煤礦主通風機通風運行穩定性優化研究

姬惠龍

（長治市能源工程技術中心，山西 長治 046000）

1 煤礦主通風機通風失穩原因

通過對近年來國內外各煤礦通風系統故障導致的煤礦生產安全問題的匯總，煤礦主通風機通風失穩的原因主要包括以下幾個方面：

1）煤礦主通風機系統因故暫停使用，但此時備用的主通風機系統未按時投入工作，導致煤礦井下通風長時間中斷，例如東灘煤礦的通風機停機事故。

2）煤礦主通風機系統在進行倒轉的時候，運行風機停止工作后備用風機無法及時投入運行，因為在煤礦實際設備布置時，主通風機一般是布置在巷道入口位置，離礦區的變電站較遠，而通風機系統的工作容量大，轉動時的轉動慣量大，啟動時沖擊電流大，供電系統的壓降大，電機發熱嚴重，因此此時備用通風機設備能否及時投入工作成為影響通風系統工作穩定性的關鍵因素。

3）通風機系統在倒機過程中造成的煤礦井下巷道內短時間的停風失穩，通過分析研究，對于雙突煤礦和高瓦斯煤礦，在現有的“停機、倒機”的工作模式下，短時間的通風失穩已經成為瓦斯集聚導致事故發生的一個安全隱患。

4）在通風機工作時，因煤礦井下巷道捏風阻的變化可能會導致通風機長時間的處于喘振工作狀態，造成巷道內氣流的紊亂[1]。由于旋轉軸流式風機的工作特性曲線為駝峰式的，當在小流量的通風工況下工作時容易發生旋轉失速、喘振等非穩定工況，這個時候巷道內氣流的脈動情況加劇，反過來會導致通風機運行情況的進一步惡化，造成風機旋轉時的振動，引起葉片斷裂、葉輪機械結構的損壞，導致進一步的通風失穩，此時若不及時采取調整措施將導致通風系統徹底損壞，造成更嚴重的通風安全事故。

在上述四種通風失穩的原因中，第四種原因導致的通風失穩最為常見，造成的危害也最為嚴重，因此重點從控制主通風機喘振導致的通風失穩出發，提高煤礦通風系統的工作穩定性和使用壽命，確保煤礦的安全生產。

2 煤礦主通風機喘振預警機理

為確保煤礦主通風機系統工作的穩定性，一方面需要對通風機的運行狀態進行監測，當發現通風機出現喘振時，及時對通風機的運行情況進行調整，使通風機運行時避開喘振區，一方面需對通風機的結構進行優化，降低其發生喘振的概率。

通過分析研究，風機葉片角度所對應的風機運行性能與風機的喘振具有密切的關系，因此將軸流式通風機各個葉片的偏斜的角度所對應的性能曲線的喘振臨界點進行連接，便可以得出通風機在工作時的喘振臨界點曲線，在實際應用中，可以將這條喘振臨界點曲線適當進行下移，這樣就能得到一條通風機喘振報警線，位于喘振報警線以上、喘振臨界點以下的區域稱之為煤礦通風機運行時的喘振報警區域[2]。

通風機在工作狀態下，當風機在某一個特點的角度下穩定工作時，若管路特性或者其他原因導致通風機運行的特性曲線向上偏移至報警區域時，報警控制系統將利用聲光結合信號發出報警，值班人員可以根據運行情況快速地對通風機的運行狀態進行調整，確保通風機的工作處于喘振報警點以下，喘振報警原理如下頁圖1所示。

通風機運行時的喘振的報警通常是將工作時的實際的運行參數和系統設定的喘振邊界點上的各數據進行實時的對比分析，軸流式通風機的喘振的臨界曲線可用一元函數的形式進行表述[3]：

式中：Qmin為風機在葉片斜角為β時不出現喘振的臨界的氣流量；Pmax為風機在葉片斜角為β時不出現喘振的臨界全壓值。

圖1 軸流風機喘振預報原理圖

式（1）和（2）的數值形式可以利用礦區風機布置的具體形式通過實際測量得到，假設將通風機運行時的警戒報警的安全系數設置為k，則通風機系統的喘振的預警臨界曲線可表示為：

由此可得到通風機系統在運行時的喘振報警條件：

3 煤礦主通風機喘振失穩的控制

在實際生產中，隨著煤炭開采時間的增加，煤礦井下采掘區域不斷加大，新的巷道不斷拓展，舊的巷道也在不斷廢棄，因此煤礦井下巷道內的阻力是不斷地在發生變化的，所以煤礦井下復雜的巷道布局使通風失穩的情況不斷發生，因此為了避免通風機工作時的失穩造成嚴重的損壞，除了對通風機運行失穩進行預警外，還要對風機工作特性進行優化，擴大其穩定工作范圍，縮小其失穩工作的區域，根據對風機失穩和風機工作特性的研究，在總結實際工作經驗的基礎上，提出了針對不同通風機優化其結構，提高其穩定工作范圍的方法。

1）增加分流器，提高風葉運轉時的穩定工作范圍。通過對通風機發生失穩原因的分析，當巷道內的風流量減小到一個臨界點時，通風機旋轉葉片的非工作面開始出現脫流的現象，造成失速區的壓力下降，風機的氣流在離心力的作用下向風葉頂部轉移，因此在發生失速時是從風葉頂部出現旋渦倒流開始的。根據這個現象采用在通風機風葉的前端設置一個旋轉分流器，將葉片頂端的倒流的氣流進行分流，避免旋轉紊流對葉片進氣氣流的干擾，降低進入風葉的主氣流的渦流，提高喘振點處的壓力，根據實際測量結果表明，在風機處增加分流器后能夠顯著降低風機發生喘振的概率。

2）在通風機風道內加裝旁管通道消除喘振。當風機在工作時發生喘振報警后，控制打開旁管通道，使外界的空氣流入風機，使溢流氣流和風機氣流并聯工作，可將風機工作時的工況由喘振報警段下降為正常工作區域。

4 結論

1）在風機處增加分流器后，能夠顯著降低風機發生喘振的概率，提高風葉運轉時的穩定工作范圍。

2）在通風機風道內設置旁管通道，可將風機工作時的工況由喘振報警段下降為正常工作區域。