礦用軸流式主通風(fēng)機(jī)應(yīng)用調(diào)速技術(shù)的有效性分析

王育江

(山西焦煤西山煤電股份有限公司 馬蘭礦， 山西 古交 030200)

0 引言

多年以來，人們一直在探討調(diào)速技術(shù)在礦用軸流式通風(fēng)機(jī)上的應(yīng)用問題，通過改變轉(zhuǎn)速的方法提高通風(fēng)機(jī)運(yùn)行工況點(diǎn)的效率，并有一些相關(guān)的文獻(xiàn)報(bào)導(dǎo)。歸納起來,比較有代表性的內(nèi)容主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：①變頻器應(yīng)用于軸流式通風(fēng)機(jī)后，分析變頻調(diào)速前后通風(fēng)機(jī)工況點(diǎn)的變化，以及相應(yīng)的節(jié)能效果[1]。②分析通風(fēng)機(jī)應(yīng)用變頻器在電氣與控制方面的特性及優(yōu)勢，如能減小電壓波動(dòng)對(duì)通風(fēng)機(jī)的影響，減小了機(jī)械振動(dòng)及電氣沖擊；同時(shí)，應(yīng)用變頻器后具有良好的控制與調(diào)節(jié)特性，提高了通風(fēng)機(jī)設(shè)備的自動(dòng)化水平[2]。

通風(fēng)機(jī)的性能用其特性曲線來表示。有別于以往的研究，本文將根據(jù)通風(fēng)機(jī)特性曲線的特征，考察工況點(diǎn)在通風(fēng)機(jī)特性曲線上所處的位置對(duì)調(diào)速效果的影響，分析礦用軸流式通風(fēng)機(jī)應(yīng)用調(diào)速技術(shù)的有效性及局限性。

1 通風(fēng)網(wǎng)路阻力特性曲線與比例曲線

通風(fēng)機(jī)在網(wǎng)路上工作時(shí)，若其工況點(diǎn)不能滿足通風(fēng)網(wǎng)路的需要，就必須對(duì)其進(jìn)行調(diào)節(jié)。

調(diào)速是通風(fēng)機(jī)若干調(diào)節(jié)方法中的一種。當(dāng)通風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速發(fā)生變化時(shí)，其相應(yīng)工況點(diǎn)間工況參數(shù)的變化規(guī)律由下述比例定律確定。

(1)

(2)

η=ηm

(3)

式中:p、Q、η分別為通風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為n時(shí)的靜壓、流量和效率；pm、Qm、ηm分別為通風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為nm時(shí)的靜壓、流量和效率。

將式(1)和式(2)進(jìn)行合并整理后得到:

(4)

式(4)所表達(dá)的是過坐標(biāo)原點(diǎn)的拋物線方程。將式(4)表達(dá)的曲線在坐標(biāo)圖中畫出，如圖1所示。圖1中的曲線R，即為比例曲線。比例曲線也是轉(zhuǎn)速改變時(shí)相似工況點(diǎn)變化的軌跡[3]。圖1中的曲線p是通風(fēng)機(jī)的壓頭特性曲線。過工況點(diǎn)M作一條通風(fēng)網(wǎng)路阻力特性曲線。由于該曲線同樣是過坐標(biāo)原點(diǎn)的拋物線，所以過同一工況點(diǎn)的比例曲線與通風(fēng)網(wǎng)路阻力曲線相重合。

圖1 比例曲線與通風(fēng)網(wǎng)路阻力特性曲線

另外，根據(jù)式(3)可知，通風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速發(fā)生變化時(shí)，相似工況點(diǎn)對(duì)應(yīng)的效率不變。這是變轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的一個(gè)重要特性，也是分析軸流式通風(fēng)機(jī)應(yīng)用變速技術(shù)是否有效的基本依據(jù)。

在圖1中，若想用改變轉(zhuǎn)速的方法將工況點(diǎn)由M調(diào)節(jié)到Ma，則作一條通過Ma的比例曲線Rb(該曲線也是通過Ma的通風(fēng)網(wǎng)路阻力特性曲線)。比例曲線Rb與壓頭曲線p相交于Mb。Ma和Mb是相似工況點(diǎn)，根據(jù)兩點(diǎn)對(duì)應(yīng)的流量或壓頭，應(yīng)用式(1)或式(2)即可計(jì)算得到Ma所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速。

2 風(fēng)機(jī)特性曲線的區(qū)域劃分及相應(yīng)的調(diào)速效果

軸流式通風(fēng)機(jī)在一定轉(zhuǎn)數(shù)下有一組確定的特性曲線相對(duì)應(yīng)。圖2即是一臺(tái)2K60-21No28型風(fēng)機(jī)在轉(zhuǎn)數(shù)n=600 r條件下的特性曲線[4]。圖2中的環(huán)形或半環(huán)形曲線稱為通風(fēng)機(jī)的等效率曲線，從低到高其效率值依次為0.600、0.650……0.824。

