離心式主風機配套裝置的改進及效果分析

程晉賢

（西山煤電集團鎮(zhèn)城底礦通風科， 山西 古交 030203）

引言

煤礦主風機配套裝置是礦井通風系統(tǒng)的主要組成部分，其包括擴散塔、集流器、防爆門、風硐、反風門和擴散器等[1]。主風機配套裝置的設(shè)計是否合理和運行質(zhì)量的高低都會影響到通風系統(tǒng)的可靠性。因為主風機配套裝置可以在通風系統(tǒng)出現(xiàn)故障時為井下供風提供保障。而且主風機配套裝置的通風阻力是礦井通風阻力的一部分，進而會影響到礦井通風電能的消耗。因此，對主風機配套裝置進行優(yōu)化改進，以保障礦井通風系統(tǒng)的可靠性，降低多余的電能損耗。

1 問題概況及其分析

1.1 問題概況

某礦配有兩臺4-72No20B型離心式通風機，一臺正常使用，另一臺備用。原配有75 kW的電機，因礦井向深部開采，提供的風量不足，換成了150 kW的電機，額定轉(zhuǎn)速由389 r/min增長到了605 r/min。經(jīng)過現(xiàn)場實測，在更換電機后，風量雖然得到了提高，但是低于更換電機時的設(shè)計風量。在技術(shù)人員進行現(xiàn)場考察后，發(fā)現(xiàn)由于主風機配套裝置存在風門漏風、擴散器設(shè)計不合理、風機前盤與集流器連接間隙過大和集流器設(shè)計不合理的問題導(dǎo)致風量不足。

1.2 問題分析

1）風門漏風。依靠固定在龍門架上的導(dǎo)向輪、鋼絲繩和垂直絞車完成垂直閘門的升降操作，進而改變風道的大小。由于垂直閘門的升降通道施工過于粗糙，導(dǎo)致風門在閉合時存在缺口，無法完全密封[2]。而且由于漏風口過大，即使使用軟性密封材料也無法密封。

2）擴散器設(shè)計不合理。兩臺主風機配備的擴散器形狀與規(guī)格相同，擴散角均為9°，在規(guī)定范圍內(nèi)。但是由于高度偏低導(dǎo)致擴散度不足，從而使風機運行效率降低。

3）風機前盤與集流器連接間隙過大。由于礦井的主風機為抽出式通風，經(jīng)過集流器的空氣較潮濕。集流器受空氣的腐蝕發(fā)生破損和形變，導(dǎo)致風機前盤與集流器連接處出現(xiàn)間隙，并不斷擴大，導(dǎo)致風機的運行效率降低。

4）集流器設(shè)計不合理。由于集流器的入口過小且與風硐銜接質(zhì)量差，導(dǎo)致風流從風硐流入集流器時，風道突然縮小，形成渦流區(qū)，造成風流動量損失，導(dǎo)致風機進風口的風流質(zhì)量降低，不利于風機的運行。

2 主風機配套裝置的改進

針對主風機配套裝置存在風門漏風、擴散器設(shè)計不合理、風機前盤與集流器連接間隙過大和集流器設(shè)計不合理的問題可以通過對提升閘門、擴散器、集流器和風硐進行改造來解決。

2.1 改造提升閘門

將兩根導(dǎo)軌固定在龍門架兩根立柱的內(nèi)側(cè)，作為垂直閘門的導(dǎo)軌。并在垂直閘門上端兩側(cè)均焊接一個滾輪架，每個滾輪架上配有兩個滾輪。通過導(dǎo)軌和滾輪限制垂直閘門，避免垂直閘門在上下移動時出現(xiàn)傾斜而卡住，并且可以提高垂直閥門垂直升降的速度，在閉合時縮小空隙。

2.2 改造擴散器

為降低主風機出口壓的損失，通過在風機的出口連接擴散器，使風機流出的風流速度逐漸減小，提高風機的靜壓。擴散器若設(shè)計不合理，就會使通風機的工作風壓和效率降低，從而損失更多的電能。一般來講離心式通風機的立式擴散塔設(shè)計成方形，以降低施工難度。擴散器的兩項重要參數(shù)決定著擴散器的合理性，這兩項參數(shù)分別：擴散器的擴散角α（一般取8°～10°）；擴散器的擴散度β（擴散器的出口面積A1與進口面積A2之比，一般取2.5～4.0）。

原擴散器進風口邊長1.8 m，出風口邊長2.2 m，高度為2.5 m，擴散器的擴散角8.4°，擴散度擴散角在合理范圍內(nèi)，但是擴散度低于合理值，使得出口轉(zhuǎn)化為靜壓的動壓過少，導(dǎo)致動壓損失過大，不利于通風機效率的提高。

