高海拔對(duì)礦井軸流式風(fēng)機(jī)性能影響及風(fēng)機(jī)合理選型

黃玉誠，王瑜敏

(中國礦業(yè)大學(xué)(北京)能源與礦業(yè)學(xué)院，北京 100083)

礦用風(fēng)機(jī)均以標(biāo)準(zhǔn)地區(qū)的環(huán)境參數(shù)(空氣密度ρ=1.2 kg/m3)為基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)計(jì)與制造，風(fēng)機(jī)制造企業(yè)所提供的風(fēng)機(jī)性能曲線也是以標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境條件所作的模型試驗(yàn)得到的[1-2]。平原地區(qū)的礦井所處環(huán)境空氣密度與標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)相差不大，風(fēng)機(jī)可以根據(jù)出廠特征曲線進(jìn)行選型。對(duì)于高海拔地區(qū)礦井，由于大氣壓力隨海拔升高而減小，空氣密度變小，和標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)的空氣密度相差較大[3-4]?？諝饷芏鹊南陆祵?duì)風(fēng)機(jī)和配套電機(jī)性能等都會(huì)產(chǎn)生較大影響，按平原地區(qū)環(huán)境條件采用的風(fēng)機(jī)選型方法顯然不適合高海拔環(huán)境的通風(fēng)技術(shù)要求[5-7]。本文結(jié)合通風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)基本理論和礦井通風(fēng)學(xué)原理，探討高海拔對(duì)礦井軸流式風(fēng)機(jī)性能影響及風(fēng)機(jī)合理選型。

1 空氣密度隨海拔高度的變化

空氣密度與大氣壓力、溫度和濕度等因素有關(guān)，一般情況下，大氣壓力隨海拔的升高而減小。大氣壓力與海拔的關(guān)系見式(1)[4]。

(1)

式中：P為當(dāng)?shù)仄骄髿鈮海琸Pa；P0為海平面處的大氣壓，取101 325 Pa；h為當(dāng)?shù)睾０胃叨?，m；M為空氣的摩爾質(zhì)量，取29 kg/kmol；g為重力加速度，取9.8 m/s2；R0為通用氣體常數(shù)，取8 314 J/(kmol·k)；T為空氣溫度，取293 K。

在礦井通風(fēng)中，相對(duì)濕度一般變化不大，對(duì)空氣密度的影響極小。礦井空氣密度一般可按照式(2)近似測算[4]。

(2)

式中：ρ為空氣密度，kg/m3；t為空氣溫度，℃。

由式(1)和式(2)可得到大氣壓力和空氣密度隨海拔變化的趨勢，如圖1所示。

圖1 大氣壓力及空氣密度隨海拔的變化

2 高海拔對(duì)礦井風(fēng)機(jī)通風(fēng)參數(shù)的影響

2.1 風(fēng)機(jī)風(fēng)量

根據(jù)軸流式風(fēng)機(jī)氣動(dòng)設(shè)計(jì)基本理論[8-9]，軸流式風(fēng)機(jī)風(fēng)量計(jì)算見式(3)。

(3)

式中：Q為風(fēng)機(jī)體積風(fēng)量，m3/s；D為葉輪直徑，m；d為輪轂直徑，m；u為風(fēng)機(jī)葉輪外圓周速度，m/s；β1為風(fēng)機(jī)入口相對(duì)氣流角；δ為由于漏損和葉片厚度使過流斷面縮小的系數(shù)。

由式(3)可知，軸流式風(fēng)機(jī)在安裝角和轉(zhuǎn)數(shù)不變的情況下，空氣密度的變化不會(huì)影響通風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的體積風(fēng)量，風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的體積風(fēng)量在不同海拔高度下是不變的。需要指出的是，在高海拔礦井中，雖然風(fēng)機(jī)的體積流量不發(fā)生改變，但是由于空氣密度下降，導(dǎo)致風(fēng)機(jī)質(zhì)量流量大幅減少，單位時(shí)間輸送的氧氣質(zhì)量減少，這是造成高海拔礦井作業(yè)人員和某些設(shè)備降效的主要原因。

2.2 風(fēng)機(jī)壓力

對(duì)于礦用軸流式通風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的風(fēng)壓計(jì)算見式(4)[8-9]。

(4)

式中：H為風(fēng)機(jī)風(fēng)壓，Pa；ρ為空氣密度，kg/m3；ω為通風(fēng)機(jī)葉輪旋轉(zhuǎn)角速度，rad/s；wm為氣流平均相對(duì)速度，m/s；cy為升力系數(shù)；b為葉片弦長，m；Z為葉片數(shù)；η為風(fēng)機(jī)風(fēng)壓效率。

