多風機風壓平衡變頻技術研究

居偉偉

（1.中鋼集團馬鞍山礦山研究院有限公司，安徽馬鞍山243000；2.金屬礦山安全與健康國家重點實驗室，安徽馬鞍山243000；3.華唯金屬礦產資源高效循環(huán)利用國家工程研究中心有限公司）

隨著國外內經濟建設對礦產資源的需求量增加，礦山開采深度及規(guī)模不斷增加，使礦井總需風量也隨之增大，采用多機站串、并聯回風的礦井也越來越多[1]。目前，冬瓜山銅礦礦井采用多機站通風方式，多機站風機串、并聯運行能夠解決礦井逐步增大的總需風量問題[2]，但隨著風機串、并聯數量的增加，風機聯合運行時，各風機之間相互影響，造成風機工況點不正常，出現風機不穩(wěn)定運轉等問題[3]。因此，如何分析風機性能曲線、合理利用變頻技術控制對多風機聯合運行進行有效調節(jié)，避免風機相互干擾的問題不僅能夠有效地降低礦山通風能耗，也是礦山保持可持續(xù)發(fā)展的基本技術。

1　通風系統(tǒng)現狀

冬瓜山深部礦床60線以南正在開采，礦體最低開采中段為-850 m，60線以北-790 m水平至-100 m水平的處于開拓階段。冬瓜山銅礦深部礦段通風系統(tǒng)目前采用多機站通風方式，以冬瓜山副井、團山副井和進風井進風，回風井回風。-850 m水平為回風水平，共設置2個回風機站，風機均配備變頻器。具體風機布置及風機參數見表1。

2　通風現狀分析

冬瓜山銅礦深部礦段2017年生產計劃60線以南資源已不能維持10 000 t/d產量要求，60線北產量任務重，安全生產壓力大。根據2017年初步設計要求在-850 m水平60線北安裝1臺DK62-8-№26風機，增加60線北回風量。-850 m回風水平共2個回風機站3臺風機串、并聯設置，具體布置圖見圖1。

2.1　檢測數據

風機安裝試運行后，對通風系統(tǒng)進行檢測。檢測數據見表2。

2.2　存在問題

DK62-8-№26、K45-6-№19作為不同型號風機，其各自的性能曲線各不相同，風機性能曲線分別為Ⅰ和Ⅱ，風機工況點為N，曲線圖見圖2。

在風機運行頻率相同的情況下，并聯運行會導致風機風壓不平衡等問題。由圖2可知，風機在滿負荷運行下DK62-8-№26風機在風機性能曲線內運行，對K45-6-№19風機形成通風阻力，造成K45-6-№19風機運行不正常，風機工況在性能曲線以外運行。更換-850 m水平60線南200 kW風機來滿足2×355 kW風機風壓平衡要求，工程成本較高且風機更換過程中影響冬瓜山深部礦段正常通風需求。

3　多風機運行變頻技術研究

3.1　多風機運行影響分析

回風機站風機運行主要采用串、并聯結合方式。多風機運行不同于單臺風機運行，風機之間存在風壓、風量平衡等因素。在3臺風機運行的基礎上分析多風機串、并聯運行的實際性能曲線和效果，保證多風機能夠在穩(wěn)定、高效和經濟的基礎上運行。

風機串聯工況分析。1#回風機站串聯2臺K45-6-№19風機為同型號風機，風機曲線Ⅱ，Ⅲ為合成特性曲線，R為通風阻力曲線。N和N’為風機串聯工況點和單臺風機工況點，曲線圖見圖3。

風機串聯運行時風量不變，風壓等于2臺風機風壓之和。計算可以得到串聯2臺K45-6-№19風機的合成風壓及風量范圍見表3。

風機并聯工況分析。串聯2臺K45-6-№19和1臺DK62-8-№26風機并聯設置。K45-6-№19曲線為Ⅰ，DK62-8-№26曲線為Ⅱ，Ⅲ為風機并聯合成性能曲線。N1、N2和N為單臺風機工況點和并聯工況點。曲線圖見圖4，由圖4可知，當ΔQ=Q-Q2＞0時,即工況點N位于DK62-8-№26風機曲線和合成曲線之間，并聯有效。當ΔQ=Q-Q2＜0時，合成曲線已在DK62-8-№26風機曲線下方，則小功率風機反風，未起到并聯效果。

