礦井主通風機系統(tǒng)運行穩(wěn)定性研究

楊明瑞

（晉能控股煤業(yè)集團忻州窯礦， 山西 大同 037021）

引言

煤礦的安全生產需要連續(xù)、可靠、穩(wěn)定的通風，這就要求煤礦主通風機始終保持穩(wěn)定可靠的持續(xù)運轉狀態(tài)，以保證井道的通風量。然而礦井環(huán)境錯綜復雜，主通風機的工作環(huán)境伴有大量渾濁污惡的氣流，并且工作電壓較大，以至于出現(xiàn)故障的概率較大；同時在倒機停機過程中，通風機會頻繁發(fā)生啟動失常，以及備用風機啟動存在不確定性等，上述情況都不能確保通風系統(tǒng)的平穩(wěn)運行[1-4]。因此本文設計了一種新型通風系統(tǒng)模型，其分別從主通風機輔助通風系統(tǒng)失穩(wěn)控制和主通風機運行異常通風失穩(wěn)防范兩個方向切入，建立了礦井主通風系統(tǒng)平穩(wěn)運行的維護方案，同時確定了通風失穩(wěn)的控制總目標，獲得了影響工況點的參數(shù)響應。同時，以此模型為基礎，系統(tǒng)地討論了調節(jié)風量的自動控制方法，進而得到控制通風機系統(tǒng)穩(wěn)定性的調節(jié)策略，從而實現(xiàn)對礦井主通風機系統(tǒng)的穩(wěn)定控制。

1 主通風機通風失穩(wěn)控制目標

煤礦通風系統(tǒng)主要由機械動力系統(tǒng)和三個通風區(qū)段組成。通風系統(tǒng)的三個區(qū)段依次為進風區(qū)、用風區(qū)和回風區(qū)。假設Q1、Q2、Q3分別為三個區(qū)段的風量，H 為負壓，R1、R2、R3分別為三個區(qū)段的風阻，基于礦井總阻力的優(yōu)化分配比例，規(guī)定進風區(qū)阻力占總阻力的1/4，用風區(qū)占比9/20，回風區(qū)占比3/10。忽略局部通風機的動力不計，風壓平衡方程如下：

由式（1）可以看出，主通風機的通風和動力與系統(tǒng)的通風量緊密相連，當改變通風機工況時，通風機的動力隨之變化，進而直接影響到系統(tǒng)通風量。

由于大型旋轉機械工作時能耗較大，因此礦井中需要確保通風機連續(xù)工作運轉，進而保證整個系統(tǒng)平穩(wěn)運行，但是機構零件不能確保一直處于健康運行狀態(tài)，經(jīng)常會發(fā)生故障，所以對一臺風機而言，通風機發(fā)生失穩(wěn)是不可避免的。然而，煤礦風機房的常見配置方式是安置兩臺型號相同的主通風機，一臺主運行，另一臺保備用，當運行風機發(fā)生故障時，備用風機啟動，保證系統(tǒng)平穩(wěn)通風。通風機輔助通風系統(tǒng)包括風門和兩臺通風機，將其組合成一個整體作為研究對象開展研究，雖然通風機的故障不可避免，但對于整體系統(tǒng)，可以利用控制方法來保證局部通風系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

2 通風機輔助通風失穩(wěn)控制對象模型

將兩臺通風機列向布置對齊，同時分別在各自的風道通道內設置立風門；當風機啟動運轉時，所對應的立風門開啟，同時備用風機配備的立風門關閉，若違背上述操作，則會使風路出現(xiàn)短路，以及減小井下的有效抽風量。改造升級的主通風機輔助通風系統(tǒng)，如圖1 所示。

圖1 改造升級的主通風機輔助通風系統(tǒng)

為了方便實施控制，構建“通風機輔助通風系統(tǒng)”的控制對象模型。在原系統(tǒng)的基礎上，添設了水平風門，且備用通風機可借助水平風門隨時啟動。此外，當大氣與水平風門連為一體時，電機將調整到全開模式，此時風阻值約等于零。備用風機能夠平穩(wěn)輕載啟動，這樣就提升了電機安全平穩(wěn)啟動的概率，進而克服了主通風機啟動故障等困難。

