多風(fēng)井通風(fēng)動(dòng)力聯(lián)合運(yùn)行分析及節(jié)能減排研究

崔素賓

(山西潞安環(huán)保能源開發(fā)股份有限公司 常村煤礦,山西 長治 046100)

文章對常村煤礦花垴風(fēng)井投入使用后形成的六進(jìn)四回的復(fù)雜的多風(fēng)井聯(lián)合通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行研究與應(yīng)用[1]。S5采區(qū)曲莊與西坡風(fēng)井形成了雙翼聯(lián)合系統(tǒng),對S5采區(qū)膠帶下山、軌道下山形成的典型的角聯(lián)系統(tǒng)穩(wěn)定性進(jìn)行研究;花垴村風(fēng)井系統(tǒng)投入使用后,與王村風(fēng)井系統(tǒng)形成相互影響最為密切的θ型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)聯(lián)合通風(fēng)系統(tǒng),結(jié)合生產(chǎn)銜接計(jì)劃,解決匯風(fēng)點(diǎn)優(yōu)化問題并確保470水平北翼大巷風(fēng)流的穩(wěn)定性[2]?；ㄛ窕仫L(fēng)井投入使用后,礦井回風(fēng)井達(dá)到4個(gè),礦井通風(fēng)能耗成為需要考慮的重要問題。結(jié)合通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)分析,進(jìn)行多風(fēng)井通風(fēng)動(dòng)力與通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)聯(lián)合優(yōu)化,實(shí)現(xiàn)多風(fēng)井主要通風(fēng)機(jī)聯(lián)合高效運(yùn)行,達(dá)到節(jié)能減排的目的[3-5]。

1 礦井通風(fēng)系統(tǒng)概況

1.1 礦井概況

圖1為常村煤礦全礦井通風(fēng)系統(tǒng)簡圖,圖2為常村煤礦各風(fēng)井通風(fēng)型網(wǎng)絡(luò),可以看出常村煤礦風(fēng)井布置位置及通風(fēng)供風(fēng)情況。圖3為常村煤礦近型系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡化仿真圖,將全礦井通風(fēng)系統(tǒng)供風(fēng)情況進(jìn)行了簡化。表1為圖3中主要巷道的風(fēng)量及等效風(fēng)阻。

表1 常村煤礦主要巷道風(fēng)量及等效風(fēng)阻

圖1 常村煤礦全礦井通風(fēng)系統(tǒng)簡圖

圖2 常村煤礦各風(fēng)井通風(fēng)θ型網(wǎng)絡(luò)

圖3 常村煤礦近θ型系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡化仿真圖

中央回風(fēng)井阻力主要路線:主井底繞道—N520大巷—N翼聯(lián)絡(luò)巷—N1/N2材料巷—N1進(jìn)風(fēng)巷—N翼膠帶巷—N3下部膠帶延伸段—N3-13軌順材料巷—N3-13膠順—N3-15膠順—N3下部回風(fēng)巷延伸段—N3回風(fēng)巷延伸段—N3回風(fēng)巷—N翼回風(fēng)巷—N總回風(fēng)巷—北翼總回—中央風(fēng)井。

以N3-15工作面為例,從中央風(fēng)井到中央回風(fēng)井的通風(fēng)阻力累加圖見圖4,總阻力為2 643 Pa.

圖4 主井到中央回風(fēng)井的通風(fēng)阻力累加圖

西坡回風(fēng)井阻力主要路線:西坡進(jìn)風(fēng)井井底—S520大巷—S5軌道下山—S5采區(qū)延伸軌道下山—S5延伸采區(qū)膠帶下山—S5-22膠順—S5-22軌順—S5-22軌順回風(fēng)通道—S5延伸采區(qū)1號回風(fēng)下山—S5采區(qū)2號回風(fēng)下山—S5采區(qū)2號回風(fēng)巷—西坡回風(fēng)井。

以S5-22工作面為例,從西坡進(jìn)風(fēng)井到西坡回風(fēng)井的通風(fēng)阻力累加圖見圖5,總阻力為2 928 Pa.

