煤礦主通風(fēng)機(jī)通風(fēng)運(yùn)行穩(wěn)定性優(yōu)化研究

姬惠龍

（長治市能源工程技術(shù)中心，山西 長治 046000）

1 煤礦主通風(fēng)機(jī)通風(fēng)失穩(wěn)原因

通過對(duì)近年來國內(nèi)外各煤礦通風(fēng)系統(tǒng)故障導(dǎo)致的煤礦生產(chǎn)安全問題的匯總，煤礦主通風(fēng)機(jī)通風(fēng)失穩(wěn)的原因主要包括以下幾個(gè)方面：

1）煤礦主通風(fēng)機(jī)系統(tǒng)因故暫停使用，但此時(shí)備用的主通風(fēng)機(jī)系統(tǒng)未按時(shí)投入工作，導(dǎo)致煤礦井下通風(fēng)長時(shí)間中斷，例如東灘煤礦的通風(fēng)機(jī)停機(jī)事故。

2）煤礦主通風(fēng)機(jī)系統(tǒng)在進(jìn)行倒轉(zhuǎn)的時(shí)候，運(yùn)行風(fēng)機(jī)停止工作后備用風(fēng)機(jī)無法及時(shí)投入運(yùn)行，因?yàn)樵诿旱V實(shí)際設(shè)備布置時(shí)，主通風(fēng)機(jī)一般是布置在巷道入口位置，離礦區(qū)的變電站較遠(yuǎn)，而通風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的工作容量大，轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大，啟動(dòng)時(shí)沖擊電流大，供電系統(tǒng)的壓降大，電機(jī)發(fā)熱嚴(yán)重，因此此時(shí)備用通風(fēng)機(jī)設(shè)備能否及時(shí)投入工作成為影響通風(fēng)系統(tǒng)工作穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素。

3）通風(fēng)機(jī)系統(tǒng)在倒機(jī)過程中造成的煤礦井下巷道內(nèi)短時(shí)間的停風(fēng)失穩(wěn)，通過分析研究，對(duì)于雙突煤礦和高瓦斯煤礦，在現(xiàn)有的“停機(jī)、倒機(jī)”的工作模式下，短時(shí)間的通風(fēng)失穩(wěn)已經(jīng)成為瓦斯集聚導(dǎo)致事故發(fā)生的一個(gè)安全隱患。

4）在通風(fēng)機(jī)工作時(shí)，因煤礦井下巷道捏風(fēng)阻的變化可能會(huì)導(dǎo)致通風(fēng)機(jī)長時(shí)間的處于喘振工作狀態(tài)，造成巷道內(nèi)氣流的紊亂[1]。由于旋轉(zhuǎn)軸流式風(fēng)機(jī)的工作特性曲線為駝峰式的，當(dāng)在小流量的通風(fēng)工況下工作時(shí)容易發(fā)生旋轉(zhuǎn)失速、喘振等非穩(wěn)定工況，這個(gè)時(shí)候巷道內(nèi)氣流的脈動(dòng)情況加劇，反過來會(huì)導(dǎo)致通風(fēng)機(jī)運(yùn)行情況的進(jìn)一步惡化，造成風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)的振動(dòng)，引起葉片斷裂、葉輪機(jī)械結(jié)構(gòu)的損壞，導(dǎo)致進(jìn)一步的通風(fēng)失穩(wěn)，此時(shí)若不及時(shí)采取調(diào)整措施將導(dǎo)致通風(fēng)系統(tǒng)徹底損壞，造成更嚴(yán)重的通風(fēng)安全事故。

在上述四種通風(fēng)失穩(wěn)的原因中，第四種原因?qū)е碌耐L(fēng)失穩(wěn)最為常見，造成的危害也最為嚴(yán)重，因此重點(diǎn)從控制主通風(fēng)機(jī)喘振導(dǎo)致的通風(fēng)失穩(wěn)出發(fā)，提高煤礦通風(fēng)系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性和使用壽命，確保煤礦的安全生產(chǎn)。

2 煤礦主通風(fēng)機(jī)喘振預(yù)警機(jī)理

為確保煤礦主通風(fēng)機(jī)系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性，一方面需要對(duì)通風(fēng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，當(dāng)發(fā)現(xiàn)通風(fēng)機(jī)出現(xiàn)喘振時(shí)，及時(shí)對(duì)通風(fēng)機(jī)的運(yùn)行情況進(jìn)行調(diào)整，使通風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)避開喘振區(qū)，一方面需對(duì)通風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，降低其發(fā)生喘振的概率。

通過分析研究，風(fēng)機(jī)葉片角度所對(duì)應(yīng)的風(fēng)機(jī)運(yùn)行性能與風(fēng)機(jī)的喘振具有密切的關(guān)系，因此將軸流式通風(fēng)機(jī)各個(gè)葉片的偏斜的角度所對(duì)應(yīng)的性能曲線的喘振臨界點(diǎn)進(jìn)行連接，便可以得出通風(fēng)機(jī)在工作時(shí)的喘振臨界點(diǎn)曲線，在實(shí)際應(yīng)用中，可以將這條喘振臨界點(diǎn)曲線適當(dāng)進(jìn)行下移，這樣就能得到一條通風(fēng)機(jī)喘振報(bào)警線，位于喘振報(bào)警線以上、喘振臨界點(diǎn)以下的區(qū)域稱之為煤礦通風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的喘振報(bào)警區(qū)域[2]。

