分時段變頻技術(shù)在礦山通風(fēng)中的運用

李印洪，鄧沙寧

（湖南有色冶金勞動保護(hù)研究院，湖南長沙 410014）

分時段變頻技術(shù)在礦山通風(fēng)中的運用

李印洪，鄧沙寧

（湖南有色冶金勞動保護(hù)研究院，湖南長沙 410014）

對礦山井下通風(fēng)工作特點進(jìn)行了分析，同時根據(jù)有色礦山生產(chǎn)不均衡的實際情況，結(jié)合我國氣象特點和有色礦山生產(chǎn)情況，建立礦山井下通風(fēng)系統(tǒng)主扇分時段變頻節(jié)能控制模型。該模型在充分滿足井下礦山生產(chǎn)安全的前提下，提高了井下通風(fēng)系統(tǒng)能源利用效率。

主扇；變頻技術(shù)；節(jié)能技術(shù)

目前我國金屬非金屬開采的大部分礦山，已進(jìn)入了中深部開采。隨著開采深度的增加，井下采掘工作面條件不斷惡化：有毒有害氣體和粉塵難以迅速排除，高溫高濕等造成空氣品質(zhì)差。從我國現(xiàn)階段的開采技術(shù)水平方面分析，建立和繼續(xù)完善礦井通風(fēng)系統(tǒng)，適當(dāng)增大風(fēng)量加強(qiáng)通風(fēng)排毒和降溫，是控制礦山采掘面空氣中有毒有害氣體污染的最主要和有效的方法，也是治理有毒有害氣體和降溫除濕，提高空氣品質(zhì)的首要措施。但是通風(fēng)所需能量消耗與風(fēng)量的3次方成正比，故礦山通風(fēng)能耗在礦山生產(chǎn)中占的比例很高，一般占礦山電量消耗的20%～45%。因此研究礦井通風(fēng)主扇風(fēng)機(jī)節(jié)能控制技術(shù)和系統(tǒng)，將采掘面有毒有害物質(zhì)的濃度變化與通風(fēng)系統(tǒng)主扇節(jié)能聯(lián)動運行結(jié)合，使之達(dá)到既安全、衛(wèi)生，又能較好降低通風(fēng)能耗，這是我國礦山開采技術(shù)領(lǐng)域面臨的一個重要課題。

1 地下礦山開采通風(fēng)技術(shù)現(xiàn)狀分析

我國從1953年開始，礦山地下開采使用機(jī)械通風(fēng)以來，在設(shè)計和建立通風(fēng)系統(tǒng)時，首先考慮通風(fēng)系統(tǒng)的服務(wù)年限至少是十五年或二十年，甚至更長。由于井下通風(fēng)是地下開采的八大系統(tǒng)之一，從安全性和井下施工難度等方面的因素考慮，設(shè)計選擇主扇風(fēng)機(jī)是在生產(chǎn)十五年至二十年的使用周期內(nèi)，按最大采掘量和最不利通風(fēng)線路來計算所需最大風(fēng)量和最大通風(fēng)阻力并乘以1.25～1.5的風(fēng)量風(fēng)壓備用系數(shù)來確定主扇風(fēng)機(jī)功率大小。這樣選用的主扇風(fēng)機(jī)在十五年或二十年的服務(wù)年限內(nèi)與礦井的開采初期、中期、末期、還是生產(chǎn)量的大小變化無關(guān)，就是說主風(fēng)扇機(jī)在十五年或二十年的服務(wù)期內(nèi)的輸入功率一直不變。從而造成主扇風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的風(fēng)量大小與井下采掘面（或主要作業(yè)區(qū)域）的有毒有害氣體、粉塵濃度、溫度濕度高低也無任何關(guān)系。

據(jù)上述原因分析可知：沒有根據(jù)生產(chǎn)實際狀況而對礦井主扇風(fēng)機(jī)進(jìn)行節(jié)能聯(lián)動科學(xué)運行，是造成通風(fēng)系統(tǒng)能耗居高的原因之一。經(jīng)對湖南省十三個地下開采礦井的通風(fēng)系統(tǒng)測定分析，通風(fēng)能耗占整個礦井能耗的25.9%～41.6%，而優(yōu)化的礦井通風(fēng)應(yīng)達(dá)到兩個目標(biāo)：一個是保證正常良好的通風(fēng)效果，另一個是盡量節(jié)省通風(fēng)能耗，以提高資源開采的社會經(jīng)濟(jì)效益。

