小紀汗煤礦分區(qū)式通風主通風機功率特征分析

寧 鵬，康思凡

(1.陜西華電榆橫煤電有限責任公司，陜西 榆林 719000；2.西安科技大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710054)

0 引言

在煤礦生產(chǎn)建設(shè)期間，通風系統(tǒng)的阻力往往隨著采掘工作的延續(xù)而發(fā)生變化[1]。此外，礦井多采掘工作面同時生產(chǎn)，為了預(yù)防生產(chǎn)安全事故，需要采用分區(qū)式通風，達到“一回采面一風機”的基本要求，這樣還能確保阻力增大時，采場風量不足或通風能力不均衡。但由于各通風機性能不同、通風巷道風阻的變化，可能出現(xiàn)多臺風機聯(lián)合運轉(zhuǎn)時相互影響，導(dǎo)致礦井風流不穩(wěn)定，主通風機發(fā)生不穩(wěn)定運行，甚至出現(xiàn)喘振等后果，降低礦井通風系統(tǒng)的安全可靠性[2]。為了分析問題的內(nèi)在特征規(guī)律，選取小紀汗煤礦通風系統(tǒng)為研究對象，采用網(wǎng)絡(luò)解算方法，在雙回風井并聯(lián)的情況下，研究其網(wǎng)絡(luò)風阻比例及其主通風機功率的變化規(guī)律，從而找出風機最佳功率中的最小值和效率最佳的工況點，以確保風機運行的穩(wěn)定性和性能的最優(yōu)化。

1 通風分析技術(shù)簡介

在礦井通風安全管理工作中，風網(wǎng)解算是各通風計算的基礎(chǔ)，因其可以再現(xiàn)實際的通風狀況，占有非常重要的地位。風網(wǎng)解算法大致可分為2類?；芈贩ê凸?jié)點風壓法，斯考德-恒斯雷法為目前在我國應(yīng)用最普及的一種回路法。它以圖論為基礎(chǔ)，以風流在空氣中流動的阻力定律、能量守恒定律、節(jié)點風量守恒定律和回路能量平衡定律為理論依據(jù)，利用高斯賽德爾迭代法逐次求解網(wǎng)孔的修正風量，直到接近預(yù)先所給的精度值，使其修正后的風量接近真實風量值[3]，其目的是在已知風道風阻、風機特性和自然風壓的基礎(chǔ)上求解礦井風量。

本文所用的解算軟件系統(tǒng)基于AutoCAD二次開發(fā)而成，通過給與準確的風阻值和風機特性曲線，軟件模擬計算出整個礦井通風系統(tǒng)的實際風量風壓分配情況，并將整個系統(tǒng)中的風量與阻力的計算、風量與風壓分配等功能以網(wǎng)絡(luò)圖形的方式來實現(xiàn)，從而達到計算可視化的效果[4]，便于在生產(chǎn)管理中對各種通風措施進行預(yù)測、對通風異常情況進行及時處理、對各種方案進行量化比較。具體特點包括4方面：①通風系統(tǒng)圖、通風網(wǎng)絡(luò)圖的繪制和自動生成通風網(wǎng)絡(luò)圖；②巷道旁有所屬數(shù)據(jù)顯現(xiàn)，使數(shù)據(jù)的直觀性更加容易表達；③風網(wǎng)解算計算完成時，從系統(tǒng)圖上保留提取通風網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，進行從單線系統(tǒng)圖轉(zhuǎn)換到雙線系統(tǒng)圖；④分析多風機系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性，定量給出單個風機系統(tǒng)的風量、風阻變化時對其它風機系統(tǒng)的影響。

