礦井通風(fēng)系統(tǒng)分時(shí)段節(jié)能通風(fēng)設(shè)計(jì)

郭元華，李艷剛，馬鴻錄，李亞俊

（1.四川會(huì)東大梁礦業(yè)有限公司，四川會(huì)東 615200；2.湖南有色冶金勞動(dòng)保護(hù)研究院，湖南 長沙 410014）

礦井主扇風(fēng)機(jī)為礦山通風(fēng)系統(tǒng)提供動(dòng)力，保證新鮮風(fēng)流進(jìn)入井下，作業(yè)污風(fēng)排至地表，是礦井通風(fēng)系統(tǒng)中最核心的設(shè)備，主扇性能和工況的好壞直接影響著整個(gè)礦山生產(chǎn)安全問題。同時(shí)，主扇作為礦山企業(yè)的主要設(shè)備，其能耗也占礦山企業(yè)整體總能耗的相當(dāng)比重，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，礦山企業(yè)中主扇能耗約占其總用電量的7% ～15%之間［1，2］。而礦井主扇在設(shè)計(jì)選型時(shí)一般按照礦山最大需風(fēng)量設(shè)計(jì)選型，主扇往往保持工頻運(yùn)轉(zhuǎn)以保證井下生產(chǎn)用風(fēng)需求，而礦山井下作業(yè)實(shí)際需風(fēng)量與井下實(shí)際作業(yè)情況相關(guān)，各時(shí)段實(shí)際用風(fēng)量也不盡相同，部分作業(yè)時(shí)段需風(fēng)量并不需要設(shè)計(jì)最大值，如何根據(jù)礦山實(shí)際作業(yè)情況調(diào)整主扇工況，在保證礦山生產(chǎn)用風(fēng)的情況下，使主扇工況與實(shí)際生產(chǎn)相匹配，達(dá)到主扇節(jié)能供風(fēng)的目的。針對此問題，需研究主扇變頻調(diào)控風(fēng)量與各時(shí)段生產(chǎn)實(shí)際用風(fēng)量相關(guān)聯(lián)的調(diào)控方式，實(shí)現(xiàn)礦井主扇風(fēng)量與各時(shí)段生產(chǎn)用風(fēng)量相匹配，達(dá)到主扇風(fēng)機(jī)節(jié)能供風(fēng)的目的。

1 主扇風(fēng)機(jī)節(jié)能通風(fēng)方式

統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，約95%的礦山企業(yè)主扇保持穩(wěn)定的工頻運(yùn)行，其能耗占企業(yè)整體能耗的相當(dāng)比重，因此，如何根據(jù)主扇風(fēng)機(jī)調(diào)控方式及其特性有針對性地調(diào)整，達(dá)到節(jié)能目的，具有重要意義。根據(jù)總結(jié)以往研究，現(xiàn)階段風(fēng)機(jī)節(jié)能主要通過以下方式進(jìn)行：

1.礦井主扇一般選用軸流風(fēng)機(jī)，軸流風(fēng)機(jī)的特性為當(dāng)風(fēng)量恒定時(shí)，可以通過調(diào)整風(fēng)機(jī)葉片角度，減少風(fēng)機(jī)輸出值，達(dá)到降低能耗的目的。

2.風(fēng)機(jī)裝機(jī)容量是影響能耗的最根本因素，在能夠滿足礦井實(shí)際通風(fēng)的前提下，選擇裝機(jī)容量最小的主扇是最為簡單、直接的方式。

3.隨著變頻調(diào)速裝置的發(fā)展應(yīng)用，變頻控制器已經(jīng)在風(fēng)機(jī)調(diào)速中廣泛應(yīng)用，變頻器通過控制輸入電壓及頻率，調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速從而實(shí)現(xiàn)降低能耗的目的［3］。

以上三種方法均可實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)的節(jié)能運(yùn)行，但實(shí)際應(yīng)用中，一般風(fēng)機(jī)葉片角度調(diào)整實(shí)現(xiàn)復(fù)雜，在現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中難以操作；風(fēng)機(jī)裝機(jī)容量在通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)之初，考慮礦山長遠(yuǎn)發(fā)展，所選設(shè)備一般會(huì)留有部分余量，以應(yīng)對礦山提產(chǎn)量、擴(kuò)能之類。目前最為合適采用的方式便為變頻調(diào)速控制，通過調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，降低電機(jī)功耗，使用此方式控制簡便，自動(dòng)化程度高，可靠性好，便于集成［4］。因此，本次礦井主扇風(fēng)機(jī)節(jié)能通風(fēng)方式選用第三種變頻調(diào)控的方式。