2 分時段變頻通風(fēng)節(jié)能技術(shù)探討

2.1 主扇變頻節(jié)能原理分析

礦山井下通風(fēng)系統(tǒng)由于其存在需風(fēng)量大的特點，一般選擇軸流風(fēng)機(jī)作為其主扇。軸流風(fēng)機(jī)的性能特點有三個：（1）風(fēng)量風(fēng)壓特性曲線均屬于陡降型；（2）風(fēng)機(jī)功率在風(fēng)量為零時最大，因此所配電機(jī)要有足夠余量；（3）流量不在設(shè)計工況下效率降低快。

綜合礦山井下通風(fēng)系統(tǒng)和軸流式風(fēng)機(jī)的特點，當(dāng)?shù)V井通風(fēng)工程中工作人員少，污染量小需風(fēng)量少，需要調(diào)節(jié)供風(fēng)量來達(dá)到節(jié)能的目的。調(diào)節(jié)總風(fēng)量的主要措施是改變主扇的工況點，主要辦法有兩種：（1）改變主扇的工作特性；（2）改變通風(fēng)網(wǎng)路的風(fēng)阻特性。

K40風(fēng)機(jī)無因次風(fēng)量、風(fēng)壓、功率組合圖如圖1所示。

圖1 風(fēng)壓、風(fēng)量、功率組合圖

圖1中Q1表示工作面所需風(fēng)量，n0風(fēng)量風(fēng)壓線表示轉(zhuǎn)速為n0時風(fēng)壓風(fēng)量的變化曲線，n0風(fēng)量功率線表示轉(zhuǎn)速為n0時風(fēng)壓功率的變化曲線，n風(fēng)量風(fēng)壓線表示轉(zhuǎn)速為n時風(fēng)壓風(fēng)量的變化曲線，n風(fēng)量功率線表示轉(zhuǎn)速為n時風(fēng)壓功率的變化曲線，R線表示風(fēng)網(wǎng)阻力系數(shù)為R時的風(fēng)網(wǎng)阻力曲線，R′線表示風(fēng)網(wǎng)阻力系數(shù)為R′時的風(fēng)網(wǎng)阻力曲線，M0表示轉(zhuǎn)速為n0風(fēng)網(wǎng)阻力系數(shù)為R時主扇的工況作業(yè)點，M表示轉(zhuǎn)速為n風(fēng)網(wǎng)阻力系數(shù)為R時主扇的工況作業(yè)點，M0′表示轉(zhuǎn)速為n0風(fēng)網(wǎng)阻力系數(shù)為R′時主扇的工況作業(yè)點。M0與M的功率差為△N，表示風(fēng)網(wǎng)阻力不變時，改變轉(zhuǎn)速在保證工作面所需風(fēng)量的情況下所節(jié)約的功率消耗，ΔQ表示風(fēng)機(jī)在M0點工況時所產(chǎn)生的富余風(fēng)量；M0′與M0的功率差為ΔN0。由圖1可以看出，在風(fēng)網(wǎng)需風(fēng)量不大的情況下，通過改變主扇的運行狀態(tài)比改變風(fēng)網(wǎng)風(fēng)阻所產(chǎn)生的節(jié)能效果更明顯。

同時由于主扇風(fēng)機(jī)屬平方轉(zhuǎn)矩負(fù)載，轉(zhuǎn)速n的變化，將引起電機(jī)轉(zhuǎn)矩T和功率P的強(qiáng)烈變化。由流體力學(xué)理論可知，在只改變主扇風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的條件下，主扇風(fēng)機(jī)流量與轉(zhuǎn)速一次方成正比：

式中：n1為主扇風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速／m·s－1；n2為主扇風(fēng)機(jī)變速后的轉(zhuǎn)速／m·s－1；Q1為主扇風(fēng)機(jī)的風(fēng)量／m3·s－1；Q2為主扇風(fēng)機(jī)變速后的風(fēng)量／m3·s－1。

