礦井主通風機系統運行穩定性研究

楊明瑞

（晉能控股煤業集團忻州窯礦， 山西 大同 037021）

引言

煤礦的安全生產需要連續、可靠、穩定的通風，這就要求煤礦主通風機始終保持穩定可靠的持續運轉狀態，以保證井道的通風量。然而礦井環境錯綜復雜，主通風機的工作環境伴有大量渾濁污惡的氣流，并且工作電壓較大，以至于出現故障的概率較大；同時在倒機停機過程中，通風機會頻繁發生啟動失常，以及備用風機啟動存在不確定性等，上述情況都不能確保通風系統的平穩運行[1-4]。因此本文設計了一種新型通風系統模型，其分別從主通風機輔助通風系統失穩控制和主通風機運行異常通風失穩防范兩個方向切入，建立了礦井主通風系統平穩運行的維護方案，同時確定了通風失穩的控制總目標，獲得了影響工況點的參數響應。同時，以此模型為基礎，系統地討論了調節風量的自動控制方法，進而得到控制通風機系統穩定性的調節策略，從而實現對礦井主通風機系統的穩定控制。

1 主通風機通風失穩控制目標

煤礦通風系統主要由機械動力系統和三個通風區段組成。通風系統的三個區段依次為進風區、用風區和回風區。假設Q1、Q2、Q3分別為三個區段的風量，H 為負壓，R1、R2、R3分別為三個區段的風阻，基于礦井總阻力的優化分配比例，規定進風區阻力占總阻力的1/4，用風區占比9/20，回風區占比3/10。忽略局部通風機的動力不計，風壓平衡方程如下：

由式（1）可以看出，主通風機的通風和動力與系統的通風量緊密相連，當改變通風機工況時，通風機的動力隨之變化，進而直接影響到系統通風量。

由于大型旋轉機械工作時能耗較大，因此礦井中需要確保通風機連續工作運轉，進而保證整個系統平穩運行，但是機構零件不能確保一直處于健康運行狀態，經常會發生故障，所以對一臺風機而言，通風機發生失穩是不可避免的。然而，煤礦風機房的常見配置方式是安置兩臺型號相同的主通風機，一臺主運行，另一臺保備用，當運行風機發生故障時，備用風機啟動，保證系統平穩通風。通風機輔助通風系統包括風門和兩臺通風機，將其組合成一個整體作為研究對象開展研究，雖然通風機的故障不可避免，但對于整體系統，可以利用控制方法來保證局部通風系統的穩定性。

2 通風機輔助通風失穩控制對象模型

將兩臺通風機列向布置對齊，同時分別在各自的風道通道內設置立風門；當風機啟動運轉時，所對應的立風門開啟，同時備用風機配備的立風門關閉，若違背上述操作，則會使風路出現短路，以及減小井下的有效抽風量。改造升級的主通風機輔助通風系統，如圖1 所示。

圖1 改造升級的主通風機輔助通風系統

為了方便實施控制，構建“通風機輔助通風系統”的控制對象模型。在原系統的基礎上，添設了水平風門，且備用通風機可借助水平風門隨時啟動。此外，當大氣與水平風門連為一體時，電機將調整到全開模式，此時風阻值約等于零。備用風機能夠平穩輕載啟動，這樣就提升了電機安全平穩啟動的概率，進而克服了主通風機啟動故障等困難。

3 通風機輔助通風系統等效變位風機性能研究

3.1 風井入口等效變位通風機研究

假設礦井總風阻為R0，通風機的兩個風道中水平調節風門的風阻分別為R1s和R2s，風量為Q1s、Q2s，立風門的風阻分別為R1c、R2c，如圖2 所示。

圖2 通風機輔助通風系統及各部分風阻示意圖

分析時簡化圖2，將示意圖變換成通風網絡模型，如圖3-1 所示。設水平風門風阻-風量方程分別為：

由于R1s和R2s分別為通風機Ⅰ與通風機Ⅱ映射通風系統的地面漏風風阻值，因此可解算通風機Ⅰ與R1s，將其等效成通風機Ⅰ'，R1s的函數對應等效變位風機的性能曲線，則等效通風機Ⅰ'和Ⅱ'特性曲線方程為：

式（3）中，aⅠ'1、aⅠ'2、aⅠ'3、aⅡ'1、aⅡ'2、aⅡ'3為曲線方程系數在相同風量下，立風門的風阻與等效風機產生的風壓成反比關系，前者越小后者越大。進而解算之后的風網模型，如圖3-2 所示。

由于等效通風機Ⅰ″和Ⅱ″為并聯式工作，基于解算規則可知，兩等效通風機風量之和等效變位通風機Ⅲ的風量，兩風量方向疊加可得到后者的特性曲線；風量的負壓表達式如下：

式中：bⅠ"1、bⅠ"2、bⅠ"3、bⅡ"1、bⅡ"2、bⅡ"3為曲線方程系數。

3.2 等效變位通風機工況點模型

假設總風阻為R0，可表示為：R0=R1+R2+R3，如圖3-3 所示，即可得到等效變位通風機Ⅲ的工作點（Q0，H0），所以風道的有效總通風量的數學模型為：

圖3 通風機輔助等效風網簡化模型圖

式中：Q0為通風機并聯運行時從井下吸上的有效通風風量；H0為通風機輔助通風系統的負壓。

由式（5）可知，Q0是QⅠ、QⅡ、R1s、R1c、R2s、R2c和R0的函數。

4 通風系統風量調節方法對比分析

常見的風量調節方法包括風門調節和變速調節，在這里對比通風機在兩種方法下的節能效應（圖4）。假設通風機初始工況點為A，A-H1-O-Q1所圍成的面積代表A 點處的軸功率；當風量與負壓近似成反比例變化時，即Q1遞減為Q2、H1升至H2時，若選用風門調節法，礦井通風網絡響應曲線將由曲線1變為2，而通風機的工作點由點A 運行至點B，B-H2-O-Q2圍成的面積表示軸功率P2；若采用變速調控時，通風機轉速由n1遞減到n2，得到通風機特性曲線2，O-H3-C-Q2所圍成的面積代表工況點C的軸功率。

圖4 主通風機各工況下風量調節對比分析

對比兩種方法可發現，風門消耗的無益功率為H2-H3-C-B 所圍成的面積，面積占比較大，表示所產生的無益功率對風機（特別是在長時間運行下時間越長損耗越大）產生較大的損耗，這與風機的節能目的（減少無用損耗）相背馳；當確保Q2、H3取值，采用變頻調節可減少風門產生的無用損耗，從而完成節能目標。總的來說，變頻調節比風門調節節能效率高40%～50%，從而可實現節電效應，如果僅對風量作臨時性調整，則風門調節更加快速有效。

5 結論

本文制定了通風機通風失穩控制的總體目標，改進了通風系統的布置形式，在此基礎上開展了如下工作，并得到了相應的結論，具體內容如下：

1）從系統角度出發制定了便于實施控制的“通風機輔助通風系統”的升級策略。

2）構建了通風機輔助通風系統模型，在此基礎上基于風機等效變位理論，將模型中兩臺獨立的風機和風門、風路的組合等效成一臺位于風井出口的變位通風機，進一步解算了此等效數學模型，分析了影響通風機輔助通風系統有效通風量的工況參數。

3）發現變速調節比風門調節節能效率高40%～50%，節能效果明顯，因此可以作為通風機輔助通風系統風量平穩調節的方法。本文的研究結論能為礦井主通風機穩定可靠運行提供新的思路和參考方法。