圖2 通風(fēng)機(jī)特性曲線及區(qū)域劃分

等效率曲線是將不同葉片角度下壓頭特性曲線上效率相等的點(diǎn)進(jìn)行光滑連接而成的。同時(shí),在圖2中還給出了3條調(diào)速比例曲線，即K1、K2和K3。比例曲線(或通風(fēng)網(wǎng)路阻力特性曲線)與等效率曲線之間的相對(duì)關(guān)系有兩種——平行和相交。為分析問題方便，給出兩類曲線夾角β的概念及角度β正負(fù)的定義：考察兩類曲線交點(diǎn)上方的分支，以等效率曲線為基準(zhǔn)，比例曲線在等效率曲線左側(cè)時(shí)，其夾角β為正，反之為負(fù)。當(dāng)兩線平行時(shí)其夾角β為零。

通過考察比例曲線與等效率曲線夾角β在特性曲線坐標(biāo)平面上的分布狀況，可以發(fā)現(xiàn)：軸流式通風(fēng)機(jī)應(yīng)用調(diào)速技術(shù)時(shí)，其有效性取決于工況點(diǎn)在風(fēng)機(jī)特性曲線上所處的位置。根據(jù)風(fēng)機(jī)特性曲線上不穩(wěn)定區(qū)與工作區(qū)域的分界線、最高效率點(diǎn)對(duì)應(yīng)的壓頭特性曲線及等效率曲線的分布特征，可將表示通風(fēng)機(jī)特性曲線的整個(gè)坐標(biāo)平面用點(diǎn)劃線劃分為4個(gè)區(qū)域，即圖2中所示的A、B、C和D區(qū)。

各區(qū)域的劃分原則如下：A區(qū)的左上邊界是風(fēng)機(jī)特性曲線上正常工作區(qū)與不穩(wěn)定區(qū)的分界線，右上邊界是通過最高效率點(diǎn)的壓頭特性曲線(本文中是對(duì)應(yīng)著35°安裝角的曲線，該角度也被稱為最佳安裝角)，左下邊界是最小安裝角對(duì)應(yīng)的壓頭特性曲線，右下邊界是一條與比例曲線近似平行的等效率曲線。當(dāng)A確定后，如圖2所示，其他各區(qū)域即相應(yīng)地可確定。其中B區(qū)是開放的，向右下沒有封閉。

下面分別探討當(dāng)通風(fēng)機(jī)運(yùn)行工況點(diǎn)分別位于上述不同區(qū)域時(shí)，應(yīng)用調(diào)速技術(shù)的有效性。

1)A區(qū)：在該區(qū)內(nèi)，比例曲線(或通風(fēng)網(wǎng)路阻力特性曲線)與等效率曲線的夾角β為正。比例曲線K1接近A區(qū)的左上方邊界時(shí)，則與某些等效率曲線的夾角β最大可達(dá)90°，且比例曲線通過了通風(fēng)機(jī)的最高效率點(diǎn)。此種情況下，若要求通風(fēng)機(jī)的工況點(diǎn)位于M1，當(dāng)不采用調(diào)速方法時(shí)，需將通風(fēng)機(jī)葉片的安裝角調(diào)整為15°，工況點(diǎn)效率為0.620。

若應(yīng)用改變轉(zhuǎn)數(shù)的方法使工況點(diǎn)位于M1，則應(yīng)考察比例曲線K1上哪一點(diǎn)對(duì)應(yīng)的風(fēng)機(jī)特性曲線上效率最高，將效率最高的點(diǎn)稱為參考工況點(diǎn)。由圖2可知，葉片安裝角為35°時(shí)的壓頭特性曲線與K1交點(diǎn)M2處的效率最高，其效率值為0.824，則M2即為參考工況點(diǎn)。因此,將葉片安裝角定為35°，從圖2中查出M1和M2各自所對(duì)應(yīng)的壓頭或流量，根據(jù)式(1)或式(2)即可求出工況M1點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)數(shù)。因?yàn)镸1和M2是相似工況點(diǎn)，兩者效率相等，均為0.824,所以應(yīng)用調(diào)速技術(shù)相對(duì)于改變?nèi)~片角度，效率提高值為0.204。