主扇功率與風(fēng)量的關(guān)系為：

式中：P為主扇風(fēng)機(jī)的功率／kW；R為通風(fēng)系統(tǒng)阻力系數(shù)／千繆；Q為主扇風(fēng)機(jī)輸出風(fēng)量／m3·s－1。

可知，功率與轉(zhuǎn)速、風(fēng)量三次方成正比：

式中：P1為主扇風(fēng)機(jī)的功率／kW；P2為主扇風(fēng)機(jī)變速后的功率／kW。

從上式可知，在不改變通風(fēng)線路的情況下，控制主扇運行使供風(fēng)量減少一半的情況下，主扇有效功率僅為正常的1／8。

2.2 主扇分時段變頻節(jié)能分析

礦山井下通風(fēng)系統(tǒng)是借助機(jī)械或自然風(fēng)壓，向井下各用風(fēng)點輸送適量的新鮮空氣，其作用是供給人員呼吸，稀釋并排出各種有害氣體和浮塵，降低采掘面環(huán)境溫度，創(chuàng)造良好的氣候條件。當(dāng)?shù)V山井下生產(chǎn)的新鮮風(fēng)需求量不高，而主扇供應(yīng)風(fēng)量較大時，這時就產(chǎn)生風(fēng)量富余，出現(xiàn)能源的浪費現(xiàn)象。在這種情況下，若通過增加部分通風(fēng)構(gòu)筑物，減少不必要的新鮮風(fēng)供應(yīng)，降低主扇轉(zhuǎn)速，減少主扇供風(fēng)量，則能夠節(jié)約相當(dāng)?shù)哪茉聪?。在通風(fēng)節(jié)能聯(lián)動技術(shù)中，可以通過對主扇運行控制，使礦山通風(fēng)系統(tǒng)既能保證生產(chǎn)、安全需求，又能避免出現(xiàn)風(fēng)量過剩，達(dá)到節(jié)能的目的，其節(jié)能的技術(shù)途徑有如下幾個方面：

1.合理利用自然風(fēng)壓，減少低溫季節(jié)的主扇能源消耗。我國幅員遼闊，總體氣候特征屬于大陸性氣候，與同緯度其它地區(qū)相比，冬季我國是世界上同緯度最冷的國家，一月平均氣溫東北地區(qū)比同緯度平均要偏低15～20℃，黃淮流域偏低10～15℃，長江以南偏低6～10℃，華南沿海也偏低5℃；夏季則是世界上同緯度平均最暖的國家（沙漠除外）。七月平均氣溫東北比同緯度平均偏高4℃，華北偏高2.5℃，長江中下游偏高1.5～2℃。受我國氣候特征的影響，礦山井下一年四季自然風(fēng)壓的變化較大，夏季炎熱季節(jié)，入風(fēng)井空氣溫度比排風(fēng)井溫度高，主扇需克服自然風(fēng)壓運行，所需能源消耗自然較大；冬季寒冷季節(jié)，入風(fēng)井空氣溫度比排風(fēng)井溫度低，自然風(fēng)壓形成有利于主扇通風(fēng)，相當(dāng)于在通風(fēng)系統(tǒng)串聯(lián)了一臺恒壓主扇，此時若對主扇運行進(jìn)行調(diào)節(jié)，相應(yīng)地降低主扇的轉(zhuǎn)速，達(dá)到通風(fēng)系統(tǒng)新鮮風(fēng)的供應(yīng)量與炎熱季節(jié)相同的狀況，通風(fēng)系統(tǒng)的能源消耗將大為降低。以一深度為300 m、需風(fēng)量100 m3／s、通風(fēng)線路阻力1 000 Pa、排風(fēng)井口氣壓99 960 Pa，夏季入風(fēng)井平均氣溫27℃、冬季入風(fēng)井平均氣溫8℃、排風(fēng)井平均氣溫22℃的礦井為例，其主扇在夏天溫度高時所需有效功率為106 kW，而在冬季溫度低時所需有效功率為82 kW，照此計算，如果在冬季對主扇使用變頻調(diào)速，則至少節(jié)約功率24 kW，即主扇運行節(jié)能20%左右。

