礦井自然風壓與主扇變頻系統匹配節能技術研究

余志劍，彭 濤，彭 斌

（湖南有色冶金勞動保護研究院，湖南 長沙410014）

自然風壓廣泛存在于礦井通風系統中，在深達千米并采取機械通風的礦井中，自然通風能約占總通風能耗的30%；對于一些地處山區而采用多水平平硐開拓的淺部礦井，甚至采用自然風壓通風代替主扇風機通風，也可達到一定的通風效果［1］。在不同時節和不同地表氣候條件下，自然風壓值的大小也隨之不同，并且對礦井通風系統影響也隨之改變。在日常通風管理中，為充分利用自然風壓加強礦井通風，很多礦山開始采用風機變頻器實現對風機的控制，調控風機的通風量。因此，分析和掌握自然風壓的變化規律及其對通風系統的影響，并利用風機變頻器控制風機有利于合理控制和利用自然風壓，對礦井風機選型、礦井通風系統設計和優化改造等具有十分重要的意義［2］。

1 礦井自然風壓

1．1 自然風壓產生原理

自然風壓的產生主要源于進回風井的標高差異和氣溫差異，導致回風井的空氣密度比進風井的空氣密度小，產生壓差即為自然風壓。自然風壓大小影響因素主要取決于地表溫度、礦井進風井與回風井筒內的溫度、井筒深度等，進回風井筒溫差和標高差愈大，則自然風壓愈大。礦井自然風壓隨季節變化而變化，一般，冬季地表氣溫較低時，自然風壓幫助主扇通風；當夏季氣溫高時，自然風壓不利于主扇通風。當自然風壓有利于通風時，風量自然增大；當自然風壓阻礙礦井通風時，進風井風量減少，或者部分風井和巷道出現無風、反風等異常現象，危害井下人員安全和礦井安全生產等［3－4］。

1．2 自然風壓計算模型

建立自然風壓計算模型要考慮眾多礦井的實際因素，礦井地形復雜，既服務于礦井自然風壓的計算也要盡可能的結合實際情況。因此，模型建立時將礦井的空氣溫度過程視為等溫漸變過程，礦井的進回風井高差和地表與井下溫差對自然風壓具有很大影響。以流體靜力學理論為基礎，建立自然風壓計算初始模型并不斷進行修正，其計算理論模型如式表1所示［5－6］。

表1 自然風壓計算模型

由表1中公式可知，自然風壓影響因素較多，與進回風井的深度、溫度、大氣壓等都存在很大影響。因此在通風系統設計與優化時都需認真考慮自然風壓的影響，對礦井的地形地質資料、氣候條件等都需認真考慮。其礦井自然風壓的示意圖見圖1。

圖1 礦井通風系統示意圖

2 風機變頻器

在主扇風機控制裝置中安裝變頻器，根據外界條件的變化利用變頻技術來調節風機的運行速度，達到改變風機風壓、風量的目的，保證通風網絡的穩定運行。

2．1 風機變頻器工作原理

風機變頻器的工作原理與其他電器設備的變頻器原理基本一致。采用高科技的變頻與微電子技術，改變交流電機供電的頻率和幅值，因而改變其運動磁場的周期，達到平滑控制電動機轉速的目的，即通過調節電機輸入電流頻率達到控制風機電機的控制設備。變頻器通過整流、儲能和逆變等部分的有機結合，以及控制系統的有效控制達到為電機提供所需的電壓，從而控制風機轉速以及風機的排風量等。其控制系統流程圖如圖2所示。

圖2 風機變頻器控制系統流程圖

2．2 風機變頻器的作用

在傳統的風機設計中，風機流量一般采用最大量設計，在實際運行調節中則通過設置擋板、調節風門等方法調節，不能形成封路的閉合回路控制，沒有達到很好的省電節能效果。一般的電氣控制對風機電機的部件沖擊損壞較大，致使設備壽命減短且噪音也大。

變頻器的出現，解決了看似復雜的調控轉速的問題更加簡單化。變頻器具有節能、對電網沖擊小、對電機有保護作用和滿足工業要求的作用。在礦山風機變頻器調速的實踐中，優化風機電機的運行具有很大的優越性，還可以起到提高效率和節能的作用。據全球知名的變頻器生產企業的預算，就該公司在全球范圍內生產的變頻器每年就可以節省1150億kW·h的電力，相應減少9700萬tCO2排放，這節能效果是相當可觀的。在實際運用中也可以延長風機電機的壽命，減少對電網的沖擊，通風工作需要可以讓風機電機緩慢運行，使得電網有一個安全的電流值，風機電機和線路發熱量也相應減少，在電網負荷過大時可以減少對電網的沖擊。因此工作實踐中，滿足了工業要求，可以節省用電30%以上。

