煤礦主要通風(fēng)機(jī)性能測(cè)試數(shù)據(jù)偏差問(wèn)題分析

李建光

(中國(guó)煤炭科工集團(tuán) 北京華宇工程有限公司，北京 100120)

由于通風(fēng)機(jī)的制造與安裝質(zhì)量，以及增加外擴(kuò)散器、彎道、消聲器、工作磨損、銹蝕等原因，煤礦主要通風(fēng)機(jī)的實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)特性與通風(fēng)機(jī)廠提供的性能曲線(大型通風(fēng)機(jī)是模擬試驗(yàn)曲線)有一定偏差[1]。因此，《煤炭安全規(guī)程》第158條規(guī)定：新安裝的主要通風(fēng)機(jī)投入使用前，必須進(jìn)行試運(yùn)轉(zhuǎn)和通風(fēng)機(jī)性能測(cè)定，以后每5年至少進(jìn)行1次性能測(cè)定[2]。顯然，測(cè)試的主要目的有兩個(gè)：①對(duì)新安裝的通風(fēng)機(jī)進(jìn)行質(zhì)量評(píng)價(jià)；②對(duì)在用通風(fēng)機(jī)，及時(shí)掌握其實(shí)際工況，保證設(shè)備安全平穩(wěn)運(yùn)行。不論什么目的，試驗(yàn)數(shù)據(jù)和出廠數(shù)據(jù)的偏差分析都是關(guān)鍵工作。

主要通風(fēng)機(jī)的性能測(cè)試方法，從早期基礎(chǔ)理論的奠基人黃元平的大量著作，如《礦井通風(fēng)阻力及其測(cè)量》[3]等，發(fā)展到今天，在不同現(xiàn)場(chǎng)條件下的多種應(yīng)用，如不停風(fēng)條件下的測(cè)試方法[4]等，已經(jīng)日趨成熟。因此，文章開(kāi)始部分，作者僅對(duì)目前兩種主流的測(cè)試方法進(jìn)行簡(jiǎn)介，作為下一步論述的基礎(chǔ)。

設(shè)備制造、安裝以及運(yùn)行磨損造成的偏差，是不可避免的，這類(lèi)偏差不在本文研究范圍內(nèi)。近年來(lái)，作者在工程實(shí)踐中，發(fā)現(xiàn)3種常見(jiàn)偏差，是人為原因?qū)е碌模孩僬`讀井巷通風(fēng)阻力；②混淆裝置靜壓和通風(fēng)機(jī)靜壓、裝置全壓和通風(fēng)機(jī)全壓的概念；③衍生的效率偏差。為了避免類(lèi)似現(xiàn)象的發(fā)生，筆者將站在前人研究的成果上，理論結(jié)合實(shí)際，重點(diǎn)分析解決上述3個(gè)問(wèn)題。

1 通風(fēng)機(jī)兩種主流測(cè)試方法簡(jiǎn)介

通風(fēng)機(jī)在網(wǎng)絡(luò)中工作示意如圖1所示，對(duì)于抽出式通風(fēng)系統(tǒng)，斷面0為進(jìn)風(fēng)井口，斷面1為通風(fēng)機(jī)入口水平風(fēng)道，即負(fù)壓段的終點(diǎn)，斷面2為通風(fēng)機(jī)葉輪出口，即正壓段的起點(diǎn)，斷面3為通風(fēng)機(jī)擴(kuò)散器出口。為分析問(wèn)題簡(jiǎn)單明了，假設(shè)進(jìn)風(fēng)和回風(fēng)井口高差為0，即不考慮自然風(fēng)壓的影響。

圖1 通風(fēng)機(jī)在網(wǎng)路中工作示意圖

目前，煤礦通風(fēng)機(jī)性能測(cè)試主要采用兩種方法，區(qū)別在于原理不同，流量和壓力取源部件安裝位置不同。下面介紹兩種方法及各自存在的問(wèn)題。