2.控制主扇運行與年生產(chǎn)計劃相匹配，降低計劃檢修期間、節(jié)日期間等生產(chǎn)低谷時期的主扇供風(fēng)量，節(jié)約能源。我國礦山一般為采選聯(lián)合企業(yè)，井下生產(chǎn)安排受選礦廠生產(chǎn)流程的制約。當(dāng)?shù)孛孢x廠進(jìn)行設(shè)備計劃檢修停止選礦流程時，井下的供礦也相應(yīng)地被停止，只能進(jìn)行掘進(jìn)作業(yè)，需風(fēng)量為正常生產(chǎn)時的一半左右。此時通過在采場入口設(shè)置風(fēng)門，減少非作業(yè)區(qū)的漏風(fēng)，控制主扇以低功率狀態(tài)運行，在保證作業(yè)區(qū)需風(fēng)的前提下，大量節(jié)約能源。由主扇的節(jié)能分析可知，在選廠檢修時期，井下通風(fēng)系統(tǒng)低風(fēng)量運行較平常節(jié)約能源87.5%。

3.控制主扇運行與日生產(chǎn)實際情況相匹配，提高井下生產(chǎn)高峰時期的主扇供風(fēng)量，降低井下生產(chǎn)低谷時期主扇能量消耗。

以下是湖南有色冶金勞動保護(hù)研究院對水口山礦務(wù)局康家灣礦進(jìn)行主扇日分時段運行節(jié)能的實例：

水口山礦務(wù)局康家灣礦井下通風(fēng)主扇為355 kW對旋風(fēng)機(jī)，在最大轉(zhuǎn)速為980 r／min時，輸出功率為312 kW，通過變頻將主扇風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速從980 r／min降到白天生產(chǎn)所需的風(fēng)量860 r／min時，則輸出功率為245 kW，節(jié)能67 kW；當(dāng)轉(zhuǎn)速從980 r／min降到晚上無主要生產(chǎn)作業(yè)只需風(fēng)量的500 r／min時，輸出功率為46.5 kW，節(jié)能265.5 kW。所以根據(jù)井下采掘面空氣品質(zhì)綜合指數(shù)高低控制主扇風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)通風(fēng)節(jié)能聯(lián)動，與目前的礦井通風(fēng)系統(tǒng)主扇風(fēng)機(jī)運行相比較至少節(jié)約15%～30%的電能。

3 結(jié)束語

金屬礦山的通風(fēng)節(jié)能技術(shù)不僅能為企業(yè)帶來直接的經(jīng)濟(jì)效益，還可減少事故發(fā)生，保證人員安全，具有深遠(yuǎn)的潛在效益。

［1］ 馬利霞.變頻器在礦山通風(fēng)機(jī)中的應(yīng)用［J］.企業(yè)導(dǎo)報，2010，23（10）：16.

［2］ 李虹.變頻器在礦山節(jié)能中的應(yīng)用［J］.變頻器世界，2003，3（8）：23.

［3］ 徐竹云.礦山通風(fēng)理論與技術(shù)的新發(fā)展［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，1996.23－46.

［4］ 馬揚.變頻技術(shù)在礦井通風(fēng)機(jī)上的節(jié)能分析［J］.淮北職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報，2012，11（3）：97－98.

［5］ 王英敏.金屬礦山通風(fēng)節(jié)能途徑與效益［J］.黃金，1989，10（8）：20－24.

［6］ 《采礦手冊》編輯委員會.采礦手冊第六卷［M］.北京：冶金出版社，1988.65－120.

The App lication of Time Frequency Technology in M ine Ventilation

LIYin-hong，DENG Sha-ning
（Hunan Labor Protection Institute of NonferrousMetals，Changsha 410014，China）

Work on the underground mine ventilation characteristicswas analyzed，at the same time，according to the fact that the actual situation of nonferrousmine production is not balanced，combined with the characteristics of China′smeteorological and nonferrousmine production，mine ventilation system ofmain fan time frequency energy saving controlmodel was established.Themodel in the premise of fullymeets the undergroundmine production safety of the mine ventilation system and improves the efficiency of energy use.

main fan；inverter technology；energy-saving technologies

TD72

：A

：1003－5540（2014）02－0009－03

2013－10－28

李印洪（1975－），男，工程師，主要從事礦山開采設(shè)計、通風(fēng)防塵等工作。