2 雙回風井風機并聯(lián)運轉(zhuǎn)特性

2.1 雙風機并聯(lián)運轉(zhuǎn)的相互影響

在分區(qū)式通風系統(tǒng)中，礦井通風系統(tǒng)正常運行時，在主要通風機聯(lián)合運轉(zhuǎn)過程中，其中某一臺風機發(fā)生變化，另一臺風機會受到不同程度影響，這就造成了雙風機相互干擾的問題。雙風機分區(qū)并聯(lián)通風的各臺風機通過其公用風路相互聯(lián)系，又相互影響。如圖1所示，簡化后所有進風巷道合并為公共風路OC，工作在2個回風巷道的通風機F1、F2，通過最近的公共節(jié)點O互相影響對方的工作性能。因為公共風路上的風量是各臺風機共同作用的結(jié)果，各臺風機又獨自承受了所消耗的負壓及克服公共風路和專用風路上的風阻。對每臺風機來說，相當于在公共風路上增加了風阻，風阻越大，通過的風量就越大，消耗的風壓也更大，所以每臺風機承擔的風壓也隨之增多[5]。另外，并聯(lián)運轉(zhuǎn)使每臺風機增加了風壓也就消耗了功率，因此，供風效率也隨之降低。

此外，其并聯(lián)通風的總風量小于各臺風機單機運轉(zhuǎn)風量之和[6]，公共風路的風阻R0和風機風量Q機與公共風路上風量Q公比值的大小決定了并聯(lián)運轉(zhuǎn)時對每臺風機的效率大小影響。因此，使多風機聯(lián)合運轉(zhuǎn)時達到合理性，可以從井巷風阻、自然風壓、風機特性等方面考慮，保證公共風路的風阻盡可能小[7]，公共風道風阻不能超過總風阻值的35%。

圖1 雙風機對角并聯(lián)拓撲示意Fig.1 Schematic diagram of dual-fan diagonal parallel topology

2.2 分區(qū)通風并聯(lián)運轉(zhuǎn)合理工況點確定

在分區(qū)式通風系統(tǒng)中，在公共風路上共同作用的2臺風機F1和F2的特性曲線不同于F1、F2中的任何一個。根據(jù)2臺風機的性能曲線和2臺風機單獨工作時的網(wǎng)路風阻，以每臺風機的風壓和網(wǎng)絡(luò)的阻力相減的原理為理論依據(jù)，在等風量條件下，得到每臺風機的剩余特性曲線。對于雙回風井并聯(lián)通風網(wǎng)絡(luò)，可以通過固定一臺風機的性能曲線，改變另一臺風機的不同性能曲線，并對安裝在2條回風風道內(nèi)的風機進行不同性能的交互分析及網(wǎng)絡(luò)解算。在滿足公共風巷風量要求的條件下，分析2臺通風機的通風參數(shù)。

大量的實踐表明，每臺風機的實際工況點取決于各自風路的風阻和公共風路的風阻。當各分支風路的風阻保持不變時，公共風路段的風阻增大，2臺風機的工況點上移；當公共風路段的風阻保持不變時，某一分支的風阻增大，則該工況點上移，另一風機的工況點下移。因此，采用軸流式通風機做并聯(lián)通風，要注意防止因某一分支所在系統(tǒng)的風阻減小引起另一所在系統(tǒng)的風機壓增加，從而進入不穩(wěn)定區(qū)工作[8]。

3 小紀汗煤礦的概況及模擬解算

3.1 礦井通風系統(tǒng)概況

為了分析問題方便，可以將礦井通風系統(tǒng)圖簡化為圖2。形成井下主風路5種不同的聯(lián)通模式，井底聯(lián)通模式表示為主副斜井聯(lián)巷與中央進風立井聯(lián)巷之間聯(lián)通；采區(qū)進風段聯(lián)通模式表示為11盤區(qū)變電所與19#風橋、20#風橋之間的聯(lián)通；工作面聯(lián)通模式表示為11盤區(qū)水泵房與13盤區(qū)主副運聯(lián)絡(luò)巷之間聯(lián)通；采區(qū)回風聯(lián)通模式表示為11214回風順槽出口通過12#風橋與ZH2聯(lián)、HZ7聯(lián)之間聯(lián)通；回風立井底聯(lián)通模式表示為2號煤層西翼二號回風大巷與小蘇計回風立井井底之間聯(lián)通。根據(jù)現(xiàn)場測定的性能報告，中央風井的主要通風機安裝的是FBCDZ-No33型風機，風機額定功率為2×630 kW，工況點風量為132.319 m3·s-1，工況點風壓為1 974.756 Pa，頻率為50 Hz。小蘇計風井的主要通風機安裝的是FBCDZ-No29型風機，風機的額定功率為2×355 kW，工況點風量為172.491 m3·s-1，工況點風壓為1 255.579 Pa，頻率為50 Hz。根據(jù)通風系統(tǒng)的安全性分析，選取正常工作期間的主通風機，對中央回風立井和小蘇計回風立井的主通風機特性曲線進行評價，可知礦井兩井的主扇實際運行情況與理論工作性能基本吻合，表明中央回風立井與小蘇計回風立井的通風機均符合實際生產(chǎn)要求。