1.1 風(fēng)速傳感器測(cè)量流量，皮托管讀取壓力法

1.1.1 方法概述

在風(fēng)道水平直線段某處設(shè)置測(cè)風(fēng)斷面，將斷面劃分為若干等面積矩形，如圖2所示，矩形正中設(shè)置風(fēng)速傳感器測(cè)量風(fēng)速，通過(guò)風(fēng)速實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和矩形面積推算出流量[5]。如圖1所示，在斷面1，也就是風(fēng)機(jī)入口前預(yù)埋壓力取源部件，通過(guò)管路、皮托管與壓力計(jì)相連，讀取壓力計(jì)測(cè)量結(jié)果推算出通風(fēng)機(jī)裝置壓力。

圖2 風(fēng)速傳感器布置示意圖

1.1.2 存在問(wèn)題

《工業(yè)通風(fēng)機(jī)現(xiàn)場(chǎng)性能試驗(yàn)》《煤礦用主要通風(fēng)機(jī)現(xiàn)場(chǎng)性能參數(shù)測(cè)定方法》《煤礦主要通風(fēng)機(jī)站設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)取源部件安裝位置均有規(guī)定[7-9]。通常要求安裝在一段平直，沒(méi)有渦流的長(zhǎng)風(fēng)道上。風(fēng)量越大，風(fēng)道占地面積越大，許多煤礦，尤其是老礦井改造，或者地形復(fù)雜且瓦斯?jié)舛雀叩男碌V井，場(chǎng)地布置很難滿(mǎn)足規(guī)范要求。隨著優(yōu)質(zhì)煤炭資源的逐步減少，這一矛盾會(huì)越來(lái)越突出。實(shí)踐中，如不滿(mǎn)足規(guī)范只能將取源部件安裝在通風(fēng)機(jī)旁邊，甚至機(jī)身上。

1.2 通風(fēng)機(jī)本體兩斷面靜壓差計(jì)算流量法

方法概述：通風(fēng)機(jī)測(cè)風(fēng)示意如圖3所示，利用通風(fēng)機(jī)機(jī)殼上，兩個(gè)相鄰斷面1和1’自帶的在線監(jiān)測(cè)用壓力取源部件采集壓力數(shù)據(jù)，并根據(jù)壓力來(lái)解算流量[6]，壓力取源部件安裝位置同方法1。

圖3 通風(fēng)機(jī)測(cè)風(fēng)示意圖

由伯努利方程可知，兩個(gè)相鄰斷面1和1′存在如下關(guān)系：

式中，P靜1、P靜1′分別為1、1′兩斷面的絕對(duì)靜壓，Pa；P為斷面的空氣密度，kg/m3；V為斷面的平均風(fēng)速，m/s；Δh1-1′為斷面1和1′之間的通風(fēng)阻力，Pa。

式(1)中，流動(dòng)損失可忽略時(shí)，兩斷面的絕對(duì)全壓相等，并且斷面上的靜壓和動(dòng)壓可以相互轉(zhuǎn)化。風(fēng)速大的斷面其靜壓降低，反之，風(fēng)速小的斷面靜壓增大。

根據(jù)這一原理，將斷面1選在風(fēng)機(jī)入口集流器附近，斷面1′選在風(fēng)機(jī)葉輪前集流罩出口的環(huán)行空間上，因1和1′兩斷面面積不同，從而產(chǎn)生靜壓差，忽略?xún)蓴嗝骈g微小的流動(dòng)損失Δh1-1′，由式(1)知，通風(fēng)機(jī)的風(fēng)量為：

式中，Q為主通風(fēng)機(jī)的風(fēng)量，m3/s；S1、S1′分別為1、1′兩斷面的面積，m2。

若考慮兩斷面間的流動(dòng)損失風(fēng)流，則計(jì)算風(fēng)量為：

式中，σ為熱功耗系數(shù)，可取0.95～0.98。

存在問(wèn)題：該測(cè)試方法，原理上可行，在進(jìn)口及國(guó)產(chǎn)中大型風(fēng)機(jī)上也已經(jīng)普遍采用，而且克服了方法1對(duì)于場(chǎng)地的限制，節(jié)省了土地、土建投資。唯一的問(wèn)題是與現(xiàn)行規(guī)范產(chǎn)生了矛盾，筆者傾向推廣使用方法2，但受篇幅的限制，其合理性將另做文章探討。下面分析井巷通風(fēng)阻力等于通風(fēng)機(jī)入口相對(duì)靜壓，還是相對(duì)全壓。

