基于風(fēng)機(jī)相似理論的礦井主要通風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)技術(shù)

延光生 吳奉亮 李龍清

摘 要：為解決檸條塔煤礦北翼采區(qū)供風(fēng)量不足，通過風(fēng)機(jī)相似理論研究了以調(diào)節(jié)兩翼風(fēng)機(jī)頻率與葉片安裝角為措施的增風(fēng)技術(shù)。分析了風(fēng)機(jī)相似理論，介紹了風(fēng)機(jī)個體特性曲線與風(fēng)機(jī)類型曲線相互轉(zhuǎn)換的原理。分析了檸條塔煤礦風(fēng)量不足的現(xiàn)狀，計(jì)算了兩翼主要通風(fēng)機(jī)的類型曲線，通過類型曲線分別生成了風(fēng)機(jī)在多個頻率下的性能曲線。最終確定了以增加兩翼電機(jī)頻率與北翼風(fēng)機(jī)葉片安裝角為措施的增風(fēng)方案。方案實(shí)施后取得了預(yù)期效果，為礦井增風(fēng)提供了技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞：流體相似；主要通風(fēng)機(jī)；變頻；礦井通風(fēng)

中圖分類號：TD722 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

主要通風(fēng)機(jī)是煤礦通風(fēng)系統(tǒng)的重要構(gòu)成部分，其作用舉足輕重。礦井通風(fēng)系統(tǒng)是動態(tài)變化的，因此主要通風(fēng)機(jī)存在兩個極端運(yùn)行情況，即礦井通風(fēng)容易與通風(fēng)困難時(shí)期。我國煤礦廣泛使用軸流式主要通風(fēng)機(jī)，早期軸流式風(fēng)機(jī)多是通過改變?nèi)~片安裝角來調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)的能力，通風(fēng)容易時(shí)期位于低角度，困難時(shí)期往往位于中間檔位角度。由于變頻調(diào)速具備良好的節(jié)電性能，目前礦井主要通風(fēng)機(jī)則更多地采用變頻的方式來調(diào)節(jié)主要通風(fēng)機(jī)的性能。

檸條塔煤礦主采煤層分南北兩翼開采，形成分區(qū)對角式通風(fēng)系統(tǒng)，兩翼主要通風(fēng)機(jī)均裝有變頻裝置，目前北翼通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)量不足，但其葉片安裝角與電機(jī)頻率均未到最大。風(fēng)機(jī)性能曲線是進(jìn)行礦井通風(fēng)系統(tǒng)分析的基礎(chǔ)參數(shù)，因此本文通過風(fēng)機(jī)相似理論分析礦井不同轉(zhuǎn)速下的性能，為礦井風(fēng)量調(diào)節(jié)提供技術(shù)支撐

1 風(fēng)機(jī)相似理論及風(fēng)機(jī)類型曲線

兩個通風(fēng)機(jī)相似是指氣體在風(fēng)機(jī)內(nèi)流動過程相似，或者說它們之間在任一對應(yīng)點(diǎn)的同名物理量之比保持常數(shù)，這些常數(shù)叫相似常數(shù)或比例系數(shù)。同一系列風(fēng)機(jī)在相應(yīng)工況點(diǎn)的流動是彼此相似的，幾何相似是風(fēng)機(jī)相似的必要條件，動力相似則是相似風(fēng)機(jī)的充要條件，滿足動力相似的條件是雷諾數(shù)和歐拉數(shù)分別相等。同系列風(fēng)機(jī)在相似的工況點(diǎn)符合動力相似的充要條件。風(fēng)機(jī)的類型曲線是描述相似風(fēng)機(jī)共同特性的參數(shù)，類型曲線包括壓力系數(shù)、風(fēng)量系數(shù)和功率系數(shù)，三個參數(shù)都是無因次的，根據(jù)個體特性曲線計(jì)算類型系數(shù)的公式如下：

（1）

（2）

（3）

式中：D表示風(fēng)機(jī)葉論外緣直徑，m；u圓周速度，m/s，計(jì)算公式為u=3.14nD/60，n表示風(fēng)機(jī)每分鐘的轉(zhuǎn)數(shù)；ρ表示風(fēng)流密度，kg/m3；H表示風(fēng)機(jī)風(fēng)壓，Pa；Q是風(fēng)機(jī)風(fēng)量，m3/s；N是風(fēng)機(jī)軸功率，kW；η是風(fēng)機(jī)效率，%。

根據(jù)風(fēng)機(jī)個體特性曲線中的Q、H、N、D，利用式（1）、（2）和（3）就可以計(jì)算出該系列風(fēng)機(jī)的、、。然后以為橫坐標(biāo)，以、和η為縱坐標(biāo)，繪出-、-和η-曲線，此曲線即為該系列風(fēng)機(jī)的類型特性曲線。本文主要用到風(fēng)量風(fēng)壓性能曲線。

