變頻軸流式風機風量-效率關(guān)系研究

徐 杰

（山西潞安化工集團潞寧煤業(yè)有限責任公司，山西 忻州 036700）

為了使礦井主要通風機高效運轉(zhuǎn)從而實現(xiàn)節(jié)能減排的目標，本文搭建了煤礦主要通風機比例模型，并進行了風機特性研究實驗，研究軸流式通風機在不同頻率下的效率并選出軸流式風機最優(yōu)效率，為現(xiàn)場通風管理提供科學依據(jù)。

1 主要通風機特性曲線理論研究

1.1 基本性能參數(shù)

（1）主要通風機的流量

主要通風機的流量是指在一段時間里經(jīng)過風機入口處的空氣體積[1-3]。測流量最常見的方法是風速法。風速法的內(nèi)涵是由測試位置的平均風速與斷面積相乘求得，如公式（1）：

Q=VS（1）

式中：S為測試位置斷面積，m2；V為位于測試位置的平均風速，m/s。

（2）主要通風機的裝置靜壓與全壓

主要通風機全壓Ht的含義為主要通風機克服通風阻力與出口動能損失，通風機的靜壓Hs的含義為克服管網(wǎng)阻力的風壓，如公式（2）：

式中：cosφ為功率因數(shù)；η1為電動機效率；η2為傳動效率。

（5）主要通風機的轉(zhuǎn)速

風機轉(zhuǎn)速為單位時間內(nèi)風機軸轉(zhuǎn)過的轉(zhuǎn)數(shù)，通常用n表示，單位為r/min。

1.2 礦井軸流式主通風機的特性曲線

通過風壓、風量等參數(shù)的變化，可以得到主要通風機的運行特性。主要通風機的性能曲線變化規(guī)律趨勢可分別用曲線表示出來，即H-Q、N-Q、和η-Q曲線。三條主要通風機的性能曲線如圖1～圖3 所示，本文主要研究內(nèi)容為η-Q曲線。

圖1 H-Q 曲線

圖2 N-Q 曲線

圖3 η-Q 曲線

（1）風壓特性曲線

風壓特性曲線存在一個“駝峰”區(qū)，比較陡峭，由圖1可知。當風量變化較小的時候，風壓較為敏感，變化較大[4]。

（2）輸入功率曲線

軸流式通風機最高點右下側(cè)的功率隨著風量的增加而減小，目的是為了避免因啟動時電流過大而致使電機超載。在風機啟動時，閘門應當保證打開和半打開的狀態(tài)，直至風機運轉(zhuǎn)穩(wěn)定后，將閘門調(diào)到合適位置。

（3）效率曲線

隨著風量的增加，主要通風機的效率呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢（本文研究內(nèi)容）。

2 變頻軸流式風機比例模型實驗

2.1 實驗設計

為得到礦井主要通風機調(diào)頻與效率之間的規(guī)律，本文進行了實驗研究。以軸流式風機和比例模型管道為原型，構(gòu)建出的實驗示意模型如圖4。

圖4 實驗模型設計效果圖

實驗包含的主要設備有：軸流式風機、變頻器、管道、法蘭、便攜式通風多參、功率計、亞克力板和皮托管等。設計模擬巷道圓管尺寸為：直徑0.2 m，長4 m。

（1）工況調(diào)節(jié)的位置與操作方式

軸流式風機工況調(diào)節(jié)位置設置在距離軸流式風機出口3.5 m 的管道處。本文工況調(diào)節(jié)的主要方法為增阻法，通過增加亞克力板的方式進行調(diào)節(jié)，隨著亞克力板數(shù)量的逐漸增加，管道內(nèi)的進風面積會逐漸減小。

（2）實驗管道測風位置和測試方法

實驗管道測風位置設置在距離軸流式風機出口1 m 的管道處，此種狀態(tài)下風流能夠保證穩(wěn)定流動。使用便攜式通風多參測量風速，需要注意的是：風速探頭所處的位置位于實驗管道的圓心高度，且使風速探頭固定保持不動。

（3）實驗管道測靜壓位置和測試方法

實驗管道測風位置設置在軸流式風機的入風口處，將靜壓管固定在實驗管路的中心，為了消除速壓帶來的影響將靜壓管的尖端迎著風流，其管軸與風流方向平行進行測試。連接好便攜式通風多參，實驗時在入口處進行相對靜壓的測量，使用氣壓計同步測量大氣壓力。

2.2 實驗測試過程

首先，調(diào)節(jié)軸流式風機葉片安裝角度為定值，本文設置為0°安裝角度，對實驗儀器進行安裝調(diào)試。開始實驗后，將變頻器調(diào)至頻率為45.0 Hz，打開調(diào)節(jié)門，啟動軸流式風機，逐次加裝亞克力板進行實驗，得到45.0 Hz 的風機性能參數(shù)。然后依次調(diào)節(jié)頻率為40.0 Hz、35.0 Hz 和30.0 Hz，得到不同頻率的軸流式風機性能參數(shù)。實驗結(jié)束后關(guān)閉軸流式風機和其他電子設備。

需要注意的是：實驗過程中，通過增加亞克力板的方式調(diào)節(jié)風量時，隨著亞克力板數(shù)量的增加，管道內(nèi)的風量會發(fā)生改變。風量調(diào)節(jié)完畢，需要等待軸流式風機穩(wěn)定運行1 min，直至軸流式風機風量穩(wěn)定，再進行實驗數(shù)據(jù)的測量。在不同的頻率下，軸流式風機的性能參數(shù)也不盡相同。調(diào)頻結(jié)束后，需使軸流式風機運行5 min，直至風流穩(wěn)定，再開始記錄各組實驗數(shù)據(jù)。

3 實驗結(jié)果分析

為了探究軸流式風機頻率改變下風量與效率的關(guān)系，設定軸流式風機葉片角度為0°，通過改變風機不同的運轉(zhuǎn)頻率，統(tǒng)計主要通風機性能參數(shù)實驗數(shù)據(jù)并進行整理，結(jié)果見表1。

表1 變頻下軸流式風機性能參數(shù)整理

由圖5 和表1 可知，在30.0 Hz、35.0 Hz、40.0 Hz、45.0 Hz 四種頻率下，風量-效率曲線與現(xiàn)場實際基本一致。軸流式風機風量增加的這一過程，風機效率同時增加，達到峰值后減少。當頻率為45.0 Hz 時，風機的效率最高，達到了接近68%。另外，對比不同頻率下風機的效率，45.0 Hz>40.0 Hz >35.0 Hz >30.0 Hz，可以得出隨著運行頻率的提升，效率峰值也在提升。

圖5 0°葉片角度不同頻率下風量-效率曲線