軸流式通風機調速技術應用的有效性探討

梁 晶

（山西焦煤霍州煤電霍汾煤炭設計咨詢有限責任公司， 山西 忻州 035100）

引言

近年來，隨著科技水平的飛速發(fā)展，人們對礦井軸流式通風機調速問題的研究也是越來越多，當前較為流行的方式是通過轉速調整的方式提升通風機運行工況點的效率，眾多學者在該領域取得了一系列研究成果，歸納總結為以下兩個方面[1-2]：將變頻器廣泛應用于軸流式通風機，通過對變頻器不同頻率下通風機的實際工作情況進行對比，得出最為節(jié)能高效的運行方式；充分發(fā)揮變頻器自身的優(yōu)勢，例如控制方面較為穩(wěn)定，受外界環(huán)境變化的干擾較小、電壓較為穩(wěn)定，不會出現(xiàn)劇烈波動等；此外，由于變頻器具有較高的自動控制和調節(jié)性能，通風機的自動化智能化程度也得到了明顯的提升。

通風機的性能通常由通風機的特性曲線所反應，本文以通風機的特性曲線為基礎，觀察對比不同狀態(tài)下通風機的調速效果，根據(jù)比較結果優(yōu)化礦用軸流式通風機的調速方式，提升調速效率和效果。

1 通風網(wǎng)絡阻力特性曲線與比例曲線

通風機在工作過程中需要對其狀態(tài)進行實時監(jiān)測，一旦工況點難以滿足實際需求，需要及時進行調節(jié)。

調速是調節(jié)通風機工況最常用的方式之一。一旦通風機的轉速發(fā)生改變，工況點也會呈一定規(guī)律發(fā)生變化，對應關系如下：

式中：p、Q、η 分別為通風機轉速為n 時的靜壓、流量以及效率；pm、Qm、ηm分別為通風機轉速為 nm時的靜壓、流量以及效率。

將式（1）—式（3）整合后可得:

該等式所得曲線在坐標系中表現(xiàn)為一條過原點的拋物線。

比例曲線于通風網(wǎng)路阻力特性曲線如圖1 所示。

圖1 比例曲線于通風網(wǎng)路阻力特性曲線

圖1 中過原點的曲線R 代表比例曲線。比例曲線反映了不同轉速下通風機工況點的改變規(guī)律。其中曲線p 代表壓頭特性曲線。以工況點M 為參考繪制通風機的通風網(wǎng)路阻力特性曲線。由于該拋物線過原點并且和比例曲線有共同的工況點M，由此可得相同工況下比例曲線以及通風網(wǎng)路阻力曲線為同一曲線。

此外，通過式（3）不難發(fā)現(xiàn)，不同轉速情況下，相鄰工況點的效率差異較小。這是變速調節(jié)過程中的重要結論之一，也是研究通風機變速效果的重要參考。

根據(jù)圖1 中的不同曲線發(fā)現(xiàn)，想要通過改變轉速的方式進行通風機工況的調節(jié)，以M 調節(jié)至Ma為例，首先需要做出待調節(jié)工況點Ma的比例曲線Rb。比例曲線Rb和壓頭曲線p 相交于點Mb。Ma以及Mb工況差異較小，因此將該點對應的流量或壓頭等參數(shù)回代入上式即可得出工況點Ma對應的轉速。

2 風機特性曲線的區(qū)域劃分及相應的調速效果

軸流式通風機不同轉速下對應有不同的特性曲線。以2K60-21No28 型風機在轉速為600 r/min 下的特性曲線為例。通風機特性曲線及區(qū)域劃分如圖2 所示，圖中的橢圓曲線幾位通風機的等效率曲線，根據(jù)參數(shù)顯示可知通風機效率在0.600～0.824 之間。

所謂等效曲線就是將葉片角度進行調整，將不同角度下對應的效率相等的點進行連接形成的曲線。此外，K1、K2以及K3代表了3 條調速比例曲線。調速比例曲線以及等效率曲線之間有平行和相交兩種關系。為了便于后續(xù)分析，將等效率曲線和調速比例曲線的夾角定義為β，以等效率曲線為基礎，如果比例曲線在其左側，則二者的夾角為正；如果比例曲線在其右側，則二者的夾角為負；平行狀態(tài)下夾角為0[3]。

根據(jù)圖2 中比例曲線和等效率曲線夾角β 的實際情況不難發(fā)現(xiàn)：軸流式通風機調速過程中，調速結果效果如何取決于特性曲線上工況點的實際位置。依照通風機特性曲線中調速比例曲線和等效曲線的交點可以將特性曲線整體分為4 個區(qū)域，也就是圖2 中顯示的 A、B、C、D 四個區(qū)域。

劃分為四個區(qū)域的原因如下：A 區(qū)左上邊界是通風機正常工作狀態(tài)和失穩(wěn)狀態(tài)的分界線，右上邊界是效率最大時壓頭特性曲線的分界線，左下邊界安裝角度最小狀態(tài)下壓頭特性曲線的分界線，右下邊界和選定比例特性曲線近似平行的一條等效率曲線。一旦區(qū)域A 劃分完畢，其余3 個區(qū)域也隨之確定，除區(qū)域B右下邊界未封閉外，其余區(qū)域均為封閉狀態(tài)。