2 檸條塔礦主要通風(fēng)機(jī)性能分析

檸條塔礦南北兩翼主要通風(fēng)機(jī)型號分別為BD-II-8-No28、FBCDZ-8-No28，其在額定轉(zhuǎn)速、標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)（空氣密度為1.2kg/m3）下的個體特性曲線如圖1所示。

目前北翼主要通風(fēng)機(jī)葉片角為0°、電機(jī)頻率為39Hz；南翼葉片角為31°，電機(jī)頻率為32Hz。為得到當(dāng)前頻率下風(fēng)機(jī)性能曲線，在圖1曲線中對每個葉片安裝角曲線取10個樣點(diǎn)，并分別代入式（1）、式（2），得到風(fēng)機(jī)類型曲線如圖2，其中兩翼當(dāng)前在用葉片安裝角的類型系數(shù)見表1。

3 風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)方案

3.1 檸條塔礦通風(fēng)現(xiàn)狀

檸條塔煤礦分南北兩翼分區(qū)開采，主采煤層1-2煤、2-2煤，各煤層均布置兩進(jìn)一回三條大巷，形成兩翼分區(qū)式通風(fēng)系統(tǒng)，目前礦井北翼最遠(yuǎn)通風(fēng)路線約16680m。南、北翼主要通風(fēng)機(jī)葉片安裝角分別為31°和0°，電機(jī)頻率分別為32Hz、39Hz。根據(jù)式（1）、式（2）可以求得兩翼風(fēng)機(jī)在當(dāng)前頻率下的性能曲線如圖3所示，圖中工況點(diǎn)是采用網(wǎng)絡(luò)解算軟件模擬得到的，分別是（143.4m3/s，529.5Pa）、（169.0m3/s，1129.2Pa），經(jīng)現(xiàn)場觀測工況點(diǎn)與實(shí)際數(shù)據(jù)吻合。

3.2 風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)方案

根據(jù)生產(chǎn)接續(xù)情況，礦井將在北翼布置3個采煤工作面，3個備用工作面，8個掘進(jìn)工作面，加上其它用風(fēng)點(diǎn)，礦井北翼總需風(fēng)量為268m3/s，目前總風(fēng)量169m3/s，風(fēng)量明顯不足。

為增加北翼風(fēng)量，將北風(fēng)機(jī)調(diào)至可用的最大葉片角2.5度、頻率50Hz，南翼風(fēng)機(jī)保持現(xiàn)狀，此時(shí)兩翼工況如圖4所示，可見北翼風(fēng)量有較大增加，但南翼風(fēng)量下降。

為使南翼風(fēng)量不變，將其頻率調(diào)到35Hz，此時(shí)兩翼工況如圖5所示。可見北翼風(fēng)量達(dá)到248.5m3/s，有效增加了風(fēng)量，同時(shí)南翼風(fēng)機(jī)通風(fēng)阻力增加，但保證了其風(fēng)量不受北翼調(diào)節(jié)影響。因此最終確定按此方案調(diào)節(jié)兩翼風(fēng)機(jī)來增加北翼風(fēng)量。

結(jié)論

通過風(fēng)機(jī)相似理論，得到了檸條塔礦井主要通風(fēng)機(jī)不同轉(zhuǎn)速下的性能曲線，制定了以調(diào)節(jié)兩翼主要通風(fēng)機(jī)為措施的增風(fēng)方案，方案實(shí)施后，達(dá)到了預(yù)期效果，主要結(jié)論包括：（1）通風(fēng)機(jī)在不同轉(zhuǎn)速下的風(fēng)機(jī)性能符合風(fēng)機(jī)相似理論，礦井通風(fēng)管理中可以由額定轉(zhuǎn)速下的性能曲線生成風(fēng)機(jī)的無因次類型曲線，再通過類型曲線可以求得風(fēng)機(jī)在任意轉(zhuǎn)速、任意風(fēng)流密度下的性能曲線。（2）多風(fēng)機(jī)系統(tǒng)中，當(dāng)增加一翼風(fēng)機(jī)的動力時(shí)，本翼風(fēng)機(jī)風(fēng)量增加，但同時(shí)也會增加另一翼風(fēng)機(jī)的阻力，會減小其風(fēng)量。（3）通過將檸條塔煤礦北翼風(fēng)機(jī)葉片安裝角與轉(zhuǎn)速調(diào)至最大，同時(shí)將南翼風(fēng)機(jī)頻率由32Hz增加至35Hz，實(shí)現(xiàn)了保持南翼風(fēng)量不變的情況下，北翼風(fēng)機(jī)增風(fēng)79.5m3/s。

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