煤礦井下通風機節能技術分析研究

劉 強

（山西寧武大運華盛莊旺煤業有限公司，山西 忻州 036700）

引言

礦井通風系統在地下煤礦中對于保障作業人員安全起著至關重要的作用，礦井中甲烷和煤塵存在爆炸的危險。通風系統的合理規劃、設計、實施和維護是實現煤礦井下安全開采的必要條件。然而，隨著礦井作業的不斷擴大，對通風系統的要求也發生了變化。傳統的礦井通風系統在開采過程中一直處于運行狀態，消耗更多的電能，使礦山生產花費較多[1]。因此，隨著電能成本的日益增加，應用具有成本效益、可靠、免維護和節能的技術至關重要。整個煤礦通風系統的性能取決于3個因素:礦井內的大氣條件、風扇的設計、功耗。通過考慮上述因素，可以優化能耗和成本。本文基于實際工況條件，針對通風機的節能問題進行了深入研究，綜述了目前所提出的方法和算法，以及目前煤礦井下通風機的改進趨勢。研究成果為礦井通風機節能改進提供了依據。

1 應用工況分析

本文研究礦井屬于雙突礦井，礦井中瓦斯含量較高，建設規模為每年650萬t。該礦井中的通風方式為對角式通風，對角中的兩臺風機送風，中央處的風機抽風。根據計算，該礦井主通風機所產生的風量為95 m3/s；礦井空氣質量較好時，風機所產生的平均負壓為830 Pa；空氣質量較差時的風壓為2 100 Pa。為滿足該礦井的通風以及應用變頻節能技術的需求，為該礦井選擇了型號為FBCD4B-233型風機共兩臺，其中一臺為備用風機，該型號風機的工作電壓為10 kV，額定功率為240 kW，最大轉速為760 r/min。

2 節能技術探討

2.1 風扇葉片的優化設計

長期運行后，礦井通風主扇風機葉輪、進風口、風機外殼腐蝕嚴重[2]，從而威脅著主風機的安全運行，增加了運行阻力，降低了效率。這種設計側重于能源效率，在礦山顯示出可觀的經濟效益。葉輪腐蝕結構一般分為三層，即界面緩沖層、結構強度層和表面層。各層厚度和理化性能指標的控制因情況要求而異。要求防腐層與金屬基體表面的結合強度大于層間的熱誘導剝離強度。本設計采用富鋅底漆，選用環氧樹脂作為成膜物質，防止生銹和腐蝕[3]。富鋅底漆涂層也稱為電化學防腐蝕涂料，因為它對鋅和鋼具有電化學保護作用。經過防腐表面處理后，風量增加，滿足了更高的礦井生產要求，保證了礦井安全。防腐處理后，進行現場測量，相關數據如表1所示。

表1 采用表面處理和不采用表面處理的主要參數比較

通過將葉片的俯仰角分別改為44°、54°、59°、64°，氣流值分別為1 175 m3/h、1 270 m3/h、1 340 m3/h和800 m3/h。因此，經過測試顯示，為了增加流量，葉片俯仰角應保持在59°左右。將葉片數量從1個增加到2個，會使空氣動力效率提高6%。同樣，通過減少轉子頂端和外殼之間的空氣間隙，它減少了空氣損失并提高了風扇性能。但本文在沒有任何數學計算的情況下，給出了影響軸流風機的因素。

2.2 電氣系統的改造

本文采用了一種新型的先進診斷系統，具有通氣需求能力采取泄漏的饋線增強的方式。由于礦山的特殊性質，設計一個可靠強大的地下網絡有難度。通過考慮礦山條件中的危險和關鍵因素，添加兩種診斷系統（DS），一種是連接到地面上方控制室LF頭端的診斷接收單元（DRU）；第二種是診斷應答器單元（DTU），即放大器、電源單元（PSU）、傳感器、風扇[4]，如圖1所示。泄漏饋線有三種模式，即自配置模式、正常模式和中斷模式。

圖1 饋線診斷系統

按需通風在礦井中具有優勢，它根據從連接到泄漏饋線上的傳感器中收集到的數據來操控礦井通風風扇。傳感器安裝在地下，可以跟蹤空氣中的污染物水平，當它達到一定的閾值時，傳感器就會中斷DRU，導致風扇被打開[5]。然后在正常模式下，當DRU讀取低于正常污染物水平時，風扇可以關閉。它實現了巨大的節能效益，這將反映在礦山的運營成本上，本節闡述了通信在礦井中的重要性，并明確說明了漏式饋線在不同模式下的性能。

3 工程節能經濟效益分析

國外SIMSMART公司提供了煤礦行業的通風機節能的實時解決方案，一個名為Smart EXEC（可擴展能源控制）的完整SCADA系統，完全支持按需通風[6]。圖2顯示了smart EXEC的基本結構，它具有通風節能、健康和安全優勢，增強了生產以及減少了未來通風基礎設施的建設成本。其電費為0.5元/kWh。根據改造后的年平均節電量，每年可節約電費約39萬元。而風機安裝的價格為50萬元，總安裝費用為105萬元。在第三年，安裝成本可以通過節電成本回收，SCADA系統的實際使用壽命比這一時間要長得多，因此，安裝SCADA系統經濟效益可觀。在其他經濟效益方面，可擴展能源控制的完整SCADA系統安裝后，可通過實時調整技術對風機功率進行調整，避免因始終以最大功率工作而導致風機使用壽命縮短。預計其使用壽命將延長約30%。同時，風機的穩定運行大大降低了維護和保養成本，同時也降低了風機停機期間產生的成本。雖然這些成本無法衡量，但也非常龐大。

圖2 可擴展能源控制的基本架構

4 結語

通風系統在煤礦井下一直起著非常關鍵的作用。礦井全年的通風要求有所不同，因此在大多數地下礦井中，考慮到設計中的所有現實方面的困難，設計高效的通風系統是必需的。在大多數情況下，研究人員沒有在地下礦井中測試他們的通風系統。雖然有技術人員對通風節能開展了研究，但是都存在一定缺陷，本文采用變速驅動的按需控制通風（按需通風）的實施是有能力和有前途的節能方法，滿足了地下礦井的氣流要求。在煤礦井下，大氣條件隨著礦井面積和風機轉速的變化而不斷變化。通風機速度被認為是在礦井中創造和保持健康氣體環境的主要因素。因此，通過改變通風風扇的運行速度來維持特定礦井中的最佳氣流分布，是管理節能成本未來的研究方向。