3 綜合應用研究

3．1 自然風壓與變頻器系統的匹配技術

3．1．1 自然風壓時時計算系統的創建

在我國的多數礦山中已經完成“礦井六大系統”的建設，可以時時有效的將地表氣壓溫度、井下進回風道溫度、風機風壓與風量等反映在地表終端上，為礦井自然風壓計算提供了真實有效的數據?；谇拔闹械淖匀伙L壓計算模型，在“礦井通風三維仿真系統”軟件上開發了自然風壓時時計算模塊，軟件可以時時根據六大系統監測終端數據計算自然風壓值，具體的計算模塊見圖3。

圖3 自然風壓計算模塊

3．1．2 自然風壓與變頻系統的匹配

為有效的利用和控制自然風壓，首先需要掌握自然風壓的特性和規律。自然風壓的大小與礦井深度成正比，并隨地表氣溫的變化而變化。通過對江南某礦井的通風系統監測可知，在一整年中，氣溫隨著春夏秋冬季節的更替而呈現波浪形式的變化。從而自然風壓也呈現出波紋形式的變化，且天氣有時一日數變，自然也隨著改變，一年中自然風壓變化曲線大致如圖4所示。

通過創建的自然風壓計算模塊，可以很快的了解整個礦井通風系統的風量、風壓和自然風壓值得變化。通過對風機安裝調頻器，利用終端監測數據和自然風壓計算值時時對風機運轉進行調頻運轉，確保井下風量的合理供應和風機的正常運轉，并且可以為礦井通風系統優化提供合理依據。從而，不僅可以實現礦井風流的合理調節，也可根據需要實現風機的節能效果［8］。

圖4 常年自然風壓變化曲線示意圖

3．2 應用實例

瑤崗仙鎢地處江南地區，氣候夏季涼爽、春季多雨。歷年平均氣溫為17．2℃，最低氣溫在1～2月份，為－5～－9℃，最高氣溫在7～8月份，為33～35．9℃，年 平 均 降 雨 量 達 1450mm，蒸 發 量1418mm。該礦區上下開采中段高差較大，形成較大的大氣壓差，加上有多中段平窿直接與地表相通這些特殊性，受自然風壓影響非常大。該礦有專用回風井，2＃豎井與礦井最低的平窿相通，導致兩個進風井受自然風壓影響而形成一進一出的局面。礦井通風系統雖然隨著井下開采深度的延伸作了相應的調整及變化，但仍然難以形成穩定的通風系統。

3．2．1 通風系統存在的問題

由于瑤崗仙鎢礦礦區屬于高山采礦，上下開采中段高差較大，形成較大的大氣壓差，經計算反向自然風壓最大達379．54Pa，自然風壓影響突出，在此基礎上風流基本上受自然風壓控制，造成目前井下用風量不足，炮煙難以排出，污風串聯現象嚴重。在冬季時，自然風壓很大，在不開風機的情況下有很大的風流從21中段的平窿進入，并從回風井排出；在夏季時，自然風壓起反向作用，即在開風機的情況下也有大量的風流從21中段排出，嚴重影響礦井的通風，因此在必要的情況下只能將下部中段平窿口設置風門進行風量調節。

3．2．2 自然風壓參數確定

自然風壓計算需要的參數主要有進、回風井井筒深度，進、回風井井底溫度，地表大氣壓及地表溫度。為準確的了解礦井全年的自然風壓變化情況，需要在不同的時間段對自然風壓的各個計算參數進行現場有效測定?，F以該礦某年測定結果為例，該礦區歷年平均氣溫為17．2℃，最低氣溫在l～2月份，為－5～－9℃，最高氣溫在7～8月份，為33～35．9℃（取夏季地表最高溫度為35℃）。進風井底氣溫為22℃，進風井口取夏季地表最高溫度為35℃，故平均為28．5℃。通過對礦井全年不同月份井下氣溫和地表氣溫的監測，利用自然風壓計算模塊計算全年不同時期的礦井自然風壓值并繪制其變化曲線圖，見圖5。

圖5 瑤崗仙鎢礦常年自然風壓變化曲線圖

從圖5中可知，瑤崗仙鎢礦通風系統在通風最困難時期和最容易時期受自然風壓的影響比較大。特別是在夏季，自然風壓起到非常大的阻力，而冬季有助于礦井通風系統通風。

3．2．3 自然風壓與變頻器系統的匹配分析

瑤崗仙鎢礦井下主要安裝的是軸流式風機，其軸流式風機性能具有流量大，揚程（全壓）低，流體沿軸向流入、流出葉輪等特點。并且每臺主扇都配備一臺變頻器實現風機風量的調節。風機的功率、轉速和風量之間的關系見式（5）。

從式（5）可知，在不改變通風線路的情況下，兩功率之比等于兩風機轉速的平方之比，等于兩風機風量的三次方之比。因此，當井下所需通風量減少時，其風機實際提供的功率可適當減小，并且可以利用變頻器來實現這一要求，達到節省能耗的效果［9］。在日常運行中也可避免因風機增速而導致的風機超頻影響風機的問題。在自然風壓影響井下通風及風機運行時，風機采用變頻器變頻也是不錯的選擇。