圖5 西坡進(jìn)風(fēng)井到西坡回風(fēng)井的通風(fēng)阻力累加圖

王莊回風(fēng)井阻力主要路線:王村副立井井底車場—470輔助運(yùn)輸巷—+470 m北翼輔助運(yùn)輸大巷—23采區(qū)軌道下山—2302膠順—2302輔助回風(fēng)巷—23采區(qū)2號回風(fēng)下山—470北翼2號回風(fēng)大巷聯(lián)巷—470北翼2號回風(fēng)巷—王村風(fēng)井1號聯(lián)巷—470北翼1號回風(fēng)巷—王村回風(fēng)井。

以2302工作面為例,從王村副井到王村回風(fēng)井的通風(fēng)阻力累加圖見圖6,總阻力為2 490 Pa.

圖6 王村副立井到王村回風(fēng)井的通風(fēng)阻力累加圖

花垴回風(fēng)井阻力主要路線:花垴1號進(jìn)風(fēng)聯(lián)巷—25采區(qū)軌道下山—27采區(qū)輔助運(yùn)輸聯(lián)巷—27采區(qū)膠帶巷—2702膠順—2702膠順回風(fēng)通道—27采區(qū)回風(fēng)巷—25采區(qū)1號回風(fēng)下山—25采區(qū)2號回風(fēng)下山—花垴1號回風(fēng)聯(lián)巷—花垴回風(fēng)立井。

花垴回風(fēng)井系統(tǒng),沒有回采工作面,主要是巷道開拓掘進(jìn)。以2702膠順為例,從花垴進(jìn)風(fēng)立井到花垴回風(fēng)立井的通風(fēng)阻力累加圖見圖7,總阻力為1 250 Pa.

圖7 花垴進(jìn)風(fēng)井到花垴回風(fēng)井的通風(fēng)阻力累加圖

1.2 花垴主要通風(fēng)機(jī)投運(yùn)分析

花垴回風(fēng)井投運(yùn)前后通風(fēng)系統(tǒng)變化如圖8、圖9所示。

圖8 花垴主要通風(fēng)機(jī)投運(yùn)前通風(fēng)系統(tǒng)圖

圖9 花垴主要通風(fēng)機(jī)投運(yùn)后通風(fēng)系統(tǒng)圖

1.3 花垴風(fēng)機(jī)節(jié)能減排分析

2021年花垴風(fēng)機(jī)投運(yùn),2022年進(jìn)行通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化降阻,降阻后風(fēng)量有所富余,產(chǎn)生能耗,因此需要通過變頻調(diào)頻的方法實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排,如圖10所示。

圖10 花垴風(fēng)機(jī)變頻調(diào)控節(jié)能示意

通風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速依據(jù):變頻調(diào)節(jié)技術(shù)的引入可以很好地優(yōu)化風(fēng)機(jī)風(fēng)量的調(diào)節(jié)。變頻調(diào)速技術(shù)操作簡單,可靠性、有效性突出,只需適當(dāng)調(diào)大或者調(diào)小變頻器的頻率就可調(diào)整電機(jī)的轉(zhuǎn)速,風(fēng)機(jī)風(fēng)量隨之改變,同時(shí)能夠進(jìn)行風(fēng)速連續(xù)調(diào)節(jié)。

同一類型的風(fēng)機(jī)在變頻調(diào)節(jié)時(shí),其風(fēng)量Q、風(fēng)壓Hf、功率N與轉(zhuǎn)速n之間存在以下比例定律:

(1)

(2)

(3)

式中:D1、D2為兩臺相似風(fēng)機(jī)的葉輪外緣直徑,m.

當(dāng)同一臺風(fēng)機(jī)變頻調(diào)節(jié)時(shí),D1=D2,ρ1=ρ2.則風(fēng)機(jī)風(fēng)量Q與轉(zhuǎn)速n成正比,風(fēng)壓Hf與n2成正比,功率N與轉(zhuǎn)速n3成正比。因此,通過風(fēng)機(jī)變頻調(diào)節(jié),可以直接改變風(fēng)機(jī)風(fēng)量、風(fēng)壓和功率,達(dá)到變頻調(diào)風(fēng)的目的?；喪?1)、(2)、(3)可得理論上的通風(fēng)機(jī)定律:

(4)

從上式可得,若測定風(fēng)機(jī)某頻率下的風(fēng)量Q、風(fēng)壓Hf、功率N,就可以計(jì)算出該風(fēng)機(jī)任意頻率下的風(fēng)量Q、風(fēng)壓Hf、功率N,然后根據(jù)拉格朗日插值法,可以得到任意頻率下風(fēng)機(jī)的理論特性曲線方程。