2 通風(fēng)機(jī)入口相對(duì)靜壓、相對(duì)全壓與井巷通風(fēng)阻力的關(guān)系

采用抽出式通風(fēng)的礦井，假設(shè)斷面0和1之間不設(shè)其他通風(fēng)設(shè)備，根據(jù)伯努利方程式，兩斷面之間的壓力關(guān)系為：

式中，P靜0為斷面0的絕對(duì)靜壓，Pa；Δh0-1為斷面0和1之間的通風(fēng)阻力，Pa。

風(fēng)流自地表大氣(風(fēng)速為0)開(kāi)始流動(dòng)，從進(jìn)風(fēng)井口進(jìn)入井筒，會(huì)產(chǎn)生突然收縮的局部阻力損失，記為Δh0，所以，斷面0的壓力之間存在以下關(guān)系：

式中，P全0為斷面0的絕對(duì)全壓，Pa；P大氣為大氣壓力，Pa；Δh0為斷面0局部阻力損失，Pa。

而根據(jù)井巷通風(fēng)阻力和抽出式通風(fēng)系統(tǒng)相對(duì)靜壓、相對(duì)全壓的定義：

h礦阻=Δh0+Δh0-1

(6)

h靜1=P大氣-P靜1

(7)

式中，h礦阻為井巷通風(fēng)阻力，Pa；h靜1為斷面1的相對(duì)靜壓，Pa；h全1為斷面1的相對(duì)全壓，Pa。

將式(5)—(8)代入式(4)，整理得到：

h礦阻=h全1

(9)

顯然，井巷通風(fēng)阻力等于通風(fēng)機(jī)入口的相對(duì)全壓，而不是相對(duì)靜壓[10]。實(shí)踐中，不少測(cè)試報(bào)告把相對(duì)靜壓讀數(shù)作為井巷通風(fēng)阻力，這是錯(cuò)誤的。抽出式通風(fēng)系統(tǒng)，相對(duì)全壓數(shù)值較小，相對(duì)靜壓數(shù)值較大，特別是風(fēng)機(jī)入口斷面較小時(shí)，其數(shù)值相差很大。此結(jié)論也應(yīng)該引起設(shè)計(jì)單位和廠家選型工程師的注意，防止因?yàn)楦拍铄e(cuò)誤造成選型失誤。

明確了井巷通風(fēng)阻力如何讀數(shù)后，就可以從通風(fēng)阻力的角度，著手解釋裝置靜壓和通風(fēng)機(jī)靜壓，裝置全壓和通風(fēng)機(jī)全壓有什么區(qū)別。

3 裝置風(fēng)壓與通風(fēng)機(jī)風(fēng)壓的區(qū)別

式(12)表明，通風(fēng)機(jī)靜壓等于風(fēng)機(jī)入口相對(duì)全壓與通風(fēng)機(jī)內(nèi)部各項(xiàng)阻力之和；式(13)表明，通風(fēng)機(jī)全壓等于風(fēng)機(jī)入口相對(duì)全壓與通風(fēng)機(jī)內(nèi)部各項(xiàng)阻力以及葉輪出口動(dòng)壓之和。式(10)和式(12)對(duì)比，裝置靜壓比通風(fēng)機(jī)靜壓多了彎道、擴(kuò)散器和消音器阻力損失。式(11)和式(13)對(duì)比，除了彎道、擴(kuò)散器和消音器的阻力損失外，裝置全壓和通風(fēng)機(jī)全壓中，靜壓和動(dòng)壓所占比例不同。出于回收有效壓力的需要，式(11)中，裝置靜壓數(shù)值大，而動(dòng)壓數(shù)值小。式(13)中，通風(fēng)機(jī)靜壓數(shù)值小，而動(dòng)壓數(shù)值大。下面的實(shí)例可以體現(xiàn)差值的大小。

