礦井主扇不停風切換控制方案研究

王韜，白宏峰，王克智，荀洪菲

（山西潞安礦業集團公司，山西長治 046204）

瓦斯積聚和瓦斯超限是礦井安全生產的重大隱患，優化礦井通風條件和通風方式是防治瓦斯的關鍵。煤礦生產中的許多高瓦斯礦井停風一分鐘就會出現局部瓦斯超限，特別是在正常通風情況下井下巷道斷面大小、曲直角度、沿程阻力不同而形成的風速不同，停風時的風流慣性會造成亂風現象，過長的倒機時間是一般高瓦斯礦井所不能承受的。由于煤礦主扇倒機時間長致使井下瓦斯超限事故普遍存在，《煤炭安全規程》規定備用主通風必須能在10 min內開動。國內很多高瓦斯礦井采用傳統方式進行主扇倒機和故障切換時，只要停風2－3 min，井下多處作業地點瓦斯濃度就會超限，給礦井安全生產造成嚴重隱患。本文著重探討研究一種主扇不停風切換方式，克服備用通風機在傳統“停機倒機”方式下能否正常啟動的不確定性問題，采用煤礦通風機倒機前熱備用，最大限度的減少主扇在正常倒機和故障切換狀態下停風時間。

1 主要通風機不停風切換方案

1.1 目前主要通風機切換方案

目前煤礦主要通風機系統大體如圖1所示。主通風機1號切換至2號運行，切換過程如下:（1）1號主扇停止運轉;（2）關閉立式風門1;（3）打開立式風門2;（4）啟動2號主扇。該切換過程嚴格遵守《煤炭安全規程》規定，且切換時間小于10 min，但在切換過程中有一段時間井下處于停風狀態，易造成瓦斯積聚及安全隱患。

1.2 主扇不停風切換技術

按照常規，要實現主扇切換時完全不停風，必然會有短暫的兩風機并聯運行的時間，并聯運行時，兩主扇壓力大致相等，礦井風量等于兩通風機風量之和。所以，在主扇并聯運行的情況下，單臺主扇的工況有可能進入風機性能的喘振區域，對主通風機及電動機造成極大的傷害，如圖2所示。

Ⅰ為單臺通風機性能曲線，Ⅱ為兩臺通風機并聯工作性能曲線，Ⅲ為通風網絡曲線，Ⅰ、Ⅲ交點A，Ⅱ、Ⅲ交點B，過B作水平線交Ⅰ于 C。顯然，A是單臺風機工作時的工況點，B是兩臺通風機并聯工作時的聯合工況點，C是并聯工作時單臺通風機的實際工況點，很顯然運行工況不在風機特性曲線上，這種情況下是非常危險的。

因此，主扇不停風切換必須避開并聯運行。

1.3 關鍵問題的對策及控制技術

不停風切換方案。根據通風機的啟動特點，其啟動電流的大小和持續時間與風阻有關。如圖1所示，在原通風系統增加水平對可調空短路風門，通過該風門，可以降低原“停機倒機”模式下，風機掛網啟動時的阻力，降低風機啟動風阻，提高風機電機啟動的成功率。為了進一步克服備用通風機在傳統“停機倒機”方式下能否正常啟動的不確定性問題，項目采用煤礦通風機倒機前熱備用。在原運行風機不停機的前提下啟動備用風機，在正常啟動后，則可以實現可靠的熱備用;如果出現問題造成無法啟動，可以暫停倒機操作，先進行故障的排查和檢修，因為實質的倒機過程還沒有開始，不會影響原來風機的正常掛網運行。因此通風機由冷備用向熱備用過渡進一步提高了倒機的成功率。為了消除現有“停機倒機”模式下在通風機倒機過程中系統停風的安全隱患，本系統使用的新型煤礦主通風機“不停風倒機”模式，該倒機模式最突出的特點在于實現了倒機過程中通風動力的有效供應，因而為煤礦主通風機倒機期間系統的不停風提供了有效地保障;風路切換由四個百葉窗調節風門聯合動作來完成，利用其切換快速、靈活的特點，通過一定的控制策略，本系統很好的實現了通風機倒機期間的通風穩定，進而杜絕了倒機期間的瓦斯超限問題。系統結合了目前國內礦井使用的主扇通風機的特點，專門設計了不停風倒機流程，并通過自動控制執行系統予以實現（圖1）:（1）1號風機正常運轉中，打開2號水平對空短路風門，開啟備用風機2號。（2）經檢查（專家系統自檢）備用風機2號運轉正常后，打開1號水平對空短路風門，同時關閉1號立式掛網風門。（3）打開已運轉備用2號旁的2號立式掛網風門，同時關閉2號水平對空短路風門。（4）經專家系統自檢，備用主扇掛網運轉正常后，原運轉主扇停機，完成主扇切換。此外，系統針對煤礦主通風機運行過程中容易出現突然停轉現象和由此引發的嚴重后果，具備了通風機運行故障的自動識別，并保證在1 min內完成向備用風機的切換，可以有效的遏制故障停機事故的擴大。

不停風切換風機的自動實現。由于許多煤礦生產工藝落后，加之員工素質和習慣問題，主扇切換大部分采用手動方式，人為因素、裝備落后造成切換時間過長，引起礦井瓦斯超限的事故也經常發生。所以結合PLC技術的工業控制技術，采用人—機結合的控制方式，實現主扇的自動控制和個項參數的監測及診斷，最大程度減少正常倒機和故障切換時間，為礦井安全通風爭取寶貴的時間，避免事故擴大化性提供了技術支撐。控制柜系統可采用可編程序控制器（PLC）設計，為靈活結構、高傳輸質量、快速度響應、穩定帶寬，低成本等實施目標奠定了基礎。

不停風切換風機的相關要求。要實現不停風切換，必須滿足以下條件:主扇供電必須采用雙電源，且兩回電源引自同一變電所的不同母線或引自不同變電所;主扇不停風切換過程中涉及兩臺主扇及附屬設備同時帶負荷運轉工作，因此必須校驗供電變壓器的容量能否能滿足要求和備用主扇啟動時對電網沖擊問題，確保正常切換;立式掛網風門的開啟速度也直接影響不停風切換的效果，開啟速度越快，風機切換時間越短。

1.4 主通風機實現不停風切換面臨的問題

1）多數礦井主扇采用推拉式水平風門，開啟和關閉時間較百葉窗式風門時間長，影響切換時間。

2）水平風門不能經常檢修，執行機構銹蝕或是堵死。建議水平風門增加簡易防護罩，采用手動和電動一體的執行器。

3）主扇控制系統應完善或增加風機切換監測及控制系統，著重監測水平和立式風門的開度監測和控制，確保主扇順利切換。

4）新建或改擴建礦井，應在設計階段提前考慮上述問題，科學合理安排設備布置位置，完善主通風機在線監控系統，特別是風門之間的時序及閉鎖控制是實現礦井不停風切換風機的前提條件。

2 結束語

主通風機通過“一鍵自動倒機方式”倒機過程只需要45 s，風量波動的最低點可以維持正常情況下的40%，風量波動時間為30 s，從根本上解決了礦井主通風機倒機過程中停風所造成的瓦斯超限的安全隱患問題。

主通風機倒機期間瓦斯超限問題的消除，節省了原來因為倒機造成瓦斯超限而進行瓦斯排放所浪費的時間，為煤礦創收提供時間保證，可以提高煤炭的產量，對于600萬噸以上的大型高瓦斯煤礦可實現年增產5 000多萬元，獲得了很好的經濟效益。

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