礦用軸流式主通風機應用調速技術的有效性分析

王育江

(山西焦煤西山煤電股份有限公司 馬蘭礦， 山西 古交 030200)

0 引言

多年以來，人們一直在探討調速技術在礦用軸流式通風機上的應用問題，通過改變轉速的方法提高通風機運行工況點的效率，并有一些相關的文獻報導。歸納起來,比較有代表性的內容主要體現在以下兩個方面：①變頻器應用于軸流式通風機后，分析變頻調速前后通風機工況點的變化，以及相應的節能效果[1]。②分析通風機應用變頻器在電氣與控制方面的特性及優勢，如能減小電壓波動對通風機的影響，減小了機械振動及電氣沖擊；同時，應用變頻器后具有良好的控制與調節特性，提高了通風機設備的自動化水平[2]。

通風機的性能用其特性曲線來表示。有別于以往的研究，本文將根據通風機特性曲線的特征，考察工況點在通風機特性曲線上所處的位置對調速效果的影響，分析礦用軸流式通風機應用調速技術的有效性及局限性。

1 通風網路阻力特性曲線與比例曲線

通風機在網路上工作時，若其工況點不能滿足通風網路的需要，就必須對其進行調節。

調速是通風機若干調節方法中的一種。當通風機的轉速發生變化時，其相應工況點間工況參數的變化規律由下述比例定律確定。

(1)

(2)

η=ηm

(3)

式中:p、Q、η分別為通風機轉速為n時的靜壓、流量和效率；pm、Qm、ηm分別為通風機轉速為nm時的靜壓、流量和效率。

將式(1)和式(2)進行合并整理后得到:

(4)

式(4)所表達的是過坐標原點的拋物線方程。將式(4)表達的曲線在坐標圖中畫出，如圖1所示。圖1中的曲線R，即為比例曲線。比例曲線也是轉速改變時相似工況點變化的軌跡[3]。圖1中的曲線p是通風機的壓頭特性曲線。過工況點M作一條通風網路阻力特性曲線。由于該曲線同樣是過坐標原點的拋物線，所以過同一工況點的比例曲線與通風網路阻力曲線相重合。

圖1 比例曲線與通風網路阻力特性曲線

另外，根據式(3)可知，通風機轉速發生變化時，相似工況點對應的效率不變。這是變轉速調節的一個重要特性，也是分析軸流式通風機應用變速技術是否有效的基本依據。

在圖1中，若想用改變轉速的方法將工況點由M調節到Ma，則作一條通過Ma的比例曲線Rb(該曲線也是通過Ma的通風網路阻力特性曲線)。比例曲線Rb與壓頭曲線p相交于Mb。Ma和Mb是相似工況點，根據兩點對應的流量或壓頭，應用式(1)或式(2)即可計算得到Ma所對應的轉速。

2 風機特性曲線的區域劃分及相應的調速效果

軸流式通風機在一定轉數下有一組確定的特性曲線相對應。圖2即是一臺2K60-21No28型風機在轉數n=600 r條件下的特性曲線[4]。圖2中的環形或半環形曲線稱為通風機的等效率曲線，從低到高其效率值依次為0.600、0.650……0.824。

圖2 通風機特性曲線及區域劃分

等效率曲線是將不同葉片角度下壓頭特性曲線上效率相等的點進行光滑連接而成的。同時,在圖2中還給出了3條調速比例曲線，即K1、K2和K3。比例曲線(或通風網路阻力特性曲線)與等效率曲線之間的相對關系有兩種——平行和相交。為分析問題方便，給出兩類曲線夾角β的概念及角度β正負的定義：考察兩類曲線交點上方的分支，以等效率曲線為基準，比例曲線在等效率曲線左側時，其夾角β為正，反之為負。當兩線平行時其夾角β為零。

通過考察比例曲線與等效率曲線夾角β在特性曲線坐標平面上的分布狀況，可以發現：軸流式通風機應用調速技術時，其有效性取決于工況點在風機特性曲線上所處的位置。根據風機特性曲線上不穩定區與工作區域的分界線、最高效率點對應的壓頭特性曲線及等效率曲線的分布特征，可將表示通風機特性曲線的整個坐標平面用點劃線劃分為4個區域，即圖2中所示的A、B、C和D區。

各區域的劃分原則如下：A區的左上邊界是風機特性曲線上正常工作區與不穩定區的分界線，右上邊界是通過最高效率點的壓頭特性曲線(本文中是對應著35°安裝角的曲線，該角度也被稱為最佳安裝角)，左下邊界是最小安裝角對應的壓頭特性曲線，右下邊界是一條與比例曲線近似平行的等效率曲線。當A確定后，如圖2所示，其他各區域即相應地可確定。其中B區是開放的，向右下沒有封閉。

