局部通風(fēng)機(jī)風(fēng)量測(cè)試方法研究

武永勝，劉云琰，李 林

(1.中檢集團(tuán) 公信安全科技有限公司，山東 棗莊 277101；2.華北科技學(xué)院 安全工程學(xué)院，北京 東燕郊 065201)

0 引言

風(fēng)量是煤礦進(jìn)行通風(fēng)管理的關(guān)鍵參數(shù)之一，風(fēng)量參數(shù)決定著通風(fēng)機(jī)性能的好壞[1，2]?！睹旱V安全規(guī)程》第一百六十三條第一款規(guī)定“掘進(jìn)巷道必須采用礦井全風(fēng)壓通風(fēng)或者局部通風(fēng)機(jī)通風(fēng)?！本植客L(fēng)機(jī)是地下開采礦山非常重要的安全生產(chǎn)設(shè)備。其主要作用是為未形成全風(fēng)壓通風(fēng)系統(tǒng)的掘進(jìn)工作面或通風(fēng)困難的工作地點(diǎn)提供新鮮風(fēng)量[3]。地下開采礦山局部通風(fēng)機(jī)使用量大，一方面可以源源不斷地向井下各用風(fēng)地點(diǎn)提供質(zhì)優(yōu)量足的新鮮空氣，保證工作人員的呼吸，另一方面能夠稀釋并排放粉塵等各種有毒有害物質(zhì)，降低作業(yè)地點(diǎn)的環(huán)境溫度，給井下工人創(chuàng)造良好的工作環(huán)境。在發(fā)生災(zāi)變時(shí)，還能有效、及時(shí)地控制風(fēng)向及風(fēng)量，并與其他措施相結(jié)合，防止災(zāi)害的擴(kuò)大，進(jìn)而預(yù)防事故，減少人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。由于地下開采礦山的掘進(jìn)巷道內(nèi)作業(yè)環(huán)境十分復(fù)雜且作業(yè)條件較為惡劣，不易測(cè)得相應(yīng)區(qū)域的工況參數(shù)，所以目前對(duì)于地下開采礦山局部通風(fēng)機(jī)風(fēng)量測(cè)試的研究相對(duì)較少[4]，大多數(shù)學(xué)者集中在煤礦主要通風(fēng)機(jī)的風(fēng)量測(cè)試研究上[13，14]?，F(xiàn)有的風(fēng)量測(cè)試方法有流速測(cè)定法[5，6]、速壓測(cè)定法[6]和靜壓差法測(cè)風(fēng)法[1，5-7]。流速測(cè)定法主要包括風(fēng)速傳感器法或者人工測(cè)風(fēng)，根據(jù)所測(cè)結(jié)果結(jié)合斷面積進(jìn)行風(fēng)量計(jì)算。風(fēng)速傳感器測(cè)風(fēng)受人為因素影響較小，所測(cè)風(fēng)量相對(duì)準(zhǔn)確。在測(cè)風(fēng)前需做大量準(zhǔn)備工作，如在測(cè)風(fēng)道內(nèi)安設(shè)支撐架，將傳感器固定等；安裝時(shí)易受現(xiàn)場(chǎng)條件限制；測(cè)風(fēng)過程中，風(fēng)流攜帶的硬物可能損壞傳感器；測(cè)風(fēng)結(jié)束后傳感器的多次清洗會(huì)對(duì)其精度產(chǎn)生影響，需要不斷調(diào)試和校準(zhǔn)[2，5]。該測(cè)風(fēng)法要求礦方停止作業(yè)，尤其不適用于高瓦斯礦井。人工測(cè)風(fēng)主要是對(duì)小型通風(fēng)機(jī)的風(fēng)量進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量大型通風(fēng)機(jī)風(fēng)量易受到斷面高度和風(fēng)流流場(chǎng)影響，不僅會(huì)導(dǎo)致測(cè)量誤差較大，而且具有危險(xiǎn)性[5]。速壓測(cè)定中主要采用等面積平均速壓測(cè)定法，通過直接“綁扎皮托管”固定或皮托管逐步插入到定點(diǎn)位置進(jìn)行測(cè)定，該法容易受到風(fēng)流擾動(dòng)及渦流影響，導(dǎo)致測(cè)試數(shù)據(jù)不穩(wěn)定[6]。流速測(cè)定法和速壓測(cè)定法對(duì)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試條件要求較高，操作困難，所測(cè)結(jié)果誤差較大，實(shí)際應(yīng)用也會(huì)受限[5，6]。因此，本文提出采用一種對(duì)現(xiàn)場(chǎng)條件適應(yīng)性強(qiáng)、測(cè)試數(shù)據(jù)穩(wěn)定且誤差較小的風(fēng)量測(cè)定法——靜壓差法對(duì)FBD對(duì)旋局部通風(fēng)機(jī)風(fēng)量進(jìn)行測(cè)試。

