小纪汗煤矿分区式通风主通风机功率特征分析
时间：2023-01-26 15:40:05 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
宁 鹏，康思凡
(1.陕西华电榆横煤电有限责任公司，陕西 榆林 719000；
2.西安科技大学 安全科学与工程学院，陕西 西安 710054)
在煤矿生产建设期间，通风系统的阻力往往随着采掘工作的延续而发生变化[1]。此外，矿井多采掘工作面同时生产，为了预防生产安全事故，需要采用分区式通风，达到“一回采面一风机”的基本要求，这样还能确保阻力增大时，采场风量不足或通风能力不均衡。但由于各通风机性能不同、通风巷道风阻的变化，可能出现多台风机联合运转时相互影响，导致矿井风流不稳定，主通风机发生不稳定运行，甚至出现喘振等后果，降低矿井通风系统的安全可靠性[2]。为了分析问题的内在特征规律，选取小纪汗煤矿通风系统为研究对象，采用网络解算方法，在双回风井并联的情况下，研究其网络风阻比例及其主通风机功率的变化规律，从而找出风机最佳功率中的最小值和效率最佳的工况点，以确保风机运行的稳定性和性能的最优化。
在矿井通风安全管理工作中，风网解算是各通风计算的基础，因其可以再现实际的通风状况，占有非常重要的地位。风网解算法大致可分为2类。回路法和节点风压法，斯考德-恒斯雷法为目前在我国应用最普及的一种回路法。它以图论为基础，以风流在空气中流动的阻力定律、能量守恒定律、节点风量守恒定律和回路能量平衡定律为理论依据，利用高斯赛德尔迭代法逐次求解网孔的修正风量，直到接近预先所给的精度值，使其修正后的风量接近真实风量值[3]，其目的是在已知风道风阻、风机特性和自然风压的基础上求解矿井风量。
本文所用的解算软件系统基于AutoCAD二次开发而成，通过给与准确的风阻值和风机特性曲线，软件模拟计算出整个矿井通风系统的实际风量风压分配情况，并将整个系统中的风量与阻力的计算、风量与风压分配等功能以网络图形的方式来实现，从而达到计算可视化的效果[4]，便于在生产管理中对各种通风措施进行预测、对通风异常情况进行及时处理、对各种方案进行量化比较。具体特点包括4方面：①通风系统图、通风网络图的绘制和自动生成通风网络图；
②巷道旁有所属数据显现，使数据的直观性更加容易表达；
③风网解算计算完成时，从系统图上保留提取通风网络的结构数据，进行从单线系统图转换到双线系统图；
④分析多风机系统运行的稳定性，定量给出单个风机系统的风量、风阻变化时对其它风机系统的影响。
2.1 双风机并联运转的相互影响
在分区式通风系统中，矿井通风系统正常运行时，在主要通风机联合运转过程中，其中某一台风机发生变化，另一台风机会受到不同程度影响，这就造成了双风机相互干扰的问题。双风机分区并联通风的各台风机通过其公用风路相互联系，又相互影响。如图1所示，简化后所有进风巷道合并为公共风路OC，工作在2个回风巷道的通风机F1、F2，通过最近的公共节点O互相影响对方的工作性能。因为公共风路上的风量是各台风机共同作用的结果，各台风机又独自承受了所消耗的负压及克服公共风路和专用风路上的风阻。对每台风机来说，相当于在公共风路上增加了风阻，风阻越大，通过的风量就越大，消耗的风压也更大，所以每台风机承担的风压也随之增多[5]。另外，并联运转使每台风机增加了风压也就消耗了功率，因此，供风效率也随之降低。
此外，其并联通风的总风量小于各台风机单机运转风量之和[6]，公共风路的风阻R0和风机风量Q机与公共风路上风量Q公比值的大小决定了并联运转时对每台风机的效率大小影响。因此，使多风机联合运转时达到合理性，可以从井巷风阻、自然风压、风机特性等方面考虑，保证公共风路的风阻尽可能小[7]，公共风道风阻不能超过总风阻值的35%。
图1 双风机对角并联拓扑示意Fig.1 Schematic diagram of dual-fan diagonal parallel topology
2.2 分区通风并联运转合理工况点确定
在分区式通风系统中，在公共风路上共同作用的2台风机F1和F2的特性曲线不同于F1、F2中的任何一个。根据2台风机的性能曲线和2台风机单独工作时的网路风阻，以每台风机的风压和网络的阻力相减的原理为理论依据，在等风量条件下，得到每台风机的剩余特性曲线。对于双回风井并联通风网络，可以通过固定一台风机的性能曲线，改变另一台风机的不同性能曲线，并对安装在2条回风风道内的风机进行不同性能的交互分析及网络解算。在满足公共风巷风量要求的条件下，分析2台通风机的通风参数。
