)省能耗。其中，節(jié)能達(dá)到20%～30%。根據(jù)自然風(fēng)壓的變化，需考慮主扇運(yùn)行與該礦的年生產(chǎn)計(jì)劃相匹配，在礦井計(jì)劃檢修期間、節(jié)日期間以及特殊生產(chǎn)時(shí)期的需風(fēng)量較小，但不可停止供風(fēng)，因此，在這些時(shí)期可以利用變頻器調(diào)控風(fēng)機(jī)的運(yùn)行功率，供給合適的風(fēng)量，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能效果，為礦山減少通風(fēng)費(fèi)用創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益。

3．2．5 自然風(fēng)壓的有效利用

自然風(fēng)壓對礦井通風(fēng)有利有害，結(jié)合礦山的實(shí)際情況、六大系統(tǒng)和自然風(fēng)壓計(jì)算模塊加強(qiáng)對礦井通風(fēng)和自然風(fēng)壓進(jìn)行合理有效的管理，具體措施如下：①自然風(fēng)壓受氣溫和地質(zhì)條件影響較大，應(yīng)對礦井通風(fēng)系統(tǒng)展開詳細(xì)的調(diào)查了解，掌握礦井在不同時(shí)期的自然風(fēng)壓變化情況及變化規(guī)律；②為充分利用自然風(fēng)壓，除了改變風(fēng)機(jī)的調(diào)整風(fēng)機(jī)葉片安裝角外，還可以利用變頻器調(diào)控風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速來調(diào)整調(diào)整風(fēng)機(jī)工況點(diǎn)，使其既能滿足礦井通風(fēng)需要，又可節(jié)約電能；③已經(jīng)實(shí)現(xiàn)井下六大系統(tǒng)智能化控制的礦山，可以利用智能監(jiān)控系統(tǒng)掌握井下的各個(gè)通風(fēng)參數(shù)，時(shí)時(shí)掌握井下自然風(fēng)壓變化情況，結(jié)合礦山的生產(chǎn)作業(yè)規(guī)劃，利用變頻器實(shí)現(xiàn)對風(fēng)機(jī)調(diào)控，不斷調(diào)整井下的需風(fēng)量。

4 結(jié) 論

1）礦井通風(fēng)系統(tǒng)的建立并非一勞永逸，通風(fēng)效果受各方面因素的影響，對包括礦井自然風(fēng)壓在內(nèi)的各個(gè)因素進(jìn)行調(diào)查與分析，可以有效的幫助礦井通風(fēng)系統(tǒng)的優(yōu)化。

2）調(diào)查和分析礦井的自然風(fēng)壓，掌握其變化規(guī)律，結(jié)合礦山的實(shí)際情況，有針對性的采取相關(guān)措施利用和控制自然風(fēng)壓，可以有效的改善井下通風(fēng)效果。

3）充分利用六大系統(tǒng)的通風(fēng)系統(tǒng)時(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)，并采用礦井通風(fēng)系統(tǒng)三維仿真軟件建立自然風(fēng)壓計(jì)算模塊，結(jié)合礦山的實(shí)際情況，運(yùn)用變頻器實(shí)現(xiàn)礦井主扇風(fēng)機(jī)的調(diào)速，實(shí)現(xiàn)井下對需風(fēng)要求供風(fēng)，保障井下的安全生產(chǎn)，最大限度的節(jié)省能耗。

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