風機并聯運行時合成風壓取小值，風量為2臺風機風量相加。計算可以得到風機并聯的合成風壓及風量范圍見表4。

3.2　變頻技術研究

（1）變頻技術原理。風機風量及風壓控制過去多采用調節(jié)風機葉片角度來實現，這種控制方法需在風機檢修狀態(tài)下進行，影響正常生產且操作復雜，經濟性差。依據現有風機的工作性能，采用變頻技術對風機調速來控制風量及風壓是目前最常用的技術[4]。

根據電機學理論可知，風機轉速n公式[5]：

式中，F為頻率；P為極對數；S為轉差率。

由式（1）可得，風機轉速與頻率的一次方成正比。

根據流體力學相關理論，風量、風壓與轉速存在如下關系式[6]：

由式（1）代入（2）、（3）可得關系式：

式中，Q1、Q2為風量；n1、n2為轉速；P1、P2為風壓;F1、F2為供電頻率。

由式（4）（5）可得，風壓P與頻率F的平方成正比，風量Q與頻率F的一次方成正比。當頻率減少時，風機轉速下降，其風壓和風量也隨之減少[7]。

（2）多風機變頻調節(jié)分析。根據變頻技術原理可知，風機變頻后風機性能曲線也會隨之變化，風機滿頻性能曲線為Ⅰ，變頻后風機性能曲線為Ⅱ。變化曲線圖見圖5。

由圖5分析，K45-6-№19和DK62-8-№26風機可通過變頻技術控制風機轉速降低風機風壓和風量，在合理的頻率范圍內，使多機站風機串、并聯運行時達到風壓、風量平衡的作用。

由式（5）可得，調整頻率計算公式：

由式（6）計算可得，F變=46.99 Hz。

3.3　現場實際應用

通過風機變頻技術控制研究，計算得出DK62-8-№26風機最大運行頻率為46.99 Hz，結合現場實際通風及頻率運行情況，將冬瓜山銅礦-850 m水平60線北DK62-8-№26風機運行頻率調低至46 Hz,風機正常運行后對風機進行檢測，檢測數據見表5。

根據表2、表5可知，-850 m60線南、北不同型號風機進行串、并聯設置，滿負荷運行實耗功率達到935.2 kW，總風量為140.4 m3/s，風機性能偏低。通過變頻技術控制研究將DK62-8-№26風機頻率調至46 Hz，風機總實耗功率降低至847.1 kW，總風量提高到166.5 m3/s，風機均在性能曲線范圍內運行，風機效率得到較大提升。

4　結　論

（1）多風機串、并聯設置時由于風機性能曲線不同，在聯合運行時應對各風機性能曲線進行合成，確定多風機合成性能曲線，避免風機在性能曲線范圍外運行，既能提高礦井總風量，又能降低總實耗功率，保證了多風機高效、穩(wěn)定運行。

（2）結合冬瓜山銅礦多機站通風系統(tǒng)情況，風機均配備變頻器，通過變頻器調節(jié)頻率降低轉速的技術，利用流體力學風壓、風量與頻率之間的關系，間接調節(jié)風壓的公式簡單易懂，為現場通風技術人員調節(jié)風量和風壓平衡提供了理論性知識。

（3）風壓平衡變頻技術研究通過調節(jié)風機頻率達到降低風壓的方法，改變了通過調節(jié)風機葉片角度、更換風機等降低風壓的傳統(tǒng)方法，該方法能夠快速、有效地調節(jié)風壓平衡，確保通風系統(tǒng)多風機聯合運行時風機性能能夠相互匹配，不造成相互干擾等問題。

（4）冬瓜山銅礦隨著礦山企業(yè)的深部開采和擴能需要，采用多風機聯合運行布置時存在新舊風機型號不匹配、風機性能降低等問題，在通風系統(tǒng)優(yōu)化研究時通過該技術調節(jié)風機性能，既能降低通風系統(tǒng)技術研究的難度，也為企業(yè)節(jié)省了工程及設備等費用，對企業(yè)未來發(fā)展起到至關重要的作用。