花垴風(fēng)機(jī)投運(yùn)初期風(fēng)機(jī)運(yùn)行頻率為35 Hz,對應(yīng)工況點(diǎn)為M1,輸出功率與H1M1Q1O圍成的面積成正比。輸出功率經(jīng)計(jì)算為366.6 kW.2022年花垴系統(tǒng)阻力下降,風(fēng)阻特性曲線由曲線1變化為風(fēng)阻特性曲線曲線2,工況點(diǎn)將變?yōu)镸1',此時(shí)風(fēng)量有所富裕。為了實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排,根據(jù)比例定律公式(4),當(dāng)頻率調(diào)節(jié)至34.1 Hz時(shí),花垴主要通風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)后回風(fēng)量為255.14 m3/s,能夠滿足生產(chǎn)需要,負(fù)壓為1 250 Pa,實(shí)際運(yùn)行工況點(diǎn)變?yōu)镸2,與H1M1Q1O圍成的面積成正比,輸出功率經(jīng)計(jì)算為318.9 kW,可以達(dá)到節(jié)能要求。

2 全礦井通風(fēng)動(dòng)力與阻力匹配

2.1 通風(fēng)動(dòng)力與阻力匹配度

礦井主要通風(fēng)機(jī)為風(fēng)流提供了絕大部分的動(dòng)力,為了研究通風(fēng)動(dòng)力與阻力匹配的狀態(tài),需要對風(fēng)機(jī)的運(yùn)行現(xiàn)狀和基本參數(shù)進(jìn)行測試,繪制風(fēng)機(jī)風(fēng)量、靜壓特性曲線,分別見圖11、圖12、圖13、圖14.

圖11 中央回風(fēng)立井主要通風(fēng)機(jī)特性曲線

圖12 西坡回風(fēng)立井主要通風(fēng)機(jī)特性曲線

圖13 王村回風(fēng)立井主要通風(fēng)機(jī)特性曲線

圖14 花垴回風(fēng)立井主要通風(fēng)機(jī)特性曲線

2.2 礦井通風(fēng)動(dòng)力與阻力匹配現(xiàn)狀

如表2所示,各回風(fēng)立井通風(fēng)動(dòng)力與通風(fēng)阻力的匹配度分別為:中央風(fēng)井79,西坡風(fēng)井64,王村風(fēng)井70,花垴風(fēng)井35.由礦井通風(fēng)動(dòng)力與阻力匹配度計(jì)算公式可知,當(dāng)前狀況下常村煤礦中央回風(fēng)井通風(fēng)動(dòng)力與通風(fēng)阻力匹配度為優(yōu),西坡回風(fēng)井以及王村回風(fēng)井通風(fēng)動(dòng)力與通風(fēng)阻力匹配度為良,花垴回風(fēng)井通風(fēng)動(dòng)力與通風(fēng)阻力匹配度為劣。從風(fēng)機(jī)性能曲線圖中可以看出,花垴回風(fēng)立井風(fēng)機(jī)性能留有非常高的調(diào)節(jié)富裕量,目前花垴風(fēng)機(jī)的運(yùn)行效率較低,導(dǎo)致花垴回風(fēng)井的通風(fēng)動(dòng)力與通風(fēng)阻力匹配度較低,隨著25采區(qū)、27采區(qū)的延伸,用風(fēng)地點(diǎn)將會(huì)增多,總回風(fēng)量將會(huì)增加,通風(fēng)阻力將會(huì)增大,后續(xù)應(yīng)繼續(xù)做出相應(yīng)調(diào)整。

表2 常村煤礦各風(fēng)井工況點(diǎn)數(shù)據(jù)

2.3 多風(fēng)井通風(fēng)動(dòng)力聯(lián)合高效運(yùn)行研究

2.3.1 節(jié)能減排研究

花垴回風(fēng)立井投運(yùn)后,風(fēng)井?dāng)?shù)目較多,通風(fēng)管理難度較大,僅憑借經(jīng)驗(yàn)對礦井的通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行管理和調(diào)節(jié),不僅無法達(dá)到滿意的調(diào)風(fēng)效果,而且不能保障經(jīng)濟(jì)性和技術(shù)性。為了保證礦井安全運(yùn)轉(zhuǎn),亟需對通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。

