煤礦主通風(fēng)機(jī)節(jié)能高效運(yùn)行問題探討

唐春峰

（山西壽陽潞陽昌泰煤業(yè)， 山西 壽陽 045400）

引言

煤礦主通風(fēng)機(jī)是保證礦井生產(chǎn)安全的關(guān)鍵性設(shè)備之一，通過合理的通風(fēng)調(diào)度為井下安全生產(chǎn)創(chuàng)造安全健康的環(huán)境。主通風(fēng)機(jī)同時(shí)也是煤礦生產(chǎn)過程中高能耗設(shè)備之一，全年不間斷運(yùn)轉(zhuǎn)，其耗電量在全礦井總耗電量中的占比高達(dá)16%以上，俗稱“電老虎”。根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，我國煤礦主通風(fēng)機(jī)運(yùn)行效率普遍不高，且在機(jī)械設(shè)計(jì)、選型、使用等方面存在明顯的不合理情況，基于煤礦生產(chǎn)成本控制、節(jié)能降耗運(yùn)行的視角，必須采取有效措施確保主通風(fēng)機(jī)節(jié)能高效運(yùn)行，充分發(fā)揮其經(jīng)濟(jì)價(jià)值和社會(huì)效益。

1 影響主通風(fēng)機(jī)低效率運(yùn)行的因素

某煤礦企業(yè)設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力90×104t/年，為中型礦井，礦井主要由主副斜井、回風(fēng)立井等構(gòu)成“兩斜一立”的結(jié)構(gòu)。中央風(fēng)井配備的兩臺(tái)K4-73 型離心式風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)為YR1600-8/143型號(hào)，額定運(yùn)行功率1600kW，額定轉(zhuǎn)速742 r/min，原設(shè)計(jì)方案中主要通過液力耦合器對風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)。當(dāng)前正值礦井開采初期，主通風(fēng)機(jī)額定風(fēng)量比井下所需風(fēng)量小，實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)也表明，采用調(diào)整風(fēng)門和風(fēng)機(jī)葉片角度、增設(shè)風(fēng)障等調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的傳統(tǒng)方法后，通風(fēng)機(jī)仍處于恒速運(yùn)行狀態(tài)。為此，必須從主通風(fēng)機(jī)選型、設(shè)計(jì)及運(yùn)行工況調(diào)節(jié)等方面著手，尋求礦井主通風(fēng)機(jī)節(jié)能高效運(yùn)行的途徑。

1.1 主通風(fēng)機(jī)選型

礦井通風(fēng)阻力、主通風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)功率富余量、服役年限等的確定是主通風(fēng)機(jī)選型的前提。根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》相關(guān)條款的規(guī)定，新礦井投產(chǎn)前必須進(jìn)行至少一次通風(fēng)阻力測定，此后每3 年進(jìn)行一次通風(fēng)阻力測定。實(shí)際工作中，該煤礦為節(jié)省人工機(jī)械費(fèi)用，并未嚴(yán)格執(zhí)行規(guī)程相關(guān)規(guī)定，導(dǎo)致其無法準(zhǔn)確把握礦井通風(fēng)阻力。根據(jù)對煤礦主通風(fēng)機(jī)性能曲線的分析，其主通風(fēng)機(jī)性能曲線和礦井阻力曲線的交點(diǎn)即為主通風(fēng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行工況點(diǎn)；前后期阻力曲線上風(fēng)量工況點(diǎn)全部落在主通風(fēng)機(jī)高效運(yùn)行區(qū)域內(nèi)時(shí)即達(dá)到主通風(fēng)機(jī)最理想的運(yùn)行狀態(tài)[1]。可見，必須對礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)所面臨實(shí)際通風(fēng)阻力進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測，才能使主通風(fēng)機(jī)節(jié)能高效運(yùn)行。該礦井對通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)通風(fēng)阻力缺乏科學(xué)合理預(yù)測，為此，只能增大電動(dòng)機(jī)功率富余量，這種“大馬拉小車”現(xiàn)象十分不利于主通風(fēng)機(jī)節(jié)能高效運(yùn)行。