大量的实践表明，每台风机的实际工况点取决于各自风路的风阻和公共风路的风阻。当各分支风路的风阻保持不变时，公共风路段的风阻增大，2台风机的工况点上移；
当公共风路段的风阻保持不变时，某一分支的风阻增大，则该工况点上移，另一风机的工况点下移。因此，采用轴流式通风机做并联通风，要注意防止因某一分支所在系统的风阻减小引起另一所在系统的风机压增加，从而进入不稳定区工作[8]。
3.1 矿井通风系统概况
为了分析问题方便，可以将矿井通风系统图简化为图2。形成井下主风路5种不同的联通模式，井底联通模式表示为主副斜井联巷与中央进风立井联巷之间联通；
采区进风段联通模式表示为11盘区变电所与19#风桥、20#风桥之间的联通；
工作面联通模式表示为11盘区水泵房与13盘区主副运联络巷之间联通；
采区回风联通模式表示为11214回风顺槽出口通过12#风桥与ZH2联、HZ7联之间联通；
回风立井底联通模式表示为2号煤层西翼二号回风大巷与小苏计回风立井井底之间联通。根据现场测定的性能报告，中央风井的主要通风机安装的是FBCDZ-No33型风机，风机额定功率为2×630 kW，工况点风量为132.319 m3·s-1，工况点风压为1 974.756 Pa，频率为50 Hz。小苏计风井的主要通风机安装的是FBCDZ-No29型风机，风机的额定功率为2×355 kW，工况点风量为172.491 m3·s-1，工况点风压为1 255.579 Pa，频率为50 Hz。根据通风系统的安全性分析，选取正常工作期间的主通风机，对中央回风立井和小苏计回风立井的主通风机特性曲线进行评价，可知矿井两井的主扇实际运行情况与理论工作性能基本吻合，表明中央回风立井与小苏计回风立井的通风机均符合实际生产要求。
图2 主要通风路线的网络图Fig.2 Network diagram of main ventilation routes
以上为基础进行网络模拟解算，经过多次网络解算和调整，得到通风系统风量分配和阻力分布初始结果，见表1。其中，风量和风机负压h值与现场实际比较吻合，可以作为模拟分析的一个基准模型。
表1 简化通风网络模型解算初始结果统计
3.2 风段风阻变化特征
为研究公共风道风阻值的变化对主通风机输出功率的影响，基于上述模型，在保证矿井总风阻值不变的情况下，通过增大公共风路风阻值，减小回风大巷风阻值或者减小公共风路风阻值，增大回风大巷风阻值不断调节风阻比例，如图2中几种不同的联通模式，用网络解算软件进行解算将结果输出，并汇总通风机在不同风网结构时的功率数据，见表2。
表2 调整后的通风功率特征
3.3 模拟计算结果分析
对于表2中各种联通方式的通风机工作功率，以自然分风的通风功率为基础，通过网络解算模型计算得到通风功率比较，发现联通后形成公共通风风路，其风阻在通风系统中总风阻所占比例越大，每个风井风机及总通风功率越大。对于多出自然分风通风功率这一特征，有了公共通风风路，2处主通风机处于并联方式，每一台通风机所做的功除了公共风路和自身连接风路外，多余的功施加到另一台通风机所在风路上。这是因为两风机风路联结处的风势，均小于地面节点风势，这就形成双风机“互相对拉”效应。由于回风段联通，当公共通风段比例增大时，小苏计风井通风的功率有突变，骤然增大，这也是中央回风立井通风机额定功率(2×630 kW)远大于小苏计风机通风机功率(2×355 kW)的缘故。
公共风路段风阻增大，虽然风量有较小变化，但具体反应在各通风机工况上，工况点在中央回风立井的风机性能曲线上变化小，而在小苏计回风井通风机性能曲线上变化大。所以相对于中央回风立井通风功率，小苏计风井的通风功率有明显的增大。这表明在2台主通风机并联工作时，其公共通风段的比例不能太大。
(1)在双回风井风机并联通风系统中，公共通风巷道的风阻值在整个系统风阻值中所占比重越大，系统的总功率及每一个风井风机的功率越大。
(2)以自然分风的通风功率为基准，增加的通风功率为2套风机相互抵消做功而消耗的功率。
(3)在采区回风段联通，由于中央回风立井通风机额定功率远大于小苏计风机通风机功率，因此小苏计风井的通风功率有段明显骤然增大。
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