風機并聯運轉效能分析及工況優化*

王從陸吳國珉王 根

（1.中南大學資源與安全工程學院；2.大冶有色控股集團有限公司）

風機并聯運轉效能分析及工況優化*

王從陸1，2吳國珉2王 根2

（1.中南大學資源與安全工程學院；2.大冶有色控股集團有限公司）

在構建風機并聯運轉數學模型的基礎上，分析了風機并聯運轉的等效風阻變化規律。從節能的角度分析了風機總能耗最小的條件。以銅綠山礦井通風系統作為實例，分析了風機工況點變化的規律。研究表明：并聯風機的選擇需要綜合考慮風量、風壓和風機之間的匹配關系；并聯通風系統中風量調節的難度大；風門或風墻對風流分配的影響巨大；日常通風管理的關鍵在于風門管理和均衡需風量。

風機并聯 聯合運轉 效能分析 工況優化

礦井通風系統是一個復雜的非線性系統，具有隨機性、模糊性和不確定性特征［1-4］。對于老的金屬礦山來說，由于歷史或現實的原因，礦井通風系統不能有效地為生產服務，采用更換風機或增加開拓工程的方法來改變通風效果不佳的問題，從經濟上和生產安排上都難以接受［5-6］，因此，通常采用多中段并聯分區通風或多級機站接力通風的方式［7-9］。從本質上講，這是多風機并聯聯合運轉的問題。大冶有色金屬控股集團的銅綠山礦根據礦山的實際情況，采用多風機并聯作業解決井下風量不足的問題。本研究將構建銅綠山礦兩風機并聯作業的模型，從等效風阻和風機能耗等方面，結合礦井通風網絡數值解算，提出優化風機并聯運行的網絡參數，達到礦井通風高效、節能的通風目標。

1 分析模型

對于中段多風機并聯作業，基本模型如圖1。通過通風圖的等效拓撲變化，圖1可以轉化集中并聯，如圖2。由于A→B和E→F的風量相等，可以把AB和EF看成1條風路，其風阻等效為R0。

圖1 風機并聯作業

2 等效風阻分析

風機1＃和風機2＃聯合運轉時，風機的風量分別為Q1和Q2。假設風機1＃服務的A→B→E→F風網的等效風阻為RF1，根據通風阻力定律有

圖2 風機等效集中并聯作業

若風機2＃服務的A→B→C→E→F風網的等效風阻為RF2，根據通風阻力定律有

由于風機1＃和風機2＃同時運轉，E→F，A→B段的風量是相同的，有

對式（1）、式（2）和式（3）做處理，可以得到

由式（4）和式（5）可以看出，每臺風機的實際工作風阻除與各自的風路的風阻R1和公共風路的風阻R0有關外，還與2臺風機的實際風量的比例有關。同樣每臺風機的實際工況點取決于各自的風路的風阻R1和公共風路的風阻R0有關外，還取決于2臺風機實際風量的比例。

對風機而言，其風機特性曲線是固定的。若風機1＃單獨為對應中段服務，風網的風阻為R1＋R0，若風機2＃單獨為對應中段服務，風網的風阻為R2＋R0。由于

所以，風機聯合運轉時風網的等效風阻比風機單獨運轉時風網的風阻大。

對金屬礦山而已，一般進、回風段的阻力占全礦阻力的50%～70%，有的礦山甚至更高，因此，風機并聯運轉，對風機有效工況點的影響是明顯的。

假設

單獨工作時風阻為3 R1，分析不同的風量比例對風網的等效風阻的影響，分析結果見圖3。

圖3 不同風量比例情況下風網等效風阻變化曲線

從圖3可以看出，隨著Q1／Q2比值的變大，風量小的分支上安裝的風機，其等效風阻快速增大，風機工況點向左邊偏移，落在大風壓小風量的區域。風量相對較大的風機，其通風區域的等效風阻出現緩慢增大。風機工況點向左邊偏移，落在大風壓小風量的區域。其變化規律參見圖4。由此可見，給礦井通風系統增加1臺并聯風機，原工作風機的工況會有較大的改變。

圖4 風網等效風阻變化對風機工況的影響

3 并聯風機能量分析

假設2風機在不同中段并聯工作，風機風量分別為Q1和Q2，有

1＃風機的總能量

2＃風機的總能量總的風機能耗最小。其含義為1＃風機的能量僅用于克服R1段和公共段的阻力；2＃風機的能量僅用于克服R2段和公共段的阻力。2風機之間沒有由于風機不匹配而產生循環風。

