冶金／矿山通罱机械锄 ＧＭｉｎＭｅｔａｌｌｕｒｇｉｃａｌ＆ＭｉｎｅＩｎｄｕｓｔｒｙ 煤矿通风机运行的研究与实践 兖矿集团设计研究院 （山东济宁２７３５００） 李剑峰 【摘要】针对矿井通风机运行方面存在的问题 静压分布可以看出，沿着扩散器出口方向的压力不断升 与有关单位共同开展了科技攻关，积极应用已有的适用 高，呈现出一定的带状递增规律。液压从两级叶轮出来 新技术，有效地保障了矿井的安全生产。 以后达到气流扭速很小，通常认为气流是轴向流入扩散 【关键词】煤矿通风机运行 器之后进入大气的。因此，为了保证气流在扩散器中的 流动损失比较小，扩压度又不能够太大。 ２．两级叶轮区域的压力场分布 ｌ 前言 前、后两级叶轮以及叶片是对旋式风机的主要做 近几年来，兖州矿业（集团）有限责任公司及其 功部件。叶轮以及叶片的表面静压变化比集流器和扩散 下属各矿和地处济宁市的其他煤矿针对矿井通风机运行 器要剧烈得多，不会出现明显的压力带分布规律。由 方面存在的问题进行了认真分析和归纳，同时与有关单 前、后两级叶轮表面以及叶根、叶顶的截面静压分布可 位共同开展了科技攻关，积极应用已有的适用新技术， 以看出，后级叶轮表面静压普遍高于前级叶轮，从前级 提出改造方案并进行了实施，有效地保障了矿井的安全 到后级的压力值存在着逐渐升高的变化趋势；从叶根表 生产。 面静压分布可以看出，压力面附近的静压值高于吸力面 附近的静压值，叶根表面前、后存在着比较大的压力 ＝ 通风机的三维全流场数值模拟 差，容易产生比较大的扰动，湍流度比较高；从叶顶的 山东科技大学、山东省科学院和兖州矿业（集 截面静压分布可以看出，压力面附近到吸力面附近的静 团）公司赵楼煤矿采用ＣＦＤ方法，对于对旋式轴流风机 压值逐步降低，在叶片顶端区域形成逆压梯度，给气流 的三维全流场进行数值模拟，得到了风机内部不同特征 的正常流动造成不利的影响，容易形成二次流损失。 面上的压力场、速度场及涡量场分布规律，能够反映出 ３．两级叶轮流道截面的压力场分布 通风机内部气流的真实流动，可以用于风机设计优化和 静压从压力面一侧到吸力面一侧逐步降低。在流 性能预测。 道沿着圆周方向呈现周期性的分布规律，其大小沿着半 １．集流器和扩散器的压力场分布 径方向从外到内略有降低。在靠近叶片顶部的间隙，由 集流器的作用是使气流进入到叶轮之前得到加 于受到间隙泄漏和二次流的影响也形成了一个低压区。 速，在压力损失很小的情况下保证进口气流速度场均 ４．两级叶轮区域的速度场分布 匀。集流器的表面静压分布呈现着明显的带状递进式变 从两级叶轮区域的速度矢量图可以明显地看出， 化趋势，说明进口的气流比较均匀稳定，压力的梯度变 气流经过第一级叶轮的作用以后，在流入第二级叶轮 化不是十分剧烈。经过两级叶轮的升压作用，出口处的 之前在轴线方向存在偏转，在两级叶轮的中间区域最为 动压一般仍然很大，设计中常常在通风机的出口安置扩 明显，经过第二级叶轮以后的气流方向逐渐又趋近于轴 散器，以进一步提高风机的静压效率。从扩散器的表面 向。 ２叭１年第１１期 ． 用＿：… ＷＷ Ｗｔｙｊ ｘ ． ｎｅｔ】｛ ５９ ｝ ｛ 僦ｉ 冶金，矿山通用机械 ｉｎＭｅｔａｌｌｕｒｇｉｃａｌ＆ＭｉｎｅＩｎｄｕｓｍ’ ５．风机轴向截面的涡量场分布 对旋风机的内部流场非常复杂，速度梯度是流场 速度分布不均匀程度的度量。对于不可压缩流体的流动 而言，涡量就是速度梯度的直接反映。从对旋风机轴向 截面的涡量分布可以看出，截面外缘存在着连续的负速 度梯度。这是由叶片顶隙的缝隙流造成的。由于叶片顶 体力学基本方程式导出的新方程式表明，在流动损失口Ｊ 以忽略的情况下，风硐中各个截面上的全压相等，并且 截面上的静压和动压可以相互转化，动能比较大的截 面静压比较低，动能比较小的截面静压比较高。根据 这一原理，选择两个截面，一个在风机入Ｉ＝ｌ的集流器 附近，一个在动轮前集流罩处的环行空间上，截面面 隙缝隙流的速度比较大而且局部分布很不均匀，因此在 叶片后缘引发了负速度梯度。 积的变化使流经气ｉ；｝ｉ产生静压差，忽略截面微小的流 动损失，可以得两个截面的静压差即等于两个截面的 动压差。