在多進(jìn)多回通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分析的基礎(chǔ)上,對各用風(fēng)地點(diǎn)的風(fēng)量分布、礦井阻力分布進(jìn)行合理調(diào)整,提出改造措施,實(shí)現(xiàn)多風(fēng)井風(fēng)機(jī)聯(lián)合高效運(yùn)行,達(dá)到節(jié)能減排的目的。

2.3.2 風(fēng)機(jī)性能測試結(jié)果處理與分析

目前中央、西坡、王村和花垴4個(gè)回風(fēng)立井的主要通風(fēng)機(jī)的實(shí)際運(yùn)行角度分別為0°,-10°,-5°,-10°,西坡主要通風(fēng)機(jī)經(jīng)調(diào)節(jié),負(fù)壓相比之前有明顯下降,但應(yīng)注意西坡主要通風(fēng)機(jī)風(fēng)量為19 189 m3/min,小于20 000 m3/min,但負(fù)壓已經(jīng)接近2 940 Pa的閾值,后期進(jìn)行通風(fēng)系統(tǒng)調(diào)整時(shí),應(yīng)注意符合煤礦安全規(guī)程規(guī)定。對這4個(gè)風(fēng)機(jī)葉片安裝角度各自進(jìn)行一定范圍增大后,這幾個(gè)通風(fēng)機(jī)仍然能夠正常運(yùn)行。

2.3.3 節(jié)能減排研究結(jié)果分析

2021年花垴風(fēng)井投運(yùn)后,常村煤礦形成了六進(jìn)四回的多風(fēng)井聯(lián)合通風(fēng)系統(tǒng),各回風(fēng)井配置的通風(fēng)動(dòng)力可以符合生產(chǎn)要求,具體動(dòng)力配置如表3所示,經(jīng)優(yōu)化后,目前各回風(fēng)井配置的通風(fēng)動(dòng)力配置如表4所示。

表3 2021年各回風(fēng)井主通風(fēng)機(jī)參數(shù)

表4 2022年各回風(fēng)井主通風(fēng)機(jī)參數(shù)

花垴風(fēng)井在改造前后風(fēng)機(jī)效率均較低。2021年風(fēng)機(jī)效率為27.20%,2022年風(fēng)機(jī)效率為27.21%.這是因?yàn)榛ㄛ耧L(fēng)井剛投運(yùn)不久,25采區(qū)、27采區(qū)采面還沒有形成,大多巷道均處于掘進(jìn)過程當(dāng)中,風(fēng)機(jī)克服阻力較小。之后25采區(qū)、27采區(qū)系統(tǒng)逐漸復(fù)雜后,效率才會(huì)提高?，F(xiàn)階段,為了避免“大馬拉小車” 現(xiàn)象, 可以考慮在風(fēng)道、彎頭增加導(dǎo)葉,減小氣流損失,達(dá)到節(jié)能的目的。

通過分析,2021年中央主通風(fēng)機(jī)和王村主通風(fēng)機(jī)的輸入功率分別為1 954.01 kW和2 276.88 kW,而2022年中央主通風(fēng)機(jī)和王村主通風(fēng)機(jī)的輸入功率分別為1 924.99 kW和2 121.28 kW.可以看出,功率變化較小,中央主通風(fēng)機(jī)和王村主通風(fēng)機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定。西坡主通風(fēng)機(jī)的負(fù)壓由2021年的3 209 Pa下降到2022年的2 928 Pa,效率提高0.31%,實(shí)現(xiàn)了降阻增效,電流由249 A下調(diào)到203 A,功率降低409.99 kW,經(jīng)濟(jì)效益明顯。花垴主通風(fēng)機(jī)2021年的風(fēng)量、負(fù)壓分別為14 101 m3/min和1 560 Pa,2022年通過調(diào)節(jié)通風(fēng)設(shè)施,風(fēng)量負(fù)壓分別為15 308 m3/min和1 250 Pa,功率由1 347.95 kW下降到1 172.25 kW,實(shí)現(xiàn)了降阻增效,功率明顯下降,經(jīng)濟(jì)效益明顯。

2021年常村煤礦4個(gè)主通風(fēng)機(jī)的總功率為7 752.50 kW,2022年總功率為6 982.17 kW,減少了770.32 kW.主通風(fēng)機(jī)用電按照0.637 6元/kW·h計(jì)算,每年通風(fēng)可節(jié)約電費(fèi)430.25萬元。