由式(4)可知，其他因素一定時(shí)，通風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的風(fēng)壓與空氣密度成正比。在高海拔地區(qū)，由于空氣密度的下降，通風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的風(fēng)壓隨海拔高度的升高而降低，風(fēng)機(jī)風(fēng)量壓力特性曲線也將在風(fēng)機(jī)出廠風(fēng)量壓力特性曲線基礎(chǔ)上整體下移，如圖2所示。曲線Ⅰ為風(fēng)機(jī)出廠風(fēng)量壓力特性曲線，曲線Ⅱ?yàn)轱L(fēng)機(jī)在高海拔地區(qū)運(yùn)行的實(shí)際風(fēng)量壓力特性曲線。

圖2 高海拔地區(qū)風(fēng)機(jī)風(fēng)量壓力特性曲線變化

因此，高海拔礦井風(fēng)機(jī)的選型，要以實(shí)際風(fēng)壓為依據(jù)，按式(5)計(jì)算出風(fēng)機(jī)樣本風(fēng)壓，按樣本風(fēng)壓對(duì)照風(fēng)機(jī)出廠風(fēng)量壓力特性曲線確定合適的風(fēng)機(jī)型號(hào)。

(5)

式中：ρ0、ρ分別為標(biāo)準(zhǔn)地區(qū)和高海拔地區(qū)的空氣密度，ρ0=1.2 kg/m3；H、H樣分別為風(fēng)機(jī)實(shí)際風(fēng)壓和樣本風(fēng)壓。

3 高海拔對(duì)電機(jī)功率的影響

電機(jī)在高海拔環(huán)境運(yùn)行時(shí)，空氣密度降低，會(huì)導(dǎo)致空氣散熱能力下降，電機(jī)溫升增加[10-11]。根據(jù)已有研究成果[10]，在高原地區(qū)，海拔每升高100 m，電機(jī)溫升增加0.2～0.6 ℃。電機(jī)溫升的增加不僅會(huì)導(dǎo)致電機(jī)輸出功率的下降，還將引起外絕緣材料強(qiáng)度的下降，加速絕緣材料的老化，最終導(dǎo)致電機(jī)壽命縮短。因此，電機(jī)在高海拔礦井運(yùn)行時(shí)，為了提高電機(jī)效率，保證電機(jī)壽命，當(dāng)海拔超過1 000 m時(shí)，若式(6)條件成立，高海拔地區(qū)要考慮電機(jī)降容使用，則對(duì)電機(jī)選型要進(jìn)行功率容量補(bǔ)償[12-13]。

(h-1 000)Δi>40-tat

(6)

式中：h為海拔高度，m；tat為電機(jī)使用地點(diǎn)的最高環(huán)境溫度，℃；Δi為海拔在1 000～5 000 m之間，海拔每提高1 m所需要的最高環(huán)境溫度補(bǔ)償值，℃/m，計(jì)算見式(7)。

(7)

式中，Tm為電機(jī)絕緣材料最高允許溫度，℃。

高原地區(qū)電機(jī)額定輸出功率降容量一般可按照每補(bǔ)償1 ℃，功率降低1%計(jì)算[10]，見式(8)。

ΔP=[(h-1 000)Δi-(40-tat)]×1%P額定

(8)

式中：P額定為高原電機(jī)額定功率，kW；ΔP為電機(jī)額定功率的降容量，kW。

因此，在高海拔礦井，選用的電機(jī)額定功率計(jì)算見式(9)和式(10)。

P額定=P+ΔP

(9)

(10)

式中，P為按平原地區(qū)計(jì)算所需電機(jī)額定功率，kW。

4 高海拔礦井風(fēng)機(jī)選型實(shí)例

4.1 風(fēng)機(jī)風(fēng)量和風(fēng)壓

某高海拔礦山地處青藏高原，海拔3 600～4 500 m。礦井進(jìn)風(fēng)平硐位于海拔3 600 m水平，大氣壓力66.58 kPa，空氣密度0.83 kg/m3，約為標(biāo)準(zhǔn)地區(qū)空氣密度的69%。采用壓入式進(jìn)風(fēng)，需風(fēng)量260 m3/s，通風(fēng)阻力1 169 Pa?？紤]風(fēng)機(jī)裝置的漏網(wǎng)系數(shù)1.15和阻力損失150 Pa，則需要的風(fēng)機(jī)風(fēng)量為299 m3/s，風(fēng)機(jī)風(fēng)壓為1 319 Pa。