主通風(fēng)機(jī)選型還必須考慮其服役年限，該煤礦管理人員認(rèn)為，主通風(fēng)機(jī)服役年限越長越好，其實(shí)不然，主通風(fēng)機(jī)高效區(qū)位于一定區(qū)間內(nèi)，且礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)也隨著開采條件、開采距離、所需風(fēng)量等而變化，主通風(fēng)機(jī)高效區(qū)會(huì)隨之改變。為使主通風(fēng)機(jī)節(jié)能高效運(yùn)行，必須在其服役年限內(nèi)采用更換電動(dòng)機(jī)、增設(shè)葉輪等措施，其服役年限必將隨之改變。

圖1 為電動(dòng)機(jī)負(fù)載特性曲線，其中cosφ 為功率因數(shù)，η 為效率，Pn為額定功率，P 為電動(dòng)機(jī)輸出功率。由圖1 可知，當(dāng)負(fù)載處于空載的情況下，電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)取值較小，通常為0.2；隨著電動(dòng)機(jī)輸出功率的逐漸增大，其功率因數(shù)也開始增大，到額定輸出功率Pn時(shí)達(dá)到最大值，通常為0.85，此后逐漸減小；效率的變動(dòng)趨勢與電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)基本一致，起初隨電動(dòng)機(jī)輸出功率的增大而增大，到額定功率0.75 倍時(shí)達(dá)到最大值，此后逐漸降低。可見，煤礦主通風(fēng)機(jī)在電動(dòng)機(jī)輸出功率小于額定功率的區(qū)域運(yùn)行時(shí)，其功率因數(shù)及工效均較低[2]，能耗問題十分突出。

圖1 電動(dòng)機(jī)負(fù)載特性曲線

1.2 主通風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)

影響主通風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)的因素眾多，最關(guān)鍵的為主通風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)選型，當(dāng)前國內(nèi)部分主通風(fēng)機(jī)生產(chǎn)廠家缺乏自主研發(fā)設(shè)計(jì)能力，僅對通風(fēng)機(jī)葉型標(biāo)準(zhǔn)放大或縮小后形成系列化產(chǎn)品，或?qū)ζ渌麖S家設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行簡單模仿和改造，導(dǎo)致機(jī)械性能參數(shù)單一化，最終造成主通風(fēng)機(jī)高能耗低效率運(yùn)行的被動(dòng)局面。

1.3 運(yùn)行工況調(diào)節(jié)

當(dāng)前，煤礦主通風(fēng)機(jī)運(yùn)行工況調(diào)節(jié)方式主要有葉片安裝角度調(diào)節(jié)和變頻器調(diào)節(jié)兩種。對于通風(fēng)容易時(shí)期和通風(fēng)困難時(shí)期全部工況點(diǎn)均位于高效區(qū)內(nèi)的情況下，兩種調(diào)節(jié)方式均有效；但在工況點(diǎn)較為分散的情況下，若工況調(diào)節(jié)方式選擇不當(dāng)，便會(huì)影響主通風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)及運(yùn)行效率。變頻器調(diào)節(jié)方式主要通過改變風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速而調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)性能，根據(jù)相似原理，在調(diào)節(jié)過程中效率將保持不變，然而當(dāng)運(yùn)行效率過低時(shí)，電動(dòng)機(jī)電磁性能和散熱風(fēng)扇散熱效果等均會(huì)降低，進(jìn)而使主通風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行效率降低、使用壽命下降。

2 主通風(fēng)機(jī)節(jié)能高效運(yùn)行方案

2.1 合理選型

為保證選型參數(shù)的準(zhǔn)確性，確保主通風(fēng)機(jī)合理選型，必須加強(qiáng)全礦井通風(fēng)阻力測定，從測定技術(shù)、測定路線及解算分析等角度確保通風(fēng)阻力測算結(jié)果的準(zhǔn)確性。其中，最佳的測定路線應(yīng)為并聯(lián)風(fēng)路中通風(fēng)量最大、通風(fēng)距離最長、支護(hù)方式及井巷類型較多的路線；測定技術(shù)通常包括精密氣壓計(jì)測定技術(shù)和皮托管靜壓差技術(shù)兩種；在解算分析方法下主要應(yīng)用計(jì)算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)解算軟件模擬礦井煤巷未來延伸情況，并解算出礦井生產(chǎn)所需通風(fēng)阻力及風(fēng)量合理分配方案。根據(jù)選型參數(shù)，進(jìn)而確定主通風(fēng)機(jī)服役年限和功率富余量，一般情況下，主通風(fēng)機(jī)服役年限并非越長越好，必須在綜合考慮各項(xiàng)通風(fēng)參數(shù)變動(dòng)情況的基礎(chǔ)上確定。主通風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)功率富余量應(yīng)在所確定的選型參數(shù)、服役年限基礎(chǔ)上，結(jié)合電動(dòng)機(jī)負(fù)載曲線取10%[3]。