因此可提高擴散器的擴散角來提高通風機的工作效率。不對擴散器的進風口進行改變，將出風口的邊長擴大為3.2 m，高度增加為5 m。則擴散角，擴散度經(jīng)過改進，擴散器的擴散度與擴散角均在合理范圍內(nèi)。因此對擴散器的改造合理。

2.3 改造集流器和風硐

一般將集流器與風機前盤之間的空隙設(shè)置為葉輪直徑的3%～4%。4-72No20B型離心式通風機的葉輪直徑為167 cm，因此應(yīng)將間隙控制在5～6mm。而風機集流器與風機前盤實際對接間隙為12～20mm，間隙極不均勻。而且在風硐矩形斷面與集流器圓形端面連接處留有臺階，這會導(dǎo)致風流突然收縮，造成局部損失。因此需要將已銹蝕的集流器進行更換，將原有的臺階進行平整處理，改造成光滑的曲線。新集流器在安裝前需先進行檢查，保證圓周的高度差不大于10mm，檢驗合格后均勻涂上防銹漆。兩種措施共同作用，改善風機進風口的風道阻力。

3 改進效果分析

3.1 外部漏風率

外部漏風率μ為：

式中：θ1為改進前漏風量，取 15.69 m3/s；θ2為改進前漏風量，取11.22 m3/s。則外部漏風率μ=28%，降低了28%。

3.2 擴散器效率

從阻力、靜壓和損失比三個方面比較擴散器改造前后的效率[3]。

1）阻力。由于改造后擴流器的尺寸較大，因此其過流斷面也增大，風流經(jīng)過擴散器的阻力也會縮小。經(jīng)技術(shù)人員實測改進前擴散器的阻力為128 Pa，改進后擴散器的阻力為98 Pa，因此經(jīng)過改進，擴散器的阻力降低了30 Pa。

2）靜壓。擴散器出口氣流的速度V1為：

式中：Q為擴散器的流量，取2450 m3/s；S1為擴散器出口面積，取10.2 m2。則，擴散器出口氣流的速度V1=3.9 m/s。

動壓損失ΔPm為：

式中：ρ為空氣密度，取1.21 m3/s；V1為擴散器出口氣流的速度，取3.9 m/s。則動壓損失ΔPm=9.2 Pa。

靜壓增量ΔPs為：

式中：P'm為擴散器改造前風機動壓，取192.09 Pa；ΔPm為擴散器改進后動壓損失，取9.2 Pa；δ'為改造前擴散器阻力，取128 Pa；δ為改造后擴散器阻力，取98 Pa。則靜壓增量ΔPs=210.89 Pa。

3）損失比。擴散器經(jīng)過改進，損失比ε為：

式中：δ為改造后擴散器阻力，取98 Pa；δ'為改造前擴散器阻力，取128 Pa；ΔPm為擴散器改進后動壓損失，取9.2 Pa；P'm為擴散器改造前風機動壓，取192.09 Pa。則損失比ε=33.5%。

3.3 效率分析

舊擴散器的效率λ1為：

式中：Psro為擴散器改造前靜壓回收量，Pa；ρ為空氣密度，kg/m3；Vz2為風機主軸向氣流速度，m/s。

改造后擴散器的效率λ2為：

式中：Psrn為擴散器改造后前靜壓回收量，Pa；ρ為空氣密度，kg/m3；Vz2為風機主軸向氣流速度，m/s。

則改進后擴散器的效率與改進前效率之比λ為：

式中：Psrn=1368.89 Pa；Psro=1158 Pa。則改進后擴散器的效率與改進前效率之比λ=1.2。

3.4 經(jīng)濟效益

對風機的配套裝置進行改進可以降低主風機的動壓損失，進而節(jié)省電能。主風機的配套裝置在進行改進后每年可節(jié)省的通風電能W為：

式中：ΔPs為靜壓增量，取210.89 Pa；Q為擴散器的流量，取2450 m3/s；σ1為改進后風機的靜壓效率，取0.259；σ2為傳動效率，取 0.9；σ3為電動機效率，取0.8。則主風機的配套裝置在進行改進后每年可節(jié)省的通風電能W=2.43×104kW·h。

4 結(jié)論

通過對離心式主風機配套的提升閘門、擴散器、集流器和風硐進行改造，有效解決了由于配套裝置設(shè)計與使用不合理導(dǎo)致風量不足的問題。離心式主風機配套裝置的改造不僅提高了通風系統(tǒng)的可靠性還為煤礦企業(yè)每年節(jié)省通風電能達2.43×104kW·h。