礦井風(fēng)流有效調(diào)節(jié)技術(shù)及效果分析

袁建國

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)華陽煤礦，山西 晉城 048000）

1 通風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)

礦井通風(fēng)系統(tǒng)主要由主電機(jī)、冷卻風(fēng)機(jī)、電機(jī)加熱器、潤滑站、風(fēng)門構(gòu)成[1]。其中主電機(jī)一般會配有一個備用電機(jī)，保證可以不間斷工作。冷卻風(fēng)機(jī)主要為主電機(jī)進(jìn)行散熱，確保主電機(jī)處于最佳工作狀態(tài)。電機(jī)加熱器主要為主電機(jī)進(jìn)行加熱，防止電機(jī)受潮，過冷啟動。潤滑站采用強(qiáng)迫稀釋潤滑方式對主電機(jī)進(jìn)行潤滑、減少摩擦、降低發(fā)熱。風(fēng)門為兩臺主風(fēng)機(jī)與風(fēng)道間的閥門，每個風(fēng)門有一臺風(fēng)門電機(jī)控制，通過調(diào)節(jié)風(fēng)門的開度決定出風(fēng)量大小[2]。

本煤礦選取的是安全高效的大型抽出式軸流礦用通風(fēng)機(jī)，其通過葉輪旋轉(zhuǎn)做功，抽取礦井內(nèi)部氣體，排至空氣中，將新鮮空氣換入到礦井內(nèi)，確保井下安全。風(fēng)機(jī)采用雙極動葉結(jié)構(gòu)，根據(jù)工況要求對動葉角度進(jìn)行聯(lián)動調(diào)節(jié)，且電機(jī)置于礦井外部，不直接接觸易燃易爆氣體，安全性能好，工作效率高。主要參數(shù)如表1所示。

表1 風(fēng)機(jī)主要參數(shù)

2 礦井主通風(fēng)機(jī)特性曲線

本文選取風(fēng)機(jī)的風(fēng)量Q、風(fēng)壓H、軸功率N、效率η和轉(zhuǎn)速n作為研究對象。

風(fēng)機(jī)的風(fēng)量是指在一定時間內(nèi)流過風(fēng)機(jī)入口處的空氣體積[3]。一般風(fēng)機(jī)的風(fēng)量很難直接測量到，目前風(fēng)量的測試方法主要有靜壓差法、動壓法和風(fēng)速法。本文選取風(fēng)速法對礦井的風(fēng)量進(jìn)行測量，通過吹過礦井的風(fēng)速和礦井橫截面積計算得到，其計算公式如下：

式中：S為測量斷面處橫截面積，m2；V為測點斷面平均風(fēng)速，m/s。

風(fēng)機(jī)裝置的全壓Ht是指風(fēng)機(jī)對每立方米空氣所做的功，其值為風(fēng)機(jī)出口風(fēng)流的全壓與入口風(fēng)流全壓之差，克服管網(wǎng)阻力的風(fēng)壓稱為通風(fēng)機(jī)的靜壓Hs，其單位為N·m/m3或Pa，計算公式如下：

式中：Pt為風(fēng)筒全壓；Pa；Ps為風(fēng)筒速壓；Pa；Pv為風(fēng)筒靜壓；Pa。

風(fēng)機(jī)的輸出功率指單位時間內(nèi)風(fēng)機(jī)對所經(jīng)過空氣做的功，可分為全壓功率Nt和靜壓功率Ns，計算公式如下：

風(fēng)機(jī)的輸入功率用N表示，單位為kW，計算公式如下：

式中：U為風(fēng)機(jī)的電壓，V；I為風(fēng)機(jī)的電流，A；cosφ為功率因素；η1為風(fēng)機(jī)的效率；η2為傳動效率。

風(fēng)機(jī)的輸入功率N又可表示為：

式中：ηt為風(fēng)機(jī)的全壓效率；ηs為風(fēng)機(jī)的靜壓效率。

風(fēng)機(jī)的效率是指輸出功率和輸入功率的比值，用η表示，輸入功率一般高于輸出功率，主風(fēng)機(jī)的效率一般分為全壓效率和靜壓效率。

風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速為風(fēng)機(jī)軸所轉(zhuǎn)過的轉(zhuǎn)速，用n表示，單位為r/min。

