礦井風流有效調節技術及效果分析

袁建國

（晉能控股煤業集團華陽煤礦，山西 晉城 048000）

1 通風機結構

礦井通風系統主要由主電機、冷卻風機、電機加熱器、潤滑站、風門構成[1]。其中主電機一般會配有一個備用電機，保證可以不間斷工作。冷卻風機主要為主電機進行散熱，確保主電機處于最佳工作狀態。電機加熱器主要為主電機進行加熱，防止電機受潮，過冷啟動。潤滑站采用強迫稀釋潤滑方式對主電機進行潤滑、減少摩擦、降低發熱。風門為兩臺主風機與風道間的閥門，每個風門有一臺風門電機控制，通過調節風門的開度決定出風量大小[2]。

本煤礦選取的是安全高效的大型抽出式軸流礦用通風機，其通過葉輪旋轉做功，抽取礦井內部氣體，排至空氣中，將新鮮空氣換入到礦井內，確保井下安全。風機采用雙極動葉結構，根據工況要求對動葉角度進行聯動調節，且電機置于礦井外部，不直接接觸易燃易爆氣體，安全性能好，工作效率高。主要參數如表1所示。

表1 風機主要參數

2 礦井主通風機特性曲線

本文選取風機的風量Q、風壓H、軸功率N、效率η和轉速n作為研究對象。

風機的風量是指在一定時間內流過風機入口處的空氣體積[3]。一般風機的風量很難直接測量到，目前風量的測試方法主要有靜壓差法、動壓法和風速法。本文選取風速法對礦井的風量進行測量，通過吹過礦井的風速和礦井橫截面積計算得到，其計算公式如下：

式中：S為測量斷面處橫截面積，m2；V為測點斷面平均風速，m/s。

風機裝置的全壓Ht是指風機對每立方米空氣所做的功，其值為風機出口風流的全壓與入口風流全壓之差，克服管網阻力的風壓稱為通風機的靜壓Hs，其單位為N·m/m3或Pa，計算公式如下：

式中：Pt為風筒全壓；Pa；Ps為風筒速壓；Pa；Pv為風筒靜壓；Pa。

風機的輸出功率指單位時間內風機對所經過空氣做的功，可分為全壓功率Nt和靜壓功率Ns，計算公式如下：

風機的輸入功率用N表示，單位為kW，計算公式如下：

式中：U為風機的電壓，V；I為風機的電流，A；cosφ為功率因素；η1為風機的效率；η2為傳動效率。

風機的輸入功率N又可表示為：

式中：ηt為風機的全壓效率；ηs為風機的靜壓效率。

風機的效率是指輸出功率和輸入功率的比值，用η表示，輸入功率一般高于輸出功率，主風機的效率一般分為全壓效率和靜壓效率。

風機的轉速為風機軸所轉過的轉速，用n表示，單位為r/min。

本文通過MATLAB將參數情況通過曲線反應出來，風壓與風量的關系如圖1所示，輸入功率與風量的關系如圖2所示，風機效率與風量的關系如圖3所示。

圖1 風壓與風量關系曲線

圖2 輸入功率與風量關系曲線

圖3 風機效率與風量關系曲線

如圖1所示，軸流式風機的風壓特性曲線比較陡峭，當風量變化較小時風壓變化較大。如圖2所示，軸流式通風機后期功率隨著風量的增加而減小，為防止電機超載，應使剛開始處于半開狀態，直到運轉穩定后調節至合適位置。如圖3所示，隨著效率的提升，風機等風量逐漸增大，當處于最高點后，隨著效率增大，風量逐漸減少。

3 礦井風流有效調節

本文通過變頻調速對礦井風機進行調節，從而調節礦井風流，選取直接轉矩控制方式調節電機，電機轉速n與頻率f的關系為：

式中：p為電動機磁場對數；s為電動機轉差率。

通過變頻調速，結合流體力學知識可以得出：

通過調節電機頻率，可以得到相應的風壓和風量，從而有效地控制井下風量。

本文選取華陽煤礦作為研究對象，通過以上數學模型優化改造，最終選取調節井下軸流式風機，通過調節風機運行頻率，達到調節風量和效率的目的。由圖4、圖5、圖6可以看出，東井風機運行頻率由35 Hz調節至45 Hz，在150 Pa的風壓，0℃的條件下，風量由53 m3/min增至81 m3/min。西井風機運行頻率由35 Hz調節至45 Hz，在電機效率達到55%，0℃的條件下，風量由60 m3/min增至76 m3/min。可以看出通過調節電機效率可有效的調節礦井下的風量，進而起到對礦井風流的有效調節。

圖4 風機流量、壓力特性曲線

圖5 東風井風量與風壓關系曲線

圖6 西風井風量與效率關系曲線

4 結語

本文建立了礦井風機的數學模型，構建了風機的轉速、效率、功率、風量之間的具體關系，具體表現出隨著運行頻率的增加，其效率最高點呈現增大趨勢，隨著效率的增加風量呈現出先增加后減小的趨勢。通過變頻調節風機頻率，篩選出保證井下風流的最佳值。