1 靜壓差法測(cè)定風(fēng)量

1.1 測(cè)風(fēng)裝置

GB/T 2624.4-2006/ISO 5167-4：2003《用安裝在圓形截面管道中的壓差裝置測(cè)量滿管流體流量 第4部分：文丘里管》[9]提供了測(cè)量局部通風(fēng)機(jī)風(fēng)量的設(shè)施——文丘里管。文丘里管主要分為4部分，如圖1所示，分別是入口圓筒段、圓錐收縮段、圓筒喉部和圓錐擴(kuò)散段，入口圓筒段和圓筒喉部之間存在靜壓差。當(dāng)校準(zhǔn)后的裝置與該裝置在幾何上是相似的，且使用條件也相同時(shí)，可通過壓差實(shí)際測(cè)量值和所具有的流體條件來確定流量。推廣利用文丘里管檢測(cè)局部通風(fēng)機(jī)風(fēng)量是創(chuàng)新檢測(cè)方法。

圖1 文丘里管

運(yùn)用文丘里管原理[9]加工局部通風(fēng)機(jī)測(cè)風(fēng)裝置。通過這一裝置測(cè)量運(yùn)行工況下的靜壓，精準(zhǔn)測(cè)量局部通風(fēng)機(jī)風(fēng)量。加工局部通風(fēng)機(jī)測(cè)風(fēng)裝置時(shí)，將文丘里管入口圓筒段簡化成大氣環(huán)境，圓筒擴(kuò)散段與待測(cè)局部通風(fēng)機(jī)部分共用，尺寸長度按標(biāo)準(zhǔn)文丘里管結(jié)構(gòu)縮放，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 局部通風(fēng)機(jī)測(cè)風(fēng)裝置結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 測(cè)風(fēng)原理

靜壓差法測(cè)風(fēng)依據(jù)了流體力學(xué)原理[12]。當(dāng)流體流經(jīng)通風(fēng)機(jī)內(nèi)部的變徑管時(shí)，流體流速變化和對(duì)應(yīng)的阻力大小受到影響[10]，內(nèi)部能量出現(xiàn)相互轉(zhuǎn)化的現(xiàn)象，其能量轉(zhuǎn)化大小與流體風(fēng)量、風(fēng)流流速、變徑管幾何尺寸和形狀有關(guān)[1，5，6]。通過確定上述關(guān)系便能夠準(zhǔn)確測(cè)定流體的風(fēng)量。

在文丘里管入口圓筒段和圓筒喉部選擇兩個(gè)近距離斷面測(cè)定靜壓差，然后計(jì)算風(fēng)量。由于文丘里管入口圓筒段平直且有收縮均勻段，滿足靜壓差測(cè)試風(fēng)量的要求。根據(jù)能量方程和相近斷面的能量轉(zhuǎn)換關(guān)系，列出伯努利方程[9]和連續(xù)性方程：

(1)

V1S1=V2S2

(2)

式中，P1、P2為兩斷面的平均絕對(duì)靜壓；V1、V2為兩斷面的平均風(fēng)速；H1、H2為兩斷面相對(duì)于基準(zhǔn)面的標(biāo)高；S1、S2為兩斷面的過流面積；ζ為兩斷面的局部阻力系數(shù)。