4.2 風(fēng)機(jī)選型

根據(jù)前文分析，和標(biāo)準(zhǔn)地區(qū)相比，風(fēng)機(jī)在高海拔地區(qū)的風(fēng)量不變，風(fēng)壓下降。首先根據(jù)式(5)由實(shí)際風(fēng)壓計(jì)算得到風(fēng)機(jī)樣本風(fēng)壓，計(jì)算見式(11)。

(11)

根據(jù)風(fēng)機(jī)風(fēng)量和風(fēng)機(jī)樣本風(fēng)壓，對(duì)比風(fēng)機(jī)樣本特性曲線，選用三臺(tái)K45-6NO20風(fēng)機(jī)并聯(lián)工作，每臺(tái)風(fēng)機(jī)需要達(dá)到的運(yùn)行風(fēng)量為299/3=99.7 m3/s。該型號(hào)風(fēng)機(jī)風(fēng)量范圍在69.8～132.0 m3/s之間，風(fēng)壓范圍在1 019～1 956 Pa之間，符合風(fēng)量風(fēng)壓指標(biāo)要求。風(fēng)機(jī)風(fēng)量99.7 m3/s和風(fēng)機(jī)樣本風(fēng)壓1 907 Pa，對(duì)應(yīng)風(fēng)機(jī)樣本特性曲線的運(yùn)行工況點(diǎn)如圖3所示。

圖3 風(fēng)機(jī)特性曲線及工況點(diǎn)

4.3 電機(jī)功率

根據(jù)礦井通風(fēng)學(xué)和風(fēng)機(jī)理論，風(fēng)機(jī)輸入功率計(jì)算見式(12)。

(12)

式中：N為風(fēng)機(jī)輸入功率，kW；Q為風(fēng)機(jī)風(fēng)量，m3/s；H為風(fēng)機(jī)實(shí)際風(fēng)壓，Pa；η為風(fēng)機(jī)效率。

根據(jù)通風(fēng)機(jī)相似定律[14-15]，對(duì)于同一臺(tái)風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)效率不會(huì)隨空氣密度而變化。根據(jù)圖3風(fēng)機(jī)特性曲線上的工況點(diǎn)，η取0.8。將Q=99.7 m3/s、H=1 319 Pa代入式(11)，計(jì)算見式(13)。

(13)

按平原地區(qū)計(jì)算電機(jī)額定功率見式(14)。

(14)

式中，ηt為傳動(dòng)效率，取0.98。

考慮高海拔地區(qū)電機(jī)輸出功率補(bǔ)償量，由式(10)計(jì)算選用的電機(jī)額定功率。當(dāng)?shù)刈罡攮h(huán)境溫度礦tat=26 ℃，電機(jī)絕緣等級(jí)為F級(jí)，最高允許溫度Tm=155 ℃，由式(7)計(jì)算得到式(15)。

(15)

則三臺(tái)并聯(lián)風(fēng)機(jī)所配電機(jī)總功率由式(10)計(jì)算得到式(16)。

(16)

則每臺(tái)電機(jī)功率為：682/3=227 kW。最終選定K45-6NO20風(fēng)機(jī)的配套電機(jī)為250 kW，電機(jī)型號(hào)Y355L2-6。

5 結(jié) 論

1) 高海拔環(huán)境氣壓低、空氣密度小是影響礦井風(fēng)機(jī)工作性能的根本原因。和平原地區(qū)相比，高海拔地區(qū)的空氣密度小，風(fēng)機(jī)體積流量不變，但質(zhì)量流量下降，單位時(shí)間輸送的氧氣質(zhì)量減少，這也是造成高海拔礦井作業(yè)人員和某些設(shè)備降效的主要原因。

2) 海拔升高，風(fēng)機(jī)風(fēng)壓隨著空氣密度下降而減小。高海拔礦井風(fēng)機(jī)的選型，要以實(shí)際風(fēng)壓為依據(jù)計(jì)算得到風(fēng)機(jī)選型的樣本風(fēng)壓，按樣本風(fēng)壓對(duì)照風(fēng)機(jī)出廠風(fēng)量壓力特性曲線確定合適的風(fēng)機(jī)型號(hào)。

3) 電機(jī)在高海拔環(huán)境運(yùn)行時(shí)，空氣密度低將導(dǎo)致空氣散熱能力下降，電機(jī)溫升增加不僅會(huì)導(dǎo)致電機(jī)輸出功率的下降，還將加速絕緣材料的老化。為了提高電機(jī)效率，保證電機(jī)壽命，選型要考慮電機(jī)功率補(bǔ)償量情況下選用相應(yīng)的風(fēng)機(jī)配套電機(jī)。