下文根據(jù)區(qū)域的劃分，對不同工況點下通風機調速的實際效果進行對比。

1）A 區(qū)：該區(qū)域內，比例曲線在等效率曲線的左側，二者的夾角β 為正。隨著比例曲線K1橫縱坐標不斷增大，比例曲線和等效率曲線的夾角也在不斷增大，部分位置的夾角β 能夠達到90°，該種情況下比例曲線同等效率曲線的最大值相交。此時如果要將通風機的工況點調節(jié)至M1，可以通過調速的方式或者調整通風機的葉片角度至15°，該狀態(tài)下工況點對應的效率為0.620。

如果采用調速的方式進行工況點的調節(jié)，應當首先對比例曲線K1進行分析，找出K1所對應的通風機效率最高點，將該點作為參考點。根據(jù)圖2 不難發(fā)現(xiàn)，將葉片安裝角設定為35°時，壓頭特性曲線以及等效率曲線K1的交點為效率最高點，該點的效率值為0.824，將該點設定為M2，因此M2即為參考點。確定葉片安裝角度后，根據(jù)所選的兩個工況點查找對應的壓頭或流量，將數(shù)值回代進入上述等式，即可得出工況M1狀態(tài)下通風機的轉速。

由于參考點M2和M1工況類似，因此兩點的效率近似相同，將調節(jié)前后的效率值做差可得，通過調速方式使得通風機的效率提升了0.204。

根據(jù)上述分析不難發(fā)現(xiàn)，隨著等效率曲線和比例曲線夾角的不斷增大，等效比例曲線的斜率也在逐漸增大，此外隨著夾角的增大，比例曲線K1上的點也逐漸接近通風機的效率最高點，因此所選的參考工況點效率也在不斷提高。根據(jù)所選參考工況點求得的轉速進行調節(jié)，調節(jié)后的通風機效率也逐漸提高。反之，隨著比例曲線和等效率曲線的夾角的減小，調速效果也逐漸減弱。

2）B 區(qū)：該區(qū)域的左上邊界是通風機效率最低的等效率曲線K2，在該區(qū)域內等效率曲線和比例曲線的夾角近似為零，因此等效率曲線和比例曲線為近似平行關系，等效率曲線的斜率較小。所以該種情況下采用調節(jié)轉速的方式得到的通風機效率難以獲得實質性改變。所以區(qū)域B 內盡量采取調節(jié)葉片角度的方式進行通風機效率的調節(jié)。

此外隨著比例曲線K2橫縱坐標逐漸減小，等效率曲線和比例曲線的夾角β 變?yōu)樨摂?shù)。該狀態(tài)下通過調節(jié)轉速的方式進行流量的調節(jié)，不僅不會對通風機的效率有所幫助，反而會起到降低效率的作用，因此該區(qū)域內最好采用調節(jié)葉片角度的方式進行流速的調節(jié)。

3）C 區(qū)：該區(qū)域是葉片安裝角超過最佳葉片安裝角的區(qū)域。如果通風機的工況點位于該區(qū)域內，說明通風機的葉片安裝角過大，因此要想通風機的流量，通常采用調節(jié)轉速的方式進行通風機流量的調節(jié)，避免葉片安裝角過大導致通風機無法正常運行。

4）D 區(qū)：該區(qū)域情況較為復雜，雖然該區(qū)域處于通風機效率較高的區(qū)域，并且比例曲線和等效率曲線近似垂直，但是該區(qū)域的左上邊界為是通風機穩(wěn)定和不穩(wěn)定區(qū)域的交界處。所以，工況點在該區(qū)域內進行流量調解時需要嚴格遵守相關標準。必須滿足通風機功率較大且當前安裝角較小時，才能通過調速的方式進行流量調節(jié)，并且不會降低通風機的工作效率。在該區(qū)域內調節(jié)時需要注意，參考工況點的選擇過程不僅要確保比例曲線和等效率曲線的夾角盡量較大，還要確保參考點處于通風機的穩(wěn)定區(qū)。

3 調速技術的應用分析

部分軸流式通風機無法自動進行葉片角度的調節(jié)，因此如果通風機的流量需要高頻變化，則使用改變角度的方式工作量較大、效率較低。此外，過于頻繁的進行角度調節(jié)會導致葉片連接處出現(xiàn)松動磨損，降低葉片的使用壽命。

為了預防此類情況的出現(xiàn)，通常將葉片角度調節(jié)為一個定值，在工作過程中通過調節(jié)轉速的方式進行通風機流量的調節(jié)。

4 結語

1）軸流式通風機變速調節(jié)的效果如何，和通風機所選的參考工況點存在密切關系。根據(jù)比例曲線和等效率曲線的相交情況將坐標系分為四個區(qū)域，根據(jù)區(qū)域的不同選擇調節(jié)轉速或者調節(jié)葉片安裝角度的方式進行通風機流量的調節(jié)，調節(jié)過程綜合考慮相關規(guī)定以及工況點的實際情況。

2）不同類型的軸流式通風機之間特性曲線略有差異，但是曲線整體變化規(guī)律相同且區(qū)域分布一致，因此本文對于2K60 型通風機流速調節(jié)問題的研究同樣適用于其他型號的軸流式通風機。

（編輯：王慧芳）