2.2 個(gè)性化設(shè)計(jì)

當(dāng)?shù)V井通風(fēng)條件復(fù)雜多變且主通風(fēng)機(jī)實(shí)際性能和設(shè)計(jì)通風(fēng)參數(shù)存在較大差異時(shí)，必須杜絕通過調(diào)整一種葉片長度以滿足不同礦井通風(fēng)參數(shù)需求的做法，以加強(qiáng)個(gè)性化設(shè)計(jì)，保證其主通風(fēng)機(jī)性能參數(shù)能夠與礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)相匹配。生產(chǎn)廠家必須保證主通風(fēng)機(jī)性能參數(shù)的客觀可靠，設(shè)計(jì)單位也應(yīng)采取多種技術(shù)檢驗(yàn)主通風(fēng)機(jī)選型及其與通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)的匹配性，保證主通風(fēng)機(jī)設(shè)備節(jié)能高效運(yùn)行。

2.3 運(yùn)行工況調(diào)節(jié)

根據(jù)前述分析可知，對旋主通風(fēng)機(jī)單獨(dú)運(yùn)行一級(jí)、另一級(jí)斷電浮動(dòng)或閘死的單級(jí)運(yùn)行做法并不可取。結(jié)合通風(fēng)機(jī)械設(shè)計(jì)原理，對旋主通風(fēng)機(jī)首級(jí)葉片的設(shè)計(jì)方法與單級(jí)主通風(fēng)機(jī)葉片設(shè)計(jì)基本一致，故在對旋主通風(fēng)機(jī)單級(jí)運(yùn)行過程中，可增設(shè)后導(dǎo)葉改造，以形成動(dòng)葉+后導(dǎo)葉的單級(jí)風(fēng)機(jī)型式，提升其運(yùn)行效率。該改造技術(shù)在其余煤礦試行后表明，對旋主通風(fēng)機(jī)單級(jí)動(dòng)葉+后導(dǎo)葉所產(chǎn)生的風(fēng)量略低于對旋運(yùn)行，而壓力僅為對旋運(yùn)行壓力的1/2，運(yùn)行工效約為對旋運(yùn)行工效的1%。此外，也可以采用變頻調(diào)速技術(shù)對煤礦主通風(fēng)機(jī)進(jìn)行改進(jìn)，雖然調(diào)節(jié)方便，但過低頻率運(yùn)行時(shí)面臨較大弊端。為提升主通風(fēng)機(jī)變頻運(yùn)行工效，僅依靠調(diào)低電動(dòng)機(jī)運(yùn)行頻率是不行的，必須采用調(diào)節(jié)葉片角度+變頻調(diào)節(jié)的結(jié)合技術(shù)，以便使主通風(fēng)機(jī)節(jié)能高效運(yùn)行，并提升電動(dòng)機(jī)壽命。

3 結(jié)語

主通風(fēng)機(jī)在合理選型、個(gè)性化設(shè)計(jì)及運(yùn)行工況變頻調(diào)節(jié)措施應(yīng)用后，完全可以滿足該煤礦礦井開采初期的實(shí)際需要，且能有效實(shí)現(xiàn)通風(fēng)機(jī)軟啟動(dòng)，節(jié)省設(shè)計(jì)冗余，杜絕了過去普遍存在的“大馬拉小車”現(xiàn)象，主通風(fēng)機(jī)系統(tǒng)功率因數(shù)顯著提升，自動(dòng)化程度大大改善，勞動(dòng)強(qiáng)度顯著降低。對煤礦主通風(fēng)機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行的改進(jìn)優(yōu)化對于礦井安全生產(chǎn)、節(jié)能降耗、高效運(yùn)行及加強(qiáng)設(shè)備管理意義重大。