本文通過MATLAB將參數(shù)情況通過曲線反應(yīng)出來，風(fēng)壓與風(fēng)量的關(guān)系如圖1所示，輸入功率與風(fēng)量的關(guān)系如圖2所示，風(fēng)機(jī)效率與風(fēng)量的關(guān)系如圖3所示。

圖1 風(fēng)壓與風(fēng)量關(guān)系曲線

圖2 輸入功率與風(fēng)量關(guān)系曲線

圖3 風(fēng)機(jī)效率與風(fēng)量關(guān)系曲線

如圖1所示，軸流式風(fēng)機(jī)的風(fēng)壓特性曲線比較陡峭，當(dāng)風(fēng)量變化較小時風(fēng)壓變化較大。如圖2所示，軸流式通風(fēng)機(jī)后期功率隨著風(fēng)量的增加而減小，為防止電機(jī)超載，應(yīng)使剛開始處于半開狀態(tài)，直到運轉(zhuǎn)穩(wěn)定后調(diào)節(jié)至合適位置。如圖3所示，隨著效率的提升，風(fēng)機(jī)等風(fēng)量逐漸增大，當(dāng)處于最高點后，隨著效率增大，風(fēng)量逐漸減少。

3 礦井風(fēng)流有效調(diào)節(jié)

本文通過變頻調(diào)速對礦井風(fēng)機(jī)進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而調(diào)節(jié)礦井風(fēng)流，選取直接轉(zhuǎn)矩控制方式調(diào)節(jié)電機(jī)，電機(jī)轉(zhuǎn)速n與頻率f的關(guān)系為：

式中：p為電動機(jī)磁場對數(shù)；s為電動機(jī)轉(zhuǎn)差率。

通過變頻調(diào)速，結(jié)合流體力學(xué)知識可以得出：

通過調(diào)節(jié)電機(jī)頻率，可以得到相應(yīng)的風(fēng)壓和風(fēng)量，從而有效地控制井下風(fēng)量。

本文選取華陽煤礦作為研究對象，通過以上數(shù)學(xué)模型優(yōu)化改造，最終選取調(diào)節(jié)井下軸流式風(fēng)機(jī)，通過調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)運行頻率，達(dá)到調(diào)節(jié)風(fēng)量和效率的目的。由圖4、圖5、圖6可以看出，東井風(fēng)機(jī)運行頻率由35 Hz調(diào)節(jié)至45 Hz，在150 Pa的風(fēng)壓，0℃的條件下，風(fēng)量由53 m3/min增至81 m3/min。西井風(fēng)機(jī)運行頻率由35 Hz調(diào)節(jié)至45 Hz，在電機(jī)效率達(dá)到55%，0℃的條件下，風(fēng)量由60 m3/min增至76 m3/min?？梢钥闯鐾ㄟ^調(diào)節(jié)電機(jī)效率可有效的調(diào)節(jié)礦井下的風(fēng)量，進(jìn)而起到對礦井風(fēng)流的有效調(diào)節(jié)。

圖4 風(fēng)機(jī)流量、壓力特性曲線

圖5 東風(fēng)井風(fēng)量與風(fēng)壓關(guān)系曲線

圖6 西風(fēng)井風(fēng)量與效率關(guān)系曲線

4 結(jié)語

本文建立了礦井風(fēng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型，構(gòu)建了風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速、效率、功率、風(fēng)量之間的具體關(guān)系，具體表現(xiàn)出隨著運行頻率的增加，其效率最高點呈現(xiàn)增大趨勢，隨著效率的增加風(fēng)量呈現(xiàn)出先增加后減小的趨勢。通過變頻調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)頻率，篩選出保證井下風(fēng)流的最佳值。