3 通風機輔助通風系統(tǒng)等效變位風機性能研究

3.1 風井入口等效變位通風機研究

假設礦井總風阻為R0，通風機的兩個風道中水平調節(jié)風門的風阻分別為R1s和R2s，風量為Q1s、Q2s，立風門的風阻分別為R1c、R2c，如圖2 所示。

圖2 通風機輔助通風系統(tǒng)及各部分風阻示意圖

分析時簡化圖2，將示意圖變換成通風網(wǎng)絡模型，如圖3-1 所示。設水平風門風阻-風量方程分別為：

由于R1s和R2s分別為通風機Ⅰ與通風機Ⅱ映射通風系統(tǒng)的地面漏風風阻值，因此可解算通風機Ⅰ與R1s，將其等效成通風機Ⅰ'，R1s的函數(shù)對應等效變位風機的性能曲線，則等效通風機Ⅰ'和Ⅱ'特性曲線方程為：

式（3）中，aⅠ'1、aⅠ'2、aⅠ'3、aⅡ'1、aⅡ'2、aⅡ'3為曲線方程系數(shù)在相同風量下，立風門的風阻與等效風機產生的風壓成反比關系，前者越小后者越大。進而解算之后的風網(wǎng)模型，如圖3-2 所示。

由于等效通風機Ⅰ″和Ⅱ″為并聯(lián)式工作，基于解算規(guī)則可知，兩等效通風機風量之和等效變位通風機Ⅲ的風量，兩風量方向疊加可得到后者的特性曲線；風量的負壓表達式如下：

式中：bⅠ"1、bⅠ"2、bⅠ"3、bⅡ"1、bⅡ"2、bⅡ"3為曲線方程系數(shù)。

3.2 等效變位通風機工況點模型

假設總風阻為R0，可表示為：R0=R1+R2+R3，如圖3-3 所示，即可得到等效變位通風機Ⅲ的工作點（Q0，H0），所以風道的有效總通風量的數(shù)學模型為：

圖3 通風機輔助等效風網(wǎng)簡化模型圖

式中：Q0為通風機并聯(lián)運行時從井下吸上的有效通風風量；H0為通風機輔助通風系統(tǒng)的負壓。

由式（5）可知，Q0是QⅠ、QⅡ、R1s、R1c、R2s、R2c和R0的函數(shù)。

4 通風系統(tǒng)風量調節(jié)方法對比分析

常見的風量調節(jié)方法包括風門調節(jié)和變速調節(jié)，在這里對比通風機在兩種方法下的節(jié)能效應（圖4）。假設通風機初始工況點為A，A-H1-O-Q1所圍成的面積代表A 點處的軸功率；當風量與負壓近似成反比例變化時，即Q1遞減為Q2、H1升至H2時，若選用風門調節(jié)法，礦井通風網(wǎng)絡響應曲線將由曲線1變?yōu)?，而通風機的工作點由點A 運行至點B，B-H2-O-Q2圍成的面積表示軸功率P2；若采用變速調控時，通風機轉速由n1遞減到n2，得到通風機特性曲線2，O-H3-C-Q2所圍成的面積代表工況點C的軸功率。

圖4 主通風機各工況下風量調節(jié)對比分析

對比兩種方法可發(fā)現(xiàn)，風門消耗的無益功率為H2-H3-C-B 所圍成的面積，面積占比較大，表示所產生的無益功率對風機（特別是在長時間運行下時間越長損耗越大）產生較大的損耗，這與風機的節(jié)能目的（減少無用損耗）相背馳；當確保Q2、H3取值，采用變頻調節(jié)可減少風門產生的無用損耗，從而完成節(jié)能目標。總的來說，變頻調節(jié)比風門調節(jié)節(jié)能效率高40%～50%，從而可實現(xiàn)節(jié)電效應，如果僅對風量作臨時性調整，則風門調節(jié)更加快速有效。

5 結論

本文制定了通風機通風失穩(wěn)控制的總體目標，改進了通風系統(tǒng)的布置形式，在此基礎上開展了如下工作，并得到了相應的結論，具體內容如下：

1）從系統(tǒng)角度出發(fā)制定了便于實施控制的“通風機輔助通風系統(tǒng)”的升級策略。

2）構建了通風機輔助通風系統(tǒng)模型，在此基礎上基于風機等效變位理論，將模型中兩臺獨立的風機和風門、風路的組合等效成一臺位于風井出口的變位通風機，進一步解算了此等效數(shù)學模型，分析了影響通風機輔助通風系統(tǒng)有效通風量的工況參數(shù)。

3）發(fā)現(xiàn)變速調節(jié)比風門調節(jié)節(jié)能效率高40%～50%，節(jié)能效果明顯，因此可以作為通風機輔助通風系統(tǒng)風量平穩(wěn)調節(jié)的方法。本文的研究結論能為礦井主通風機穩(wěn)定可靠運行提供新的思路和參考方法。