煤礦主風(fēng)機流道機構(gòu)能效提升的方案設(shè)計及研究

郭彥軍

（山西陽煤集團碾溝煤業(yè)有限公司， 山西 清徐 030400）

引言

主礦井風(fēng)機系統(tǒng)的設(shè)計、運行效率和成本效益使用合適的工程程序，系統(tǒng)的能量負荷以及總體運營成本將會降低。本論文展示了對共性問題——主風(fēng)機系統(tǒng)的調(diào)試，進行分析和糾正。通過適當?shù)慕Y(jié)構(gòu)（改造），大幅降低現(xiàn)有的系統(tǒng)功耗，成本和溫室氣體排放。目前的研究已經(jīng)指出，通風(fēng)設(shè)計在效率和成本方面并不是最佳的。許多企業(yè)在其運營中實施了能源管理系統(tǒng)，旨在加強溝通，實現(xiàn)更快的緊急情況反應(yīng)、節(jié)能和更好的通風(fēng)控制。例如VODemand等計劃已經(jīng)在美國執(zhí)行努力降低能源和最大限度地提高能源效率通風(fēng)系統(tǒng)。

1 效能提升優(yōu)勢分析

約根森（1983）和麥克弗森（1993）提供了詳細的工程設(shè)計方法論專門用于礦井通風(fēng)系統(tǒng)和風(fēng)扇組合。用于估算不同壓力損失的等式和設(shè)計因子，介紹了氣道幾何形狀。但是，關(guān)于主礦風(fēng)機優(yōu)化的具體科學(xué)工作組裝裝置（不一定是風(fēng)機本身）是非常有限。

筆者依據(jù)長期的實踐經(jīng)驗和數(shù)據(jù)，成功通過基于能源效率和成本效益，適當改造了一些礦井主風(fēng)扇通風(fēng)裝置。系統(tǒng)改造后，預(yù)計減少系統(tǒng)阻力和效率提高已被驗證，且通過實地調(diào)查是準確的。

通過設(shè)計風(fēng)扇組合，使用精確的空氣動力學(xué)和工業(yè)的工程概念，主風(fēng)機系統(tǒng)將高效運行遠高于90%，使得礦山總體大幅減少成本和基礎(chǔ)電力和能源負載。

研究中提出來分析設(shè)計一個主風(fēng)機排氣系統(tǒng)，并配備兩臺風(fēng)機平行于兩個堆棧。一系列分析是表現(xiàn)突出與設(shè)計選擇有關(guān)的損失整個風(fēng)扇系統(tǒng)的每個部件：增壓室、軸環(huán)、彎頭氣道分流管、過渡段、風(fēng)扇錐和配件（后部風(fēng)門擋板，接頭，篩網(wǎng)）。

2 軸—交叉口充氣部分設(shè)計

在分析風(fēng)扇裝置故障過程中，遇到過許多不精確的充氣設(shè)計問題，分析軸-氣室交叉點和氣室布局的條件。

分析了幾何結(jié)構(gòu)和靜力對速度壓力結(jié)構(gòu)的影響。沖擊損失量，軸增壓，可以從中計算速度水頭，考慮六個設(shè)計條件，如圖1所示。

圖1軸-充氣交叉口設(shè)計——六個設(shè)計條件

對于案例1A，水頭損失估計為396 Pa，將空氣從軸轉(zhuǎn)移到空氣的年度動力成本為69 001元/年。如果氣室安裝有斜面拐角（Case1B），然后將水頭損失降低到198Pa將空氣從軸轉(zhuǎn)移到空氣的年度動力成本減少到41 511元/年。如果氣室安裝在如情況1C所示，則頭部損失進一步減小到99 Pa，年電力成本為27 766元/年。對于1A—1C的情況，水頭損失與幾何結(jié)構(gòu)有關(guān)隨著空氣進入充氣室而增加速度。

對于案例1D，沖擊損失估計為194 Pa和年度將空氣從軸傳遞到充氣室的動力成本是26 941元/年。如果氣室安裝了斜角（Case1E），那么沖擊損失減少到97 Pa和年度功率降低了將空氣從軸傳遞到充氣室的成本至每年13 470元。如果氣室安裝在一個角度（Case1F），那么水頭損失降低到48 Pa和年度電力成本至6 735元/年。每個案例的成本相對于案例1A，如果適當?shù)脑捲O(shè)計，大量的能源和成本節(jié)約，接近90%可以實現(xiàn)。

對于案例1D—1F，充氣室和豎井區(qū)域是速度壓力相同。由于沒有變化隨著空氣進入增壓室的速度壓力，風(fēng)扇靜壓的增加不會產(chǎn)生相應(yīng)的影響。一般來說，氣室的尺寸應(yīng)該使得氣流中的速度壓力氣室類似于井道中的速度壓力提高。這是為了盡量減少風(fēng)扇所需的靜壓。

3 肘部節(jié)能方案設(shè)計

肘部布局考慮兩種設(shè)計條件，如圖2所示，案例3A代表方肘，案例3B代表正常彎曲。對于案例3A和3B，沖擊損失被認為是將空氣通過肘管傳遞給風(fēng)扇的功率和成本。可以從速度頭計算肘部沖擊損失。震蕩因子的值標準中列出了不同類型的彎頭幾何形狀通風(fēng)設(shè)計。

圖2 肘部節(jié)能方案設(shè)計研究

對于方形彎頭（案例3A），沖擊損失為估計為44.6 Pa，并且每年轉(zhuǎn)移空氣的電力成本是9 195元/年。對于正常彎曲的情況（案例3B），那么水頭損失減少到18.6 Pa，減少了通過彎頭轉(zhuǎn)移空氣的年度動力成本至2 581元/年。營成本清楚地表明，當肘節(jié)是設(shè)計合理，可以實現(xiàn)節(jié)約能源和成本接近58%。擁擠或分段彎曲導(dǎo)致更大的震動損失。可以通過納入功能如分流葉片進一步減少能耗和成本，葉片的使用也將為肘部提供結(jié)構(gòu)支撐。

4 過渡管道節(jié)能設(shè)計

過渡管道將空氣從分流器傳送到風(fēng)扇，從肘部處的矩形變?yōu)轱L(fēng)扇處的圓形部分。過渡風(fēng)管布局考慮了兩種設(shè)計條件，如圖3所示。情況5A代表直管，情況5B代表錐形管。

對于案例5A和5B，摩擦、震動損失和靜電的影響以速度壓力轉(zhuǎn)換被認為是估計的通過過渡管輸送空氣的功率和成本。對于突然收縮的導(dǎo)管（情況5A）水頭損失為474.3Pa，年度電力成本為通過風(fēng)管輸送空氣每臺風(fēng)扇32 945元/年。為了具有較低錐角的導(dǎo)管（情況5B），頭部損失減少到368.3Pa，每年的電力成本輸送空氣通過管道減少到25 578元/年。實踐結(jié)果表明，合理設(shè)計過渡管道可以節(jié)約成本22.4%。

圖3 過渡管道節(jié)能設(shè)計

5 結(jié)論

實際案例表明，利用流體物理和工業(yè)通風(fēng)設(shè)計的適當工程概念設(shè)計風(fēng)扇組裝，可以實現(xiàn)超過30%的能量節(jié)省，主風(fēng)扇系統(tǒng)的效率將遠高于80%～90%（與普通的運行效率相比），可以使得礦山總體成本和基礎(chǔ)電力的大幅減少能量負荷，這對于本領(lǐng)域的相關(guān)技術(shù)發(fā)展有重要意義。