由流体力学基本方程式导出的新方程式还表 三 微差压变送器在主通风机参数测量 中的应用 通风机的风量是矿井通风的重要参数之一。兖州Ｉ 明风量是可以连续监测的，但是在实际工况条件下存在 着紊流损失和侧压截面形状不同等多种影响因素，需要 对其进行适当的修正。 矿业（集团）公司北宿煤矿采用微差压变送器作为采集 元件，通过自制的引压装置引压，由计算机完成对风量 ４．硬件及软件 计算机测试系统硬件包括传感器、Ａ／Ｄ￣－、 的采集和计算，实现了对风量的准确采集、连续记录和 相关预警等。该方法测量手段简单，结果准确可靠，成 本相对较低，在矿井风量测量中的应用前景广阔。 输入／输出接ｇｌ电路和计算机等。负压测试采用多路共 享Ａ／Ｄ转换方式完成对多个负压值的测量。系统采用 ＭｃＧｓ组态软件结合Ｖｉｓｕａｌ ｃ＋＋６．０和０ｆｆｉｃｅ２００７等软件 １．微差压变送器的测量原理 微差压变送器是一种电容式传感器，以可变参数 进行设计，主要完成系统界面设计、数据量定义 设备 组态、通道链和调试、输入信号预处理等工作。 变化霉器 ： ！ 篓 再通过测量线路转换为电消耗输出的非电量测量 ，四 矿井主通风机优化工况经济运行 ’’。 …。一。一 ’。 ……’ 影响矿井主通风机经济运行的因素比较多。兖州 装置。微差压变送器是由压力传感元件和压力变送元 件组成的。压力传感元件是将被测介质的两种压力通入 高、低两压力室，作用在敏感元件的两侧隔离膜上片 上，通过隔离片和元件内的填充液传送到测量膜片两 矿业（集团）有限责任公司立足现状，从生产和管理的 角度出发，以不断优化和改造为主要手段，实现了主要 通风机的经济运行。 侧。压力变送元件是由测量膜片与两侧绝缘片上的电极 各组成一个电容器。当两侧压力不一致的时候致使测量 除了加强科学管理和对低效的老风机进行技术改 造以外，他们对于主通风机经济运行的措施是采取优化 膜片产生位移，其位移量和压力差成正比，故两侧的电 容量不相等，通过振荡和解调环节转换成与压力成正比 的信号。 工况调节法，就是利用主通风机自身可以调节的特点， 随着生产的变化及时改变工况点，使得风机工况点始终 处于合理的范围内。离心式风机通过调节前导器的角度 改变人ｇｌ气浠方向， 到改变风机性能的目的；妯流式 ２引压装置包括与风道截面形状相同的均压管・风压采集 亨 ，．． ． 风机通过改变叶片的安装角度，使风机的实际运行工况 通 点与设计工况点重合或者接近，，不需要人为增加阻力， 过固定架固定在风道的风硐墙上。均压管上安置有若干 个垂直于风道截面的测压头，其端头平行于来流方向。 所以比较经济由比例定律可知，对于同一台风机， 当风阻不变的时候风量与转速成正比，轴功率与转速 。，均压管内的压力信号通过测压引出导管引出。确定了引 压装置，通过一定的引压管路和滤配装置即可以将压力 三次方成正比，一改变转速比增阻调节的经济效果明显。 信号引入微差压变送器，完成压力信号的采集和变送。 是采用双速电动机，只需要改变电动机的接线方式， 无附加设备无能量损失。北宿煤矿改扩建投产初期， ，３．风量的计算 若视风道中的风流为定常流，那么沿流线积分为 常数。对矿井通风系统来说，风硐中的标高不变。由流 充分利用新建西凤井与原南风井主要通风机（Ｇ４—７３一 １１Ｎｏ２５）和电动机（ｓＱ系列）同型，而且西风井采用双 速电动机的特点，将两个风井的电．动机对调，仍然保持 ６０硎ＷＷＷ．明ｔｙｊｘ． 期 冶金／矿山通用机械 ＧＭｉｎＭｅｔａｌｌｕｒｇｉｃａｌ＆ＭｉｎｅＩｎｄｕｓｔｒｙ 南风井单机运转通风方式，既解决了矿井需风量增大的 行正常，风量下降￣Ｕ８５ｍ ／ｓ，负压为４５０Ｐａ，轴功率为 问题，又避免了南风井、西风井联合运转造成的浪费， ｊ １２３ｋＷ。经过实测，进风巷公共段风速为９．５ｍ／ｓ，仍然 南风井单机运转较联合运转每年节电５Ｏ万ｋＷ・ｈ。此法 不仅可以用于两个时期的调节，还可以调节冬夏自然 超速，还需要下调风量。 ３．节流调节 在回风巷内建立１个调节窗，减少回凤巷过风断面 （此时系统负压为４５０Ｐａ，较低，可以适当地提高系统的 负压），从而降低了风量。