圖2 主要通風路線的網(wǎng)絡(luò)圖Fig.2 Network diagram of main ventilation routes

以上為基礎(chǔ)進行網(wǎng)絡(luò)模擬解算，經(jīng)過多次網(wǎng)絡(luò)解算和調(diào)整，得到通風系統(tǒng)風量分配和阻力分布初始結(jié)果，見表1。其中，風量和風機負壓h值與現(xiàn)場實際比較吻合，可以作為模擬分析的一個基準模型。

表1 簡化通風網(wǎng)絡(luò)模型解算初始結(jié)果統(tǒng)計

3.2 風段風阻變化特征

為研究公共風道風阻值的變化對主通風機輸出功率的影響，基于上述模型，在保證礦井總風阻值不變的情況下，通過增大公共風路風阻值，減小回風大巷風阻值或者減小公共風路風阻值，增大回風大巷風阻值不斷調(diào)節(jié)風阻比例，如圖2中幾種不同的聯(lián)通模式，用網(wǎng)絡(luò)解算軟件進行解算將結(jié)果輸出，并匯總通風機在不同風網(wǎng)結(jié)構(gòu)時的功率數(shù)據(jù)，見表2。

表2 調(diào)整后的通風功率特征

3.3 模擬計算結(jié)果分析

對于表2中各種聯(lián)通方式的通風機工作功率，以自然分風的通風功率為基礎(chǔ)，通過網(wǎng)絡(luò)解算模型計算得到通風功率比較，發(fā)現(xiàn)聯(lián)通后形成公共通風風路，其風阻在通風系統(tǒng)中總風阻所占比例越大，每個風井風機及總通風功率越大。對于多出自然分風通風功率這一特征，有了公共通風風路，2處主通風機處于并聯(lián)方式，每一臺通風機所做的功除了公共風路和自身連接風路外，多余的功施加到另一臺通風機所在風路上。這是因為兩風機風路聯(lián)結(jié)處的風勢，均小于地面節(jié)點風勢，這就形成雙風機“互相對拉”效應(yīng)。由于回風段聯(lián)通，當公共通風段比例增大時，小蘇計風井通風的功率有突變，驟然增大，這也是中央回風立井通風機額定功率(2×630 kW)遠大于小蘇計風機通風機功率(2×355 kW)的緣故。

公共風路段風阻增大，雖然風量有較小變化，但具體反應(yīng)在各通風機工況上，工況點在中央回風立井的風機性能曲線上變化小，而在小蘇計回風井通風機性能曲線上變化大。所以相對于中央回風立井通風功率，小蘇計風井的通風功率有明顯的增大。這表明在2臺主通風機并聯(lián)工作時，其公共通風段的比例不能太大。

4 結(jié)論

(1)在雙回風井風機并聯(lián)通風系統(tǒng)中，公共通風巷道的風阻值在整個系統(tǒng)風阻值中所占比重越大，系統(tǒng)的總功率及每一個風井風機的功率越大。

(2)以自然分風的通風功率為基準，增加的通風功率為2套風機相互抵消做功而消耗的功率。

(3)在采區(qū)回風段聯(lián)通，由于中央回風立井通風機額定功率遠大于小蘇計風機通風機功率，因此小蘇計風井的通風功率有段明顯驟然增大。