因?yàn)樗x的兩個(gè)斷面間距相差很小，流場(chǎng)比較穩(wěn)定，勢(shì)能相等，所以兩個(gè)斷面間的局部阻力可以忽略，即ρ1≈ρ2=ρ，H1≈H2，ζ=0[1][8]。將入口圓筒簡化成大氣環(huán)境，由于斷面無限大，故入口風(fēng)速可以認(rèn)為是“0”。同時(shí)考慮到局部通風(fēng)機(jī)測(cè)風(fēng)裝置的校正系數(shù)k。將公式(1)和公式(2)及所述條件聯(lián)立求解，所得的通風(fēng)機(jī)風(fēng)量計(jì)算公式為：

(3)

式中，Q為局部通風(fēng)機(jī)的吸風(fēng)量，m3/min；S為測(cè)風(fēng)斷面的斷面積，m2；P為(P1-P2)，測(cè)風(fēng)斷面處相對(duì)靜壓差，Pa；ρ為風(fēng)道內(nèi)氣體密度，kg/m3。

1.3 注意事項(xiàng)

在使用靜壓差法實(shí)際測(cè)定局部通風(fēng)機(jī)風(fēng)量時(shí)，準(zhǔn)備工作簡單，測(cè)試參數(shù)較少，操作簡單，數(shù)據(jù)便于現(xiàn)場(chǎng)獲取且較為穩(wěn)定，但要特別注意測(cè)壓計(jì)本身所存在的精度問題[10]、穩(wěn)定性問題以及所選斷面的面積問題等[2，5，6，11]。

(1) 在選擇測(cè)風(fēng)斷面時(shí)，盡量保證所選的兩個(gè)斷面在引風(fēng)道中，斷面間距相差較小，斷面面積相差30%～50%，最好大于50%，風(fēng)流較為穩(wěn)定，且能夠很容易地引出靜壓管。

(2) 進(jìn)行測(cè)量時(shí)要確保管道和兩個(gè)鄰近斷面間沒有出現(xiàn)堵塞或者漏氣現(xiàn)象，防止作業(yè)人員踩踏膠管。

(3) 要妥善保管固定膠管，避免其在風(fēng)流中隨意擺動(dòng)，引出膠管時(shí)要防止其受到風(fēng)門的擠壓。

(4) 進(jìn)行局部通風(fēng)機(jī)安全性能檢測(cè)時(shí)，也應(yīng)把基于文丘里管改進(jìn)裝置的靜壓差測(cè)風(fēng)法納入到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中，推廣利用文丘里管檢測(cè)局部通風(fēng)機(jī)風(fēng)量這一創(chuàng)新檢測(cè)方法。

2 測(cè)試實(shí)例

利用圖2所示裝置測(cè)定FBD№6.0/2×15[16]型局部通風(fēng)機(jī)風(fēng)量，檢測(cè)數(shù)據(jù)如表1所示。經(jīng)實(shí)驗(yàn)分析，局部通風(fēng)機(jī)測(cè)風(fēng)裝置的修正系數(shù)k值為0.987，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的風(fēng)量計(jì)算結(jié)果如表2所示。只有將計(jì)算所得參數(shù)換算成標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的參數(shù)才能夠使實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)更具有普遍性和代表性。

表1 FBD№6.0/2×15型局部通風(fēng)機(jī)測(cè)試數(shù)據(jù)

表2 FBD№6.0/2×15型局部通風(fēng)機(jī)數(shù)據(jù)分析結(jié)果

轉(zhuǎn)速校正系數(shù)Kn、空氣密度校正系數(shù)Kρ、標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下風(fēng)機(jī)的風(fēng)量Q和風(fēng)壓Htd轉(zhuǎn)化公式如下：

Kn=n0/ni

(4)

式中，n0為風(fēng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速，r/min；ni為風(fēng)機(jī)在工況點(diǎn)時(shí)的實(shí)際轉(zhuǎn)速，r/min。

由于風(fēng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速和風(fēng)機(jī)在各個(gè)工況點(diǎn)時(shí)的實(shí)際轉(zhuǎn)速是基本相同的，故Kn取1。

Kρ=ρ0/ρi

(5)

式中，ρ0為礦井標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下空氣密度，kg/m3；ρi為第i工況點(diǎn)時(shí)的空氣密度，kg/m3。