2 變頻節(jié)能通風(fēng)技術(shù)

2.1 風(fēng)機(jī)變頻技術(shù)原理

風(fēng)機(jī)的變頻調(diào)速是通過變頻器調(diào)節(jié)輸入頻率實(shí)現(xiàn)的，一般風(fēng)機(jī)工頻狀況下運(yùn)轉(zhuǎn)頻率為50 Hz，若運(yùn)行頻率調(diào)至40 Hz，則風(fēng)機(jī)電機(jī)轉(zhuǎn)速變?yōu)樵~定轉(zhuǎn)速的80%，風(fēng)機(jī)的輸入頻率與電機(jī)的轉(zhuǎn)速成一次線性比例關(guān)系，則風(fēng)機(jī)的風(fēng)量也變?yōu)楣ゎl運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的80%［5］。

風(fēng)機(jī)的葉片負(fù)載特性為平方轉(zhuǎn)矩陣型，其消耗的功率與風(fēng)機(jī)軸上需要的轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的平方成正比例關(guān)系。風(fēng)機(jī)在符合幾何相似、運(yùn)動(dòng)相似和動(dòng)力相似的情況下遵循相似定律，即對于同一臺(tái)風(fēng)機(jī)，當(dāng)輸送的流體介質(zhì)密度ρ不變，僅轉(zhuǎn)速n改變的情況下，風(fēng)機(jī)性能參數(shù)的變化遵循三種比例定律：（1）Q（流量）與 n（轉(zhuǎn)速）的一次方成正比；（2）H（壓力）與轉(zhuǎn)速的二次方成正比；（3）P（軸功率）則與轉(zhuǎn)速的三次方成正比。

數(shù)學(xué)關(guān)系表示如下：

式中：Q為風(fēng)機(jī)風(fēng)量／m3·s-1；H為風(fēng)機(jī)壓力／Pa；n為風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速／r·min-1；P為風(fēng)機(jī)軸功率／kW。

當(dāng)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速發(fā)生變化時(shí)，風(fēng)機(jī)特性曲線由以上比例定律變化更改，因通風(fēng)系統(tǒng)線路不變，阻力曲線不隨轉(zhuǎn)速變化，因此，當(dāng)風(fēng)機(jī)風(fēng)量由Q1變?yōu)镼2時(shí)，風(fēng)機(jī)運(yùn)行工況由A點(diǎn)變化至C點(diǎn)，變化曲線如圖1所示。

圖1 風(fēng)機(jī)風(fēng)量、壓力特性

2.2 變頻節(jié)能通風(fēng)整體技術(shù)方案

礦山各時(shí)段一般作業(yè)強(qiáng)度不同，各時(shí)段實(shí)際需風(fēng)量不完全相同，作業(yè)強(qiáng)度高的時(shí)段，風(fēng)機(jī)工頻運(yùn)轉(zhuǎn)，在其它作業(yè)時(shí)段，根據(jù)作業(yè)點(diǎn)實(shí)際需風(fēng)量，按照風(fēng)機(jī)風(fēng)量與轉(zhuǎn)速的正比例關(guān)系計(jì)算出風(fēng)機(jī)所需風(fēng)量時(shí)對應(yīng)的轉(zhuǎn)速。頻率與轉(zhuǎn)速成正比例關(guān)系，因此，只需按照相應(yīng)的比例關(guān)系，調(diào)整風(fēng)機(jī)頻率，即可做到不同時(shí)段按照實(shí)際作業(yè)強(qiáng)度供風(fēng)，降低實(shí)際的通風(fēng)總能耗。

3 分時(shí)段節(jié)能通風(fēng)設(shè)計(jì)

