礦井主通風機喘振預警與消除研究

趙 瑨

（山西沁東能源有限公司，山西晉城 048202）

0 引言

礦井主通風機是煤礦大型設備之一，屬于低壓大流量風機類型，礦井主通風機的正常運行是煤礦井下安全生產的重要條件。但是這種通風機的性能曲線呈現駝峰形，很難保證其時刻都處于穩定工況，如果風機工況進入非穩定區域，就容易出現喘振現象。而風機喘振會對整個礦井通風系統的風量產生極為不利的影響，同時也會對風機造成極大的損害，嚴重時會引發安全事故。由此可見，喘振對礦井主通風機的危害非常嚴重，很有必要對其預警與消除進行深入的研究。

1 通風機喘振成因及危害

（1）通風機喘振成因

通風機葉柵出現劇烈的旋轉失速，而且通風量較大的時候，極易導致風機官網系統發生氣流周期性振蕩。這時，通風機壓力與流量等都容易出現較為強烈的縱向貓冬，而且噪聲極大，這種現象稱為“喘振”[1]。

如圖1所示為通風機性能曲線圖。在駝峰形曲線中，當風機工作點在點A時會處于最佳穩定狀態，只要風機工作點位于點A右側的位置，就可以保證穩定工作。而風機工作點位于點A左側時，就會處于不穩定工況。而風機工作點位于不穩定工作區的時候，就容易出現“喘振”，例如點E。如果風機的性能曲線和系統阻力特性曲線在點E交匯時，工作點位于E點的軸流風機無法保證穩定的運行狀態，那么風機的工況點就會按照B，A，D，C的順序做循環運動。此刻的通風系統內部流量和氣壓等參數就會出現劇烈的振蕩，風機官網內的氣流會極其紊亂，風機也會出現距離的震動，發出很大的異常噪聲，這就是“喘振”。

圖1 軸通風機性能曲線

通常情況下，由以下兩種原因導致通風機出現喘振；①是由于軸流風機的工作狀態必然呈現一個駝峰形曲線；②系統阻力特性和官網容量也是導致喘振的重要因素。尤其是官網系統阻力急劇增加，駝峰曲線中，通風機的工況點被迫向左上方移動，喘振就不可避免[2]。

（2）風機喘振產生的危害

如果風機一直在喘振區域工作而不及時處理，就會導致非常危險的狀況發生，通常會出現風機葉片斷裂，嚴重損壞葉輪的機械部件，嚴重者可能會導致風機損壞，造成重大安全事故[3]。

2 通風機喘振通風失穩控制需求分析

礦井通風機是煤礦通風系統中最為核心的部分，對煤礦的安全生產起到決定性的作用。要想使得發生喘振的通風機及時回復正常工作，設置失穩控制就顯得非常必要，而且失穩控制對保持井下穩定的通風量也有非常重要的作用，可以防止通風量在短時間內出現劇烈變化，避免通風系統出現故障，引發安全事故；主通風機的運行狀態對通風系統的正常運行起到非常關鍵的決定作用。失穩控制須具備以下幾種條件[4]：

（1）控制系統必須具備較強的控制能力。在對通風機喘振進行控制的時候，需要專業化的功能單元對通風機的運行狀況進行控制，即使出現官網內阻力突然增加的情況，也可以保證通風機工作點及時離開喘振區域；如果出現對喘振現象無法直接控制的情況，也能保證通風機在最短時間內恢復正常運行的狀態。

（2）控制系統要能在故障發生進及時響應，為通風系統的正常運行提供保障。控制系統將通風機的工作點控制在喘振區域之外后，還要結合通風系統與礦井安全的需求，在保證通風機可以正常運行的基礎上，最大限度地提升通風系統的工作效率。因此，一旦通風機的工況達到預設的臨界值，就要及時采取一定的措施消除喘振隱患，保證通風系統可以持續穩定運行，避免因通風動力的急劇改變造成安全事故[5]。

圖2 風機喘振預警監測與消除控制流程圖

3 通風機喘振預警與喘振消除控制措施

（1）通風機喘振預警和消除方案的選擇

目前常見的通風機喘振預警方案包括軸位移監測以及基于喘振邊界線預警方案，這兩種方案都是通過時域分析及時對喘振進行準確預警。基于喘振邊界線的風機預警方案中，通風機的工況可以通過其性能曲線和系統阻力特性曲線非常直觀地表現出來。軸位移通風機喘振預警方案最大的優勢在于方便采用儀器監測和微機處理。所以，在結合這二者優點的基礎上，提出了綜合預警方案。通過預警方案可以對喘振發生的趨勢進行識別和分析，通風機還未發生喘振時就可以發出預警，為及時消除喘振隱患提供保證。

在通風機產生喘振預警信號時，要及時采用對應的措施促使通風機在最短時間內推出喘振工作區域。具有變頻調速或者動葉可調功能的通風機，可以降低轉速或者調小動葉來降低風機側的負壓來促使通風機退出喘振工作區域，但是必須保證通風量不出現劇烈波動。此外，設置有水平對空風門的通風系統，可以調整其開度來降低風機側的等效風阻，從而增加風機通風量，促使風機工作點迅速降低到報警點以下，保證風機持續穩定運行[6]。

（2）通風機喘振預警和消除方案的實現

上文提到，目前常見的通風機喘振預警方案是軸位移監測預警和基于喘振邊界線預警兩種方案，而喘振的消除方式則通過調整風機動葉、轉速以及調節水平對空風門的開合度等幾種方式相結合來達到控制風機喘振的目的。如圖2所示，在PLC主程序中置入喘振預警監測模塊，并置入喘振消除控制模塊，將其作為PLC的子程序，這種設置方式主要是為了縮短系統對程序的掃描時間，只要預警模塊發出通風機喘振的預警信號，主程序就可以立刻調用消除模塊進行處理。前文中提出通過兩種方案來消除喘振，那么這就需要將這兩種方案分成兩個不同的模塊，分別與一級喘振消除模塊和2級喘振消除模塊相對應。其中一級喘振消除模塊的主要功能是降低風機轉速或者是關小動葉，而二級喘振消除模塊的主要功能是對水平對空風門進行開度調節，主程序對這兩個級別的喘振消除模塊都可以隨時調用。一旦一級模塊不能快速將風機拉出喘振區域，那么就需要理科調用二級模塊進行補救。如果通過這兩級喘振消除模塊仍然無法及時消除風機喘振，應當立即采用切換風機的方案，并對故障風機進行及時檢查和維修。其中，可以通過閉環調節的是降低50%轉速或者風門開度調節[7]。

要對系統主程序的起始參數進行初始化，設定好喘振預警參數并將通風機轉速調節次數歸零，并設定水平對空風門的開度參數和風機轉速調節最大次數M[8]。

4 結語

本文作者在對礦井主通風機的喘振現象成因和機理進行分析的基礎上，結合軸位移監測預警和喘振邊界線預警兩種方法的優勢，提出了二者的綜合預警方案。并基于這種綜合預警方案提出喘振消除的分級控制方案，通過兩級喘振消除措施可以將通風機工況點在最短時間內拉回到喘振預警安全區域，促使風機工況點在正常工作區域，保證礦井主通風機的正常運行，為煤礦企業安全生產提供保障。