煤礦井下通風(fēng)機(jī)節(jié)能技術(shù)分析研究

劉 強(qiáng)

（山西寧武大運(yùn)華盛莊旺煤業(yè)有限公司，山西 忻州 036700）

引言

礦井通風(fēng)系統(tǒng)在地下煤礦中對(duì)于保障作業(yè)人員安全起著至關(guān)重要的作用，礦井中甲烷和煤塵存在爆炸的危險(xiǎn)。通風(fēng)系統(tǒng)的合理規(guī)劃、設(shè)計(jì)、實(shí)施和維護(hù)是實(shí)現(xiàn)煤礦井下安全開(kāi)采的必要條件。然而，隨著礦井作業(yè)的不斷擴(kuò)大，對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)的要求也發(fā)生了變化。傳統(tǒng)的礦井通風(fēng)系統(tǒng)在開(kāi)采過(guò)程中一直處于運(yùn)行狀態(tài)，消耗更多的電能，使礦山生產(chǎn)花費(fèi)較多[1]。因此，隨著電能成本的日益增加，應(yīng)用具有成本效益、可靠、免維護(hù)和節(jié)能的技術(shù)至關(guān)重要。整個(gè)煤礦通風(fēng)系統(tǒng)的性能取決于3個(gè)因素:礦井內(nèi)的大氣條件、風(fēng)扇的設(shè)計(jì)、功耗。通過(guò)考慮上述因素，可以優(yōu)化能耗和成本。本文基于實(shí)際工況條件，針對(duì)通風(fēng)機(jī)的節(jié)能問(wèn)題進(jìn)行了深入研究，綜述了目前所提出的方法和算法，以及目前煤礦井下通風(fēng)機(jī)的改進(jìn)趨勢(shì)。研究成果為礦井通風(fēng)機(jī)節(jié)能改進(jìn)提供了依據(jù)。

1 應(yīng)用工況分析

本文研究礦井屬于雙突礦井，礦井中瓦斯含量較高，建設(shè)規(guī)模為每年650萬(wàn)t。該礦井中的通風(fēng)方式為對(duì)角式通風(fēng)，對(duì)角中的兩臺(tái)風(fēng)機(jī)送風(fēng)，中央處的風(fēng)機(jī)抽風(fēng)。根據(jù)計(jì)算，該礦井主通風(fēng)機(jī)所產(chǎn)生的風(fēng)量為95 m3/s；礦井空氣質(zhì)量較好時(shí)，風(fēng)機(jī)所產(chǎn)生的平均負(fù)壓為830 Pa；空氣質(zhì)量較差時(shí)的風(fēng)壓為2 100 Pa。為滿足該礦井的通風(fēng)以及應(yīng)用變頻節(jié)能技術(shù)的需求，為該礦井選擇了型號(hào)為FBCD4B-233型風(fēng)機(jī)共兩臺(tái)，其中一臺(tái)為備用風(fēng)機(jī)，該型號(hào)風(fēng)機(jī)的工作電壓為10 kV，額定功率為240 kW，最大轉(zhuǎn)速為760 r/min。

2 節(jié)能技術(shù)探討

2.1 風(fēng)扇葉片的優(yōu)化設(shè)計(jì)

長(zhǎng)期運(yùn)行后，礦井通風(fēng)主扇風(fēng)機(jī)葉輪、進(jìn)風(fēng)口、風(fēng)機(jī)外殼腐蝕嚴(yán)重[2]，從而威脅著主風(fēng)機(jī)的安全運(yùn)行，增加了運(yùn)行阻力，降低了效率。這種設(shè)計(jì)側(cè)重于能源效率，在礦山顯示出可觀的經(jīng)濟(jì)效益。葉輪腐蝕結(jié)構(gòu)一般分為三層，即界面緩沖層、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度層和表面層。各層厚度和理化性能指標(biāo)的控制因情況要求而異。要求防腐層與金屬基體表面的結(jié)合強(qiáng)度大于層間的熱誘導(dǎo)剝離強(qiáng)度。本設(shè)計(jì)采用富鋅底漆，選用環(huán)氧樹(shù)脂作為成膜物質(zhì)，防止生銹和腐蝕[3]。富鋅底漆涂層也稱為電化學(xué)防腐蝕涂料，因?yàn)樗鼘?duì)鋅和鋼具有電化學(xué)保護(hù)作用。經(jīng)過(guò)防腐表面處理后，風(fēng)量增加，滿足了更高的礦井生產(chǎn)要求，保證了礦井安全。防腐處理后，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，相關(guān)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 采用表面處理和不采用表面處理的主要參數(shù)比較

通過(guò)將葉片的俯仰角分別改為44°、54°、59°、64°，氣流值分別為1 175 m3/h、1 270 m3/h、1 340 m3/h和800 m3/h。因此，經(jīng)過(guò)測(cè)試顯示，為了增加流量，葉片俯仰角應(yīng)保持在59°左右。將葉片數(shù)量從1個(gè)增加到2個(gè)，會(huì)使空氣動(dòng)力效率提高6%。同樣，通過(guò)減少轉(zhuǎn)子頂端和外殼之間的空氣間隙，它減少了空氣損失并提高了風(fēng)扇性能。但本文在沒(méi)有任何數(shù)學(xué)計(jì)算的情況下，給出了影響軸流風(fēng)機(jī)的因素。