由上述分析可見，當(dāng)β接近或等于90°時(shí)，比例曲線與等效率曲線接近正交，等效率曲線沿比例曲線的變化梯度最大，且比例曲線K1上某一點(diǎn)位于通風(fēng)機(jī)的最高效率區(qū)域，從而有一個(gè)高效率的參考工況點(diǎn)。因此，在此種狀況下應(yīng)用調(diào)速技術(shù)可取得最佳效果。隨著比例曲線K1向右下方偏移，β角逐漸變小，應(yīng)用調(diào)速技術(shù)的效果也逐漸變差。

2)B區(qū)：在該區(qū)內(nèi)，比例曲線K2與區(qū)域的左上邊界，即效率為0.600的等效率曲線夾角β接近于0°，比例曲線與等效率曲線近似平行，等效率曲線沿比例曲線的變化梯度為0。因此，在此種情況下使用調(diào)速方法不會(huì)提高風(fēng)機(jī)的效率。要想調(diào)節(jié)通風(fēng)機(jī)的流量,可使用改變?nèi)~片角度的方法。

若比例曲線K2進(jìn)一步向左下方偏移，則β<0°。在這種情況下要減小流量，應(yīng)用調(diào)速技術(shù)相對(duì)于改變?nèi)~片角度,效率反而會(huì)降低。由此可見，當(dāng)β≤0°時(shí)，應(yīng)用調(diào)速技術(shù)是得不償失的。

3)C區(qū)：該區(qū)域是葉片安裝角大于最佳葉片安裝角的區(qū)域。當(dāng)工況點(diǎn)位于該區(qū)域，尤其是接近葉片的最大安裝角時(shí)，說明通風(fēng)機(jī)已經(jīng)接近于滿負(fù)荷，不再需要變速調(diào)節(jié)。

4)D區(qū)：該區(qū)域是一個(gè)特殊的區(qū)域，在該區(qū)內(nèi)比例曲線與某些等效率曲線的最大夾角雖然可達(dá)90°，但該區(qū)靠近通風(fēng)機(jī)的不穩(wěn)定區(qū)。因此，它限制了調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用。只有當(dāng)通風(fēng)機(jī)能力很大，而通風(fēng)機(jī)的運(yùn)行安裝角較小——如要求工況點(diǎn)處在該區(qū)域的下方時(shí)，才能在此有限的范圍內(nèi)應(yīng)用調(diào)速技術(shù)，實(shí)現(xiàn)提高效率的目的。值得注意的是，在該區(qū)域內(nèi)選擇參考工況點(diǎn)，既要考慮通風(fēng)機(jī)的效率，還不能使其位于不穩(wěn)定區(qū)內(nèi)。

3 調(diào)速技術(shù)的其他應(yīng)用場合

對(duì)于不具備動(dòng)葉片自動(dòng)調(diào)節(jié)的軸流式通風(fēng)機(jī)，當(dāng)流量頻繁變化時(shí)，用改變?nèi)~片角度的方法跟隨礦井流量的變化是一件繁瑣的事情。況且，動(dòng)葉片的頻繁調(diào)節(jié)，將致使動(dòng)葉片根部鎖緊機(jī)構(gòu)過早地磨損。為了避免這種情況的發(fā)生，將動(dòng)葉片安裝角調(diào)到一合適的角度，而后采用改變轉(zhuǎn)數(shù)的方法使通風(fēng)機(jī)的流量跟隨礦井流量的變化，是一種可以考慮的方案。對(duì)于這一方案，在某些情況下雖有可能降低通風(fēng)機(jī)的運(yùn)行效率，但通風(fēng)機(jī)實(shí)現(xiàn)了按需供風(fēng)，并省去了頻繁調(diào)節(jié)葉片角度帶來的麻煩。

4 結(jié)語

1) 軸流式通風(fēng)機(jī)應(yīng)用變轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)是否有效，與通風(fēng)機(jī)運(yùn)行工況點(diǎn)所處的區(qū)域有關(guān)。在某一區(qū)域內(nèi)可以取得較好的效果，而在另外一些區(qū)域則沒有效果，甚至適得其反。因此，將變轉(zhuǎn)速技術(shù)用于節(jié)能目的時(shí)，應(yīng)根據(jù)通風(fēng)機(jī)特性曲線與比例曲線之間的關(guān)系進(jìn)行認(rèn)真的技術(shù)分析。

2) 本文雖然是針對(duì)一臺(tái)2K60型通風(fēng)機(jī)進(jìn)行探討的，但其解決問題的方法也適用于其他形式的軸流式通風(fēng)機(jī)，也包括對(duì)旋式通風(fēng)機(jī)。不同類型的軸流式通風(fēng)機(jī)盡管其特性曲線各有差異，但特性曲線的分布特征和基本要素是相同的。因此，對(duì)于其他形式的軸流式通風(fēng)機(jī)，均可以按照上述思路劃分出應(yīng)用變速技術(shù)的有效區(qū)域。