风量降￣ｌＪ４５ｍ ／ｓ的时候，系 统的负压升到１ ５５０Ｐａ，轴功率１４５ｋＷ，由风机特性曲 风压变化大引起的工况变化 二是采用液力偶合器调 节。其原理是改变偶合器中工作油液的充满程度来调 节出侧的转速，是一种无级调速，适合调节期长的条 件，但是其本身会产生转差损耗和机械滑差损失。三 是采用晶闸管串级调速。这是将绕线转子异步电动机 １的转差功率大部分反馈到电网中去或者变换为机械能 做功的经济方法。兴隆庄煤矿东风井主通风机采用串 级调速改造成功以后，每年节约电能６７万ｋＷ・ｈ。 五 矿井技术改造的通风机并网运行调节 地处济宁市微山县的枣庄矿业集团公司付村煤矿 ｝将中央分列式通风系统基础上改造为中央分列与中央并 列式通风系统，增设中央风井担负北翼采区通风，在不 影响原有南翼采区通风的情况下，使通风机尽可能做到 安全、经济、合理运行。 新建的中央风井安装有两台ＢＤ一１Ｉ—Ｎｏ２５对旋轴 流通风机（１用ｌ备），配６ｋＶ、２×３１５ｋＷ电动机驱动，风 量８０～１５３ｍ３／ｓ，静压７００ ３ ３００Ｐａ。考虑到矿井中、后期生产需求，矿井技改设计时对该轴流通风机的凤量、 静压取值范围比较宽，以使其具有比较强的适应能力。 但是中央风井对旋轴流通风机在初期运行时需要合理选 定参数，调整好风机的运行状态。通过对北翼采区初 期需风量的计算，风量４５ｍ３／ｓ、风压１ ２００Ｐａ以下最为适 宜。由该对旋轴流式通风机特性曲线得效率６０％以上。 １．单台电动机运行 对旋轴流通风机为两台电动机分别驱动一套叶 轮，既可以由两台电动机同时驱动叶轮对旋运行，也可 以由单台电动机驱动对应叶轮运行。运行一级叶轮的时 候，二级叶轮随转做出风导翼，预计风压降到１ ４００Ｐａ ！以下，经过试运行（风机叶片角度 ＝一５。为设计最小 值），负压为４５０Ｐａ，风量为１０５ｍ ／ｓ，但是造成一４８０ｍ 轨道石门进风巷公共段风速大于１ｌｍ／ｓ，而且影响南翼 采区供凤，不能满足要求，需要下调风量。 ２．调节叶片角度 叶片角度已经调到最小值 ＝一５。（说明书提供 值为一５。、０。、５。）仍然不能满足要求。厂方同意可 以将叶片角度调整到最小允许值 ＝一７．５。。风机试运 线得运行工况点接近不稳定工作区，容易发生喘振现 象，风机运行不稳定、不安全，方案不可取；适当调节 风窗，将系统的负压控制在１ １００Ｐａ左右，风量下降到 ７０ｍ ／ｓ左右，实测进风巷公共段风速８．５ｍ／ｓ左右，还超 速，不能满足要求，但是已控制在既定目标范围内。 ４．有效控制漏风量 在地面风机房风道敞开１个可调进风口控制漏风 量，漏掉多余风量（７０—４５＝２５ｍ３／ｓ）。具体方法：将风 井安全出口３道双向风门改为网孔＜５ｒａｍ的栅栏门，并 制定技术措施确保异物不能进入风道。此时，风量降到 ４５ｍ３／ｓ，系统负压１ １００Ｐａ，轴功率１２８ｋＷ，效率６５％，进 风巷公共段风速７．８ｍ／ｓ，满足安全运行要求。 综上所述，通过采取有效手段控制风量，调整负 ！ 压，将通风机运行工况点控制在单调下降区域（风压 ｌ １００Ｐａ，风量４５ｍ ／ｓ，效率６５％）。若仅采取单一调节 ｊ 方法是很难达到理想状态的，甚至还可能造成设备、设 施的损坏，影响矿井整体通风系统稳定。 六 结语 对于机械通风来说，风机是整个矿井通风系统的 动力源，它的选择正确与否非常关键。对于风机的选 择，首先一定要严格按照（（煤矿安全规程 的有关规定 合理准确地计算所需的风量和风压；其次应选择质量和 信誉可靠的风机生产厂商的产品，最好在购买前对风机 做一个性能测试：一方面要注意选择性能好，耗能少， 叶片调节范围大，高效区宽，调节方便的风机；另一方 面要考虑到矿井的远景规划，矿井是否需要挖潜改造和 延伸扩建，所选风机能否满足矿井改造或扩建后的需 要；最后根据矿井的具体情况全面分析，通过技术、经 济、安全各方面比较确定，使风机性能与矿井通风阻力 状况相匹配，使风机的工况点处于高效率区。ＧＭ （收稿日期：２０１１／０８／１６） ２０ｌ１年第１期 ．． １誓： 年第１。 ＷＷ Ｗ ｔｙｊ ｘｎｅｔ ｌ６１Ｖ Ｉ