某礦通風(fēng)機(jī)葉輪出口直徑為?3.238m，即斷面1的面積為8.23m2，而混凝土擴(kuò)散塔出口直徑為?6.12m，斷面3的面積達(dá)到了29.42m2，兩者相差3.57倍，導(dǎo)致同樣的風(fēng)量下，風(fēng)速相差3.57倍，而動(dòng)壓損失和風(fēng)速之間是平方關(guān)系，因此，動(dòng)壓數(shù)值相差12.74倍。

顯然，全壓更能穩(wěn)定的、準(zhǔn)確的反映性能好壞，站在使用者的角度，裝置全壓貼近實(shí)際。因此，建議有條件的情況下，第三方檢測(cè)機(jī)構(gòu)應(yīng)當(dāng)測(cè)試裝置全壓，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。

《煤礦用主要通風(fēng)機(jī)現(xiàn)場(chǎng)性能參數(shù)測(cè)定方法》[8]明確，對(duì)于抽出式通風(fēng)，全壓應(yīng)該計(jì)算到擴(kuò)散器出口，也就是說(shuō)，規(guī)范要求的測(cè)試對(duì)象是裝置。而設(shè)備出廠性能針對(duì)的是通風(fēng)機(jī)本身，兩者界定的范圍不同，不能直接對(duì)比，否則將出現(xiàn)嚴(yán)重偏差。原因是：①通風(fēng)機(jī)全壓曲線，以葉輪出口2為繪制基礎(chǔ)，沒(méi)有按擴(kuò)散器出口3進(jìn)行修正；②通風(fēng)機(jī)全壓，沒(méi)有考慮彎道、擴(kuò)散器和消音器的阻力損失。

裝置全壓，目前沒(méi)有用于實(shí)際計(jì)算的普遍公式，主要原因是，通風(fēng)機(jī)內(nèi)部阻力Δh1-2難于找出普遍公式來(lái)計(jì)算[10]。所以，無(wú)法對(duì)上述偏差的大小做定量分析，但是，使用現(xiàn)場(chǎng)裝置數(shù)據(jù)和出廠數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，這種做法不合理。

為了消除通風(fēng)機(jī)內(nèi)部阻力Δh1-2對(duì)各項(xiàng)工作帶來(lái)的困擾，我國(guó)煤礦行業(yè)，在實(shí)際全壓中扣除通風(fēng)機(jī)內(nèi)部阻力，并在此基礎(chǔ)上對(duì)裝置全壓、裝置靜壓和通風(fēng)機(jī)全壓、通風(fēng)機(jī)靜壓進(jìn)行了重新定義，即：

在概念重新定義的情況下，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)和出廠數(shù)據(jù)進(jìn)行定量分析具備了可操作性。也因此，為下一步分析衍生的效率偏差，奠定了基礎(chǔ)。

4 數(shù)據(jù)誤讀產(chǎn)生的效率偏差

效率計(jì)算的基本公式為：

式中，kρ為空氣密度換算系數(shù)；Pr為通風(fēng)機(jī)輸入功率，kW。

依次將式(14)、(15)、(16)、(17)代入(18)，整理得出對(duì)應(yīng)的效率計(jì)算公式。

式中：η裝置靜壓為裝置靜壓效率；η裝置全壓為裝置全壓效率；η靜壓為通風(fēng)機(jī)靜壓效率；η全壓為通風(fēng)機(jī)全壓效率。

日常工作中，效率偏差，通常以2種形式出現(xiàn)。

第1種是概念性的，無(wú)所謂對(duì)錯(cuò)，即試驗(yàn)報(bào)告到底應(yīng)該使用裝置靜壓效率，還是通風(fēng)機(jī)靜壓效率。式(19)較式(21)，增加了彎道、擴(kuò)散器和消音器的阻力損失，裝置靜壓效率比通風(fēng)機(jī)靜壓效率高，這也是試驗(yàn)報(bào)告效率與廠家效率相差較大的一個(gè)主要原因。關(guān)于這點(diǎn)，上文已經(jīng)有所論述，從用戶(hù)實(shí)際使用角度，使用裝置效率更為準(zhǔn)確和合理。