下面分別探討當通風機運行工況點分別位于上述不同區域時，應用調速技術的有效性。

1)A區：在該區內，比例曲線(或通風網路阻力特性曲線)與等效率曲線的夾角β為正。比例曲線K1接近A區的左上方邊界時，則與某些等效率曲線的夾角β最大可達90°，且比例曲線通過了通風機的最高效率點。此種情況下，若要求通風機的工況點位于M1，當不采用調速方法時，需將通風機葉片的安裝角調整為15°，工況點效率為0.620。

若應用改變轉數的方法使工況點位于M1，則應考察比例曲線K1上哪一點對應的風機特性曲線上效率最高，將效率最高的點稱為參考工況點。由圖2可知，葉片安裝角為35°時的壓頭特性曲線與K1交點M2處的效率最高，其效率值為0.824，則M2即為參考工況點。因此,將葉片安裝角定為35°，從圖2中查出M1和M2各自所對應的壓頭或流量，根據式(1)或式(2)即可求出工況M1點所對應的轉數。因為M1和M2是相似工況點，兩者效率相等，均為0.824,所以應用調速技術相對于改變葉片角度，效率提高值為0.204。

由上述分析可見，當β接近或等于90°時，比例曲線與等效率曲線接近正交，等效率曲線沿比例曲線的變化梯度最大，且比例曲線K1上某一點位于通風機的最高效率區域，從而有一個高效率的參考工況點。因此，在此種狀況下應用調速技術可取得最佳效果。隨著比例曲線K1向右下方偏移，β角逐漸變小，應用調速技術的效果也逐漸變差。

2)B區：在該區內，比例曲線K2與區域的左上邊界，即效率為0.600的等效率曲線夾角β接近于0°，比例曲線與等效率曲線近似平行，等效率曲線沿比例曲線的變化梯度為0。因此，在此種情況下使用調速方法不會提高風機的效率。要想調節通風機的流量,可使用改變葉片角度的方法。

若比例曲線K2進一步向左下方偏移，則β<0°。在這種情況下要減小流量，應用調速技術相對于改變葉片角度,效率反而會降低。由此可見，當β≤0°時，應用調速技術是得不償失的。

3)C區：該區域是葉片安裝角大于最佳葉片安裝角的區域。當工況點位于該區域，尤其是接近葉片的最大安裝角時，說明通風機已經接近于滿負荷，不再需要變速調節。

4)D區：該區域是一個特殊的區域，在該區內比例曲線與某些等效率曲線的最大夾角雖然可達90°，但該區靠近通風機的不穩定區。因此，它限制了調速技術的應用。只有當通風機能力很大，而通風機的運行安裝角較小——如要求工況點處在該區域的下方時，才能在此有限的范圍內應用調速技術，實現提高效率的目的。值得注意的是，在該區域內選擇參考工況點，既要考慮通風機的效率，還不能使其位于不穩定區內。

3 調速技術的其他應用場合

對于不具備動葉片自動調節的軸流式通風機，當流量頻繁變化時，用改變葉片角度的方法跟隨礦井流量的變化是一件繁瑣的事情。況且，動葉片的頻繁調節，將致使動葉片根部鎖緊機構過早地磨損。為了避免這種情況的發生，將動葉片安裝角調到一合適的角度，而后采用改變轉數的方法使通風機的流量跟隨礦井流量的變化，是一種可以考慮的方案。對于這一方案，在某些情況下雖有可能降低通風機的運行效率，但通風機實現了按需供風，并省去了頻繁調節葉片角度帶來的麻煩。

4 結語

1) 軸流式通風機應用變轉速調節是否有效，與通風機運行工況點所處的區域有關。在某一區域內可以取得較好的效果，而在另外一些區域則沒有效果，甚至適得其反。因此，將變轉速技術用于節能目的時，應根據通風機特性曲線與比例曲線之間的關系進行認真的技術分析。

2) 本文雖然是針對一臺2K60型通風機進行探討的，但其解決問題的方法也適用于其他形式的軸流式通風機，也包括對旋式通風機。不同類型的軸流式通風機盡管其特性曲線各有差異，但特性曲線的分布特征和基本要素是相同的。因此，對于其他形式的軸流式通風機，均可以按照上述思路劃分出應用變速技術的有效區域。