通風(fēng)機(jī)在工作狀態(tài)下，當(dāng)風(fēng)機(jī)在某一個(gè)特點(diǎn)的角度下穩(wěn)定工作時(shí)，若管路特性或者其他原因?qū)е峦L(fēng)機(jī)運(yùn)行的特性曲線向上偏移至報(bào)警區(qū)域時(shí)，報(bào)警控制系統(tǒng)將利用聲光結(jié)合信號(hào)發(fā)出報(bào)警，值班人員可以根據(jù)運(yùn)行情況快速地對(duì)通風(fēng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整，確保通風(fēng)機(jī)的工作處于喘振報(bào)警點(diǎn)以下，喘振報(bào)警原理如下頁圖1所示。

通風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的喘振的報(bào)警通常是將工作時(shí)的實(shí)際的運(yùn)行參數(shù)和系統(tǒng)設(shè)定的喘振邊界點(diǎn)上的各數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)的對(duì)比分析，軸流式通風(fēng)機(jī)的喘振的臨界曲線可用一元函數(shù)的形式進(jìn)行表述[3]：

式中：Qmin為風(fēng)機(jī)在葉片斜角為β時(shí)不出現(xiàn)喘振的臨界的氣流量；Pmax為風(fēng)機(jī)在葉片斜角為β時(shí)不出現(xiàn)喘振的臨界全壓值。

圖1 軸流風(fēng)機(jī)喘振預(yù)報(bào)原理圖

式（1）和（2）的數(shù)值形式可以利用礦區(qū)風(fēng)機(jī)布置的具體形式通過實(shí)際測量得到，假設(shè)將通風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的警戒報(bào)警的安全系數(shù)設(shè)置為k，則通風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的喘振的預(yù)警臨界曲線可表示為：

由此可得到通風(fēng)機(jī)系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)的喘振報(bào)警條件：

3 煤礦主通風(fēng)機(jī)喘振失穩(wěn)的控制

在實(shí)際生產(chǎn)中，隨著煤炭開采時(shí)間的增加，煤礦井下采掘區(qū)域不斷加大，新的巷道不斷拓展，舊的巷道也在不斷廢棄，因此煤礦井下巷道內(nèi)的阻力是不斷地在發(fā)生變化的，所以煤礦井下復(fù)雜的巷道布局使通風(fēng)失穩(wěn)的情況不斷發(fā)生，因此為了避免通風(fēng)機(jī)工作時(shí)的失穩(wěn)造成嚴(yán)重的損壞，除了對(duì)通風(fēng)機(jī)運(yùn)行失穩(wěn)進(jìn)行預(yù)警外，還要對(duì)風(fēng)機(jī)工作特性進(jìn)行優(yōu)化，擴(kuò)大其穩(wěn)定工作范圍，縮小其失穩(wěn)工作的區(qū)域，根據(jù)對(duì)風(fēng)機(jī)失穩(wěn)和風(fēng)機(jī)工作特性的研究，在總結(jié)實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，提出了針對(duì)不同通風(fēng)機(jī)優(yōu)化其結(jié)構(gòu)，提高其穩(wěn)定工作范圍的方法。

1）增加分流器，提高風(fēng)葉運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的穩(wěn)定工作范圍。通過對(duì)通風(fēng)機(jī)發(fā)生失穩(wěn)原因的分析，當(dāng)巷道內(nèi)的風(fēng)流量減小到一個(gè)臨界點(diǎn)時(shí)，通風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)葉片的非工作面開始出現(xiàn)脫流的現(xiàn)象，造成失速區(qū)的壓力下降，風(fēng)機(jī)的氣流在離心力的作用下向風(fēng)葉頂部轉(zhuǎn)移，因此在發(fā)生失速時(shí)是從風(fēng)葉頂部出現(xiàn)旋渦倒流開始的。根據(jù)這個(gè)現(xiàn)象采用在通風(fēng)機(jī)風(fēng)葉的前端設(shè)置一個(gè)旋轉(zhuǎn)分流器，將葉片頂端的倒流的氣流進(jìn)行分流，避免旋轉(zhuǎn)紊流對(duì)葉片進(jìn)氣氣流的干擾，降低進(jìn)入風(fēng)葉的主氣流的渦流，提高喘振點(diǎn)處的壓力，根據(jù)實(shí)際測量結(jié)果表明，在風(fēng)機(jī)處增加分流器后能夠顯著降低風(fēng)機(jī)發(fā)生喘振的概率。

2）在通風(fēng)機(jī)風(fēng)道內(nèi)加裝旁管通道消除喘振。當(dāng)風(fēng)機(jī)在工作時(shí)發(fā)生喘振報(bào)警后，控制打開旁管通道，使外界的空氣流入風(fēng)機(jī)，使溢流氣流和風(fēng)機(jī)氣流并聯(lián)工作，可將風(fēng)機(jī)工作時(shí)的工況由喘振報(bào)警段下降為正常工作區(qū)域。

4 結(jié)論

1）在風(fēng)機(jī)處增加分流器后，能夠顯著降低風(fēng)機(jī)發(fā)生喘振的概率，提高風(fēng)葉運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的穩(wěn)定工作范圍。

2）在通風(fēng)機(jī)風(fēng)道內(nèi)設(shè)置旁管通道，可將風(fēng)機(jī)工作時(shí)的工況由喘振報(bào)警段下降為正常工作區(qū)域。