在通風(fēng)機(jī)沒(méi)有選定以前，可以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)彎道、擴(kuò)散器和消音器的阻力損失進(jìn)行預(yù)估。《煤礦主要通風(fēng)機(jī)站設(shè)計(jì)規(guī)范》[9]，就有相應(yīng)的方法。而通風(fēng)機(jī)一旦確定下來(lái)，彎道、擴(kuò)散器和消音器的阻力損失是能夠通過(guò)公式精確計(jì)算的，所以，采用裝置靜壓效率，在操作性上可行。建議在工程實(shí)踐中采用裝置靜壓效率這個(gè)觀點(diǎn)，建議在規(guī)范中加以明確。

第2種效率偏差是人為錯(cuò)誤導(dǎo)致的，屢有發(fā)生，現(xiàn)場(chǎng)許多測(cè)試報(bào)告中，靜壓效率的計(jì)算式為：

顯然，一些測(cè)試人員誤認(rèn)為用風(fēng)機(jī)入口1的相對(duì)靜壓計(jì)算出來(lái)的效率就是通風(fēng)機(jī)靜壓效率，實(shí)際上，應(yīng)當(dāng)使用相對(duì)全壓。由此帶來(lái)的偏差大小，通過(guò)下面的實(shí)例加以體現(xiàn)。某礦FBCDZ No31通風(fēng)機(jī)的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 某礦FBCDZ No31通風(fēng)機(jī)的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果

由表1可以看出，實(shí)測(cè)通風(fēng)機(jī)靜壓效率與按錯(cuò)誤方法計(jì)算的數(shù)值相差巨大，誤差范圍為5.4%～49.5%。

5 結(jié)論與建議

5.1 結(jié)論

人為錯(cuò)誤導(dǎo)致的數(shù)據(jù)偏差，在實(shí)際工作中，通?？赡軒?lái)兩種不利后果：①用錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行設(shè)備選型，造成選型不合理，影響通風(fēng)能力；②試驗(yàn)報(bào)告不準(zhǔn)確，通風(fēng)機(jī)沒(méi)有得到真實(shí)的評(píng)價(jià)。第1種情況，如果偏差嚴(yán)重，將是對(duì)工程徹底的否定，會(huì)造成大量經(jīng)濟(jì)損失。綜上，文章最重要結(jié)論是：要將風(fēng)機(jī)入口與擴(kuò)散器出口之間的設(shè)備定義為風(fēng)機(jī)裝置，這是進(jìn)行所有相關(guān)工作的前提之一。

5.2 建議

1)不論是前期選型，還是后期實(shí)施，設(shè)計(jì)單位都要向制造廠家提供準(zhǔn)確的信息，比如明確井巷通風(fēng)阻力是風(fēng)機(jī)入口的相對(duì)全壓等。

2)制造廠家，要根據(jù)工程實(shí)際情況，對(duì)出廠曲線進(jìn)行修正，比如提供全壓曲線而不是靜壓曲線，要折算到擴(kuò)散器出口，也就是提供裝置全壓曲線。

3)風(fēng)機(jī)選型時(shí)，選型工程師要搞清楚性能曲線繪制的前提條件，保證在正確的曲線上開(kāi)展工作，否則選型幾乎不可能正確，尤其對(duì)于大型風(fēng)機(jī)。采用長(zhǎng)軸+混凝土擴(kuò)散塔的風(fēng)機(jī)，更要謹(jǐn)慎。如果缺乏資料，前期可以在裝置靜壓曲線上進(jìn)行初步的選型工作。

4)對(duì)于第三方檢測(cè)機(jī)構(gòu)，應(yīng)當(dāng)明確概念，加強(qiáng)數(shù)據(jù)對(duì)比分析，一旦發(fā)現(xiàn)異常，應(yīng)當(dāng)實(shí)事求，進(jìn)行客觀評(píng)價(jià)。