3.1 各時(shí)段實(shí)際需風(fēng)量計(jì)算

本次研究設(shè)計(jì)以四川省某鉛鋅礦為代表進(jìn)行節(jié)能設(shè)計(jì)，根據(jù)該礦井下生產(chǎn)作業(yè)實(shí)際情況，其井下作業(yè)分早、中、晚三班，早班主要為出礦作業(yè)，中班為掘進(jìn)、出礦、爆破作業(yè)，晚班為掘進(jìn)和出礦作業(yè)，根據(jù)不同作業(yè)時(shí)段實(shí)際情況對需風(fēng)量進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)所需風(fēng)量對主扇風(fēng)機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速，在保證不同作業(yè)時(shí)段需風(fēng)量的同時(shí)，達(dá)到節(jié)能通風(fēng)的目的。

根據(jù)該礦井下需風(fēng)量計(jì)算，該礦井下回采作業(yè)需要的總風(fēng)量為：

掘進(jìn)工作面需風(fēng)量為：

井下主溜井排塵及硐室需風(fēng)量為：

根據(jù)該礦早、中、晚班生產(chǎn)作業(yè)變頻通風(fēng)風(fēng)量需求，早班主要為回采作業(yè)通風(fēng)，風(fēng)機(jī)變頻運(yùn)轉(zhuǎn)，中班掘進(jìn)、出礦、爆破作業(yè)，風(fēng)機(jī)工頻運(yùn)轉(zhuǎn)，晚班作業(yè)強(qiáng)度介于早班和中班間，風(fēng)機(jī)按實(shí)際需風(fēng)量變頻運(yùn)轉(zhuǎn)，則該礦井下分時(shí)段用風(fēng)需求分配見表1。

表1 井下分時(shí)段供風(fēng)量 m3／s

3.2 各時(shí)段實(shí)際需風(fēng)量計(jì)算

根據(jù)變頻調(diào)速理論及該礦早、中、晚班實(shí)際需風(fēng)量，對主扇風(fēng)機(jī)進(jìn)行分時(shí)段變頻調(diào)節(jié)。

根據(jù)通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，該礦通風(fēng)系統(tǒng)總需風(fēng)量為140 m3／s，根據(jù)表1中實(shí)際各時(shí)段需風(fēng)量顯示，早班實(shí)際需風(fēng)量為88.43 m3／s，根據(jù)式（1）中的比例關(guān)系，與工頻風(fēng)量的比值為0.63，可得知對應(yīng)88.43 m3／s風(fēng)量時(shí)，風(fēng)機(jī)頻率應(yīng)設(shè)為32 Hz；中班作業(yè)強(qiáng)度大，風(fēng)機(jī)滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，風(fēng)機(jī)工作頻率為50 Hz；晚班實(shí)際需風(fēng)量為 118.33 m3／s，與工頻風(fēng)量的比值為0.85，風(fēng)機(jī)工作頻率可設(shè)定為43 Hz。風(fēng)機(jī)實(shí)際工作頻率設(shè)定計(jì)算值見表2。

表2 分時(shí)段供風(fēng)變頻調(diào)速頻率設(shè)定值

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，該礦早、中、晚班分時(shí)段按需供風(fēng)變頻調(diào)節(jié)，早班主扇風(fēng)機(jī)變頻調(diào)節(jié)設(shè)定值應(yīng)為32 Hz；中班工頻運(yùn)轉(zhuǎn)，設(shè)定頻率為50 Hz；晚班介于中班和早班之間，設(shè)定頻率為43 Hz。實(shí)際變頻運(yùn)行工況點(diǎn)可以根據(jù)實(shí)際作業(yè)需風(fēng)量進(jìn)行靈活調(diào)節(jié)。

4 結(jié) 語

礦山井下作業(yè)實(shí)際需風(fēng)量與井下實(shí)際作業(yè)情況相關(guān)，礦山不同作業(yè)時(shí)段作業(yè)實(shí)際情況有所差異，實(shí)際所需風(fēng)量也有變化。為此，根據(jù)礦山井下作業(yè)時(shí)段實(shí)際需風(fēng)量不同，利用主扇風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速原理，合理控制各生產(chǎn)時(shí)段供風(fēng)量，主扇節(jié)能設(shè)計(jì)中根據(jù)井下作業(yè)分早、中、晚三班的實(shí)際作業(yè)需風(fēng)量計(jì)算并設(shè)置各時(shí)段的風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，對主扇風(fēng)量進(jìn)行分時(shí)段控制，使主扇工況與實(shí)際生產(chǎn)相匹配，在保證井下通風(fēng)效果的同時(shí)，有效降低能耗。