兩風機的總能量

求解得到

要使風機的總能量最小，令

考慮式（6），當

4 實例分析

為研究多風機聯合作業時，風機工況之間的耦合情況，參照銅綠山礦井通風系統模型，見圖5。風流的方向通過風門或風墻進行控制。通風模型系統中布置2個風機，分別為1＃風機和2＃風機，風機運行參數見表1。

圖5 銅綠山礦井通風系統局部網絡

表1 風機工況點參數

從表1中可知，2風機并聯運行時，1＃風機風量減少9.7 m3，風壓增加571 Pa；2＃風機風量減少6.6 m3，風壓增加421 Pa。說明聯合運轉后，2＃風機的風壓都增大了，風量都減少了。由于2＃風機的風量大于1＃風機的風量，因此，并聯運轉后，1＃風機的工況點變化大于風機2的，與理論分析吻合。

5 結 論

（1）在多風機并聯運行通風網絡中，風門的調節對于各中段的風流分配的影響巨大，日常通風管理的關鍵在于風門管理。

（2）風機進行多中段并聯作業時，中段風機的選擇不能僅根據本中段的風量和風壓來選擇，而要考慮其他相關中段和各風機之間的耦合作用。

（3）風機多中段并聯作業，中段風量調節的難度非常大。風量調節通常采用風門調節，增加了系統阻力，以有效風量的減少為代價。

（4）風機進行多中段并聯作業時，需要均衡生產，使上下中段的需風量大致相等，實現風機節能。

［1］黃俊歆，王李管，熊書敏，等.礦井通風系統三維聯通巷道建模算法及其應用［J］.中南大學學報：自然科學版，2012，43（8）：3173-3180.

［2］張敬宗，高文龍.基于三維GIS的礦井通風信息系統［J］.遼寧工程技術大學學報：自然科學版，2012，31（5）：634-636.

［3］司俊鴻，陳開巖.基于Tikhonov正則化的礦井通風網絡測風求阻法［J］.煤炭學報，2012，37（6）：994-998.

［4］Li Man，Wang Xuerong.Performance evaluation methods and instrumentation for mine ventilation fans［J］.Mining Science and Technology（China），2009，19（6）：819-823.

［5］趙玉寶.基于礦井主通風機經濟運行實現途徑的探討［J］.煤炭技術.2012，31（7）：241-243.

［6］Zou Wei，Wang Shuguang，Wu Zhengan.Numeric solution of nonsteady flow in single-fan mine ventilation network［J］.Electronic Journal of Geotechnical Engineering，2012，17（4）：973-983.

［7］高 科.數值逼近法在多級機站通風系統改造中的應用［J］.遼寧工程技術大學學報：自然科學版，2012，31（6）：835-837.

［8］賈安民.井下多級機站通風監控與節能技術研究［J］.金屬礦山，2012（6）：113-119.

［9］Si Junhong，Cheng Kaiyan，Jiang Zhongcheng，et al.The interaction ofmulti-fan for the complexmine ventilation system based on limit analysis［J］.Journal of the Mine Ventilation Society of South Africa，2011，64（1）：10-15.

Operating Point Optim ization and Effectiveness Analysis of Parallel Fan

Wang Conglu1，2Wu Guomin2Wang Gen2
（1.School of Resources and Safety Engineering，Central South University；2.Daye Non-FerrousMetals Group Holdings Co.，Ltd.）

Based on themathematicalmodel of parallel fan operating，the change law of equivalentwind resistance of parallel fan was analyzed.Condition ofminimum fan total energy consumption can be drawn from the point of energy-saving.Taking themine ventilation system of Tonglushan as an example，the operating point change law of parallel fan is studied.Studies show that：Selection of parallel fan needs to comprehensively consider thematching relationship among the air pressure，the air volume and the parallel fan；It is very difficult to control air volume in amine ventilation system of parallel fan；The air door and air partition play an important role in air flow distribution.The key in routine ventilationmanagement lies in the air door and the balanced demand air volume.

Parallel fan，Joint operation，Effectiveness analysis，Operating point optimization

2013-06-24）

*國家自然科學基金項目（編號：50974132）。

王從陸（1972—），男，講師，博士，430074湖南省長沙市麓山南路605號。