瑤崗仙鎢礦已經將六大系統實施完畢，對井下地表的氣壓和溫度進行時時監控，井下風量的有效監控等。對于監控掌握的信息可以時時了解整個礦井在此條件的自然風壓值，礦井風量受自然風壓產生的影響等。因此，不僅可以掌握全年的自然風壓變化曲線，也可掌握一天或是一段較長時間內的自然風壓值?，帊徬涉u礦是屬于山坡型礦山，21中段以上采用豎井加平硐開拓方式，21中段以下采用豎井加斜井開拓方式，21中段平硐與2＃豎井和回風井高差相差700多米，在此條件下自然風壓值非常大，自然風壓對通風系統將產生很大影響。圖4中通過對某年的溫度和氣壓測定結果計算自然風風壓值可知，夏季自然風壓值最高達到－354．66Pa，對通風的阻礙作用非常大；而冬季自然風壓值也達到＋379．54Pa，則有利于礦井通風。由上述可知，可以通過變頻器與風機電機的合理匹配，在不同自然風壓的影響下實現對風機的有效調節，不僅可以在困難時期有助于加強通風動力，也可在容易時期通過變頻器減小風機的通風動力，充分利用自然風壓來加強礦井通風。

3．2．4 主扇時時變頻調節節能分析

變頻器是通過改變電機轉速實現改變風機的供風量，從而達到滿足礦井不同風量需求的要求。由式（4）、式（5）中可知，通過調頻器改變的是風機轉速和風機供風量，而礦井自然風壓最直接的作用也是改變礦井的風量。在井下通風現狀和礦井通風量不改變的情況下，礦井通風阻力也不會改變，選取通風最長線路計算通風阻力為2497．52Pa，加上自然風壓作用，整個礦井的通風阻力變化曲線見圖6。

圖6 瑤崗仙鎢礦礦井總阻力變化圖

由圖6可知，礦井通風總阻力隨著季節而不斷變化，而根據通風機的H－Q曲線可知，阻力的增加勢必導致風量的減少，而阻力的減少則會導致風量的增加。在冬季寒冷季節，自然風壓有利于礦井通風時，相當于串聯一臺風機增加井下的風量而導致井下風量增加，此時可以利用調頻器降低風機轉速，減少風機的供風量，而能量消耗也大大降低；在夏季炎熱季節時，當風量不足時可以利用變頻器提高風機轉速，增加風機通風量。在日常的生產工作中，可以根據需要時時變頻調整風機轉速，控制風機運行與年生產計劃相匹配，使通風量滿足礦井需要［10］。如此可以減少風機因困難時期滿負荷運行而導致容易通風時期造成的能量消耗損失，從而達到節能的效果。在瑤崗仙鎢礦的通風系統中，安設有兩臺90kW的軸流式風機，未安設調頻器時采用全負荷運行。通過監測和計算可以得到在風機全負荷運行和安設調頻器狀態下的功耗情況，結果如表3所示。

表3 風機全負荷與調頻器調節的功耗結果（全年）

由表2可知，該礦風機采用調頻器調節明顯比未安設調頻器狀態下節省能耗。其中，節能達到20%～30%。根據自然風壓的變化，需考慮主扇運行與該礦的年生產計劃相匹配，在礦井計劃檢修期間、節日期間以及特殊生產時期的需風量較小，但不可停止供風，因此，在這些時期可以利用變頻器調控風機的運行功率，供給合適的風量，從而實現節能效果，為礦山減少通風費用創造經濟效益。

3．2．5 自然風壓的有效利用

自然風壓對礦井通風有利有害，結合礦山的實際情況、六大系統和自然風壓計算模塊加強對礦井通風和自然風壓進行合理有效的管理，具體措施如下：①自然風壓受氣溫和地質條件影響較大，應對礦井通風系統展開詳細的調查了解，掌握礦井在不同時期的自然風壓變化情況及變化規律；②為充分利用自然風壓，除了改變風機的調整風機葉片安裝角外，還可以利用變頻器調控風機轉速來調整調整風機工況點，使其既能滿足礦井通風需要，又可節約電能；③已經實現井下六大系統智能化控制的礦山，可以利用智能監控系統掌握井下的各個通風參數，時時掌握井下自然風壓變化情況，結合礦山的生產作業規劃，利用變頻器實現對風機調控，不斷調整井下的需風量。

4 結 論

1）礦井通風系統的建立并非一勞永逸，通風效果受各方面因素的影響，對包括礦井自然風壓在內的各個因素進行調查與分析，可以有效的幫助礦井通風系統的優化。

2）調查和分析礦井的自然風壓，掌握其變化規律，結合礦山的實際情況，有針對性的采取相關措施利用和控制自然風壓，可以有效的改善井下通風效果。

3）充分利用六大系統的通風系統時時監測系統，并采用礦井通風系統三維仿真軟件建立自然風壓計算模塊，結合礦山的實際情況，運用變頻器實現礦井主扇風機的調速，實現井下對需風要求供風，保障井下的安全生產，最大限度的節省能耗。

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