2.2 電氣系統(tǒng)的改造

本文采用了一種新型的先進(jìn)診斷系統(tǒng)，具有通氣需求能力采取泄漏的饋線增強(qiáng)的方式。由于礦山的特殊性質(zhì)，設(shè)計(jì)一個(gè)可靠強(qiáng)大的地下網(wǎng)絡(luò)有難度。通過(guò)考慮礦山條件中的危險(xiǎn)和關(guān)鍵因素，添加兩種診斷系統(tǒng)（DS），一種是連接到地面上方控制室LF頭端的診斷接收單元（DRU）；第二種是診斷應(yīng)答器單元（DTU），即放大器、電源單元（PSU）、傳感器、風(fēng)扇[4]，如圖1所示。泄漏饋線有三種模式，即自配置模式、正常模式和中斷模式。

圖1 饋線診斷系統(tǒng)

按需通風(fēng)在礦井中具有優(yōu)勢(shì)，它根據(jù)從連接到泄漏饋線上的傳感器中收集到的數(shù)據(jù)來(lái)操控礦井通風(fēng)風(fēng)扇。傳感器安裝在地下，可以跟蹤空氣中的污染物水平，當(dāng)它達(dá)到一定的閾值時(shí)，傳感器就會(huì)中斷DRU，導(dǎo)致風(fēng)扇被打開(kāi)[5]。然后在正常模式下，當(dāng)DRU讀取低于正常污染物水平時(shí)，風(fēng)扇可以關(guān)閉。它實(shí)現(xiàn)了巨大的節(jié)能效益，這將反映在礦山的運(yùn)營(yíng)成本上，本節(jié)闡述了通信在礦井中的重要性，并明確說(shuō)明了漏式饋線在不同模式下的性能。

3 工程節(jié)能經(jīng)濟(jì)效益分析

國(guó)外SIMSMART公司提供了煤礦行業(yè)的通風(fēng)機(jī)節(jié)能的實(shí)時(shí)解決方案，一個(gè)名為Smart EXEC（可擴(kuò)展能源控制）的完整SCADA系統(tǒng)，完全支持按需通風(fēng)[6]。圖2顯示了smart EXEC的基本結(jié)構(gòu)，它具有通風(fēng)節(jié)能、健康和安全優(yōu)勢(shì)，增強(qiáng)了生產(chǎn)以及減少了未來(lái)通風(fēng)基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)成本。其電費(fèi)為0.5元/kWh。根據(jù)改造后的年平均節(jié)電量，每年可節(jié)約電費(fèi)約39萬(wàn)元。而風(fēng)機(jī)安裝的價(jià)格為50萬(wàn)元，總安裝費(fèi)用為105萬(wàn)元。在第三年，安裝成本可以通過(guò)節(jié)電成本回收，SCADA系統(tǒng)的實(shí)際使用壽命比這一時(shí)間要長(zhǎng)得多，因此，安裝SCADA系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益可觀。在其他經(jīng)濟(jì)效益方面，可擴(kuò)展能源控制的完整SCADA系統(tǒng)安裝后，可通過(guò)實(shí)時(shí)調(diào)整技術(shù)對(duì)風(fēng)機(jī)功率進(jìn)行調(diào)整，避免因始終以最大功率工作而導(dǎo)致風(fēng)機(jī)使用壽命縮短。預(yù)計(jì)其使用壽命將延長(zhǎng)約30%。同時(shí)，風(fēng)機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行大大降低了維護(hù)和保養(yǎng)成本，同時(shí)也降低了風(fēng)機(jī)停機(jī)期間產(chǎn)生的成本。雖然這些成本無(wú)法衡量，但也非常龐大。

圖2 可擴(kuò)展能源控制的基本架構(gòu)

4 結(jié)語(yǔ)

通風(fēng)系統(tǒng)在煤礦井下一直起著非常關(guān)鍵的作用。礦井全年的通風(fēng)要求有所不同，因此在大多數(shù)地下礦井中，考慮到設(shè)計(jì)中的所有現(xiàn)實(shí)方面的困難，設(shè)計(jì)高效的通風(fēng)系統(tǒng)是必需的。在大多數(shù)情況下，研究人員沒(méi)有在地下礦井中測(cè)試他們的通風(fēng)系統(tǒng)。雖然有技術(shù)人員對(duì)通風(fēng)節(jié)能開(kāi)展了研究，但是都存在一定缺陷，本文采用變速驅(qū)動(dòng)的按需控制通風(fēng)（按需通風(fēng)）的實(shí)施是有能力和有前途的節(jié)能方法，滿足了地下礦井的氣流要求。在煤礦井下，大氣條件隨著礦井面積和風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的變化而不斷變化。通風(fēng)機(jī)速度被認(rèn)為是在礦井中創(chuàng)造和保持健康氣體環(huán)境的主要因素。因此，通過(guò)改變通風(fēng)風(fēng)扇的運(yùn)行速度來(lái)維持特定礦井中的最佳氣流分布，是管理節(jié)能成本未來(lái)的研究方向。