Q=Kn·Q′

(6)

式中，Q′為計(jì)算所得風(fēng)量值，m3/s。

(7)

經(jīng)轉(zhuǎn)化，標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)值如表2所示。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)值，以風(fēng)量為橫坐標(biāo)，以風(fēng)壓為縱坐標(biāo)，繪制局部通風(fēng)機(jī)在礦井標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的實(shí)測(cè)特性曲線[13]，即將各工況點(diǎn)數(shù)據(jù)繪制在圖中，并連成曲線。標(biāo)準(zhǔn)性能曲線見圖3。FBD№6.0/2×15型通風(fēng)機(jī)風(fēng)量范圍為4～7 m3/s，風(fēng)壓范圍為350～5150 Pa，由圖3可看出，利用通風(fēng)機(jī)裝置試驗(yàn)得到的標(biāo)準(zhǔn)性能曲線滿足要求，通風(fēng)機(jī)裝置使用性能良好。

圖3 FBD №6.0/2×15型局部通風(fēng)機(jī)測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)性能曲線

FBD№6.0/2×15型局部通風(fēng)機(jī)出廠性能曲線如圖4所示。分析實(shí)測(cè)局部通風(fēng)機(jī)標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)性能曲線，對(duì)比分析FBD№6.0/2×15型局部通風(fēng)機(jī)出廠性能曲線，測(cè)試誤差見表3。

圖4 FBD №6.0/2×15型局部通風(fēng)機(jī)出廠性能曲線

表3 FBD№6.0/2×15型局部通風(fēng)機(jī)數(shù)據(jù)對(duì)比分析結(jié)果

利用通風(fēng)機(jī)測(cè)風(fēng)裝置進(jìn)行通風(fēng)機(jī)性能測(cè)試，靜壓差法計(jì)算通風(fēng)機(jī)風(fēng)量繪制性能曲線和通風(fēng)機(jī)出廠性能曲線對(duì)比，得出如表3所列數(shù)據(jù)。經(jīng)過統(tǒng)計(jì)分析，絕對(duì)誤差在0.3～0.6m3/s之間，中位數(shù)0.5 m3/s；相對(duì)誤差中位數(shù)8%，在誤差允許范圍區(qū)間[15]。

3 結(jié)論

(1) 井下掘進(jìn)巷道作業(yè)環(huán)境復(fù)雜且參數(shù)獲取難度大。我國煤礦更傾向于研究主要通風(fēng)機(jī)風(fēng)量測(cè)定方法，包括流速測(cè)定法、速壓測(cè)定法和靜壓差法測(cè)風(fēng)法。與前兩個(gè)方法相比，靜壓差測(cè)風(fēng)法對(duì)環(huán)境要求低，測(cè)試數(shù)據(jù)穩(wěn)定，且實(shí)際應(yīng)用不受限制，故煤礦多采用靜壓差測(cè)風(fēng)法。

(2) 我國現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)GB/T 2624.4-2006提出測(cè)量局部通風(fēng)機(jī)風(fēng)量的設(shè)施——文丘里管?；谖那鹄锕艿撵o壓差法測(cè)量局部通風(fēng)機(jī)風(fēng)量，操作簡單，測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確，適合現(xiàn)場(chǎng)局部通風(fēng)機(jī)風(fēng)量檢測(cè)。推廣使用這種測(cè)量方法，可以提高現(xiàn)場(chǎng)使用局部通風(fēng)機(jī)風(fēng)量測(cè)試方法的科學(xué)性，規(guī)范、統(tǒng)一局部通風(fēng)機(jī)的測(cè)試方法。

(3) 定期開展局部通風(fēng)機(jī)安全檢測(cè)檢驗(yàn)工作，可為礦山企業(yè)的設(shè)備管理和礦山企業(yè)監(jiān)督管理部門的安全監(jiān)管提供技術(shù)支持和執(zhí)法依據(jù)，對(duì)提高局部通風(fēng)機(jī)的使用效果、保障非全風(fēng)壓供風(fēng)地點(diǎn)的需風(fēng)量具有重要的作用和意義。