基于正交優化法的礦井通風機通風特性優化研究

續云飛

（晉能控股煤業集團晉城煤炭事業部成莊礦， 山西 晉城 048000）

引言

煤炭作為國民經濟發展的基礎，對推動人類科技的進步具有十分重要的作用。隨著煤礦綜采作業深度不斷增加，對礦井通風系統的運行穩定性提出了更高要求。礦井通風系統在運行過程的電能消耗量占據了煤礦電能總消耗量的20%以上，是影響煤礦綜合生產效益的重要因素[1]。針對目前礦井通風系統在運行過程中所存在的全壓效率低、運行經濟性差，難以滿足礦井通風系統通風穩定性需求的現狀，本文提出了基于正交優化法的礦井通風機通風特性優化方案。

1 模型分析及正交優化

本文以對旋式軸流通風機為研究對象，風機有前后兩級風葉，在運行過程中兩級風葉以相同的轉速朝相反的方向運行，為了避免渦流，同時降低運行時的噪聲，兩級葉片安裝時會選擇不同的安裝角。以某型對旋式軸流通風機為例，其電機轉速約為560 r/min，前葉片安裝角為64°，后葉片的安裝角為42°，葉片的葉頂間隙為9 mm。利用三維建模軟件建立該對旋軸流式通風機的三維結構模型，并采用混合網格[2]劃分的方案，在葉片和葉輪接觸的位置采用非結構網格進行加密劃分，在其他區域采用結構網格劃分，從而保證分析準確性和分析效率的平衡，共計劃分網格950萬個，網格劃分后的對旋式軸流通風機的整體結構如圖1 所示。

圖1 通風機整體及局部網格劃分結果示意圖

正交優化法是一種通過對多組數值進行一定規律的組合，來確定不同數值之間最佳匹配關系的實驗方案，由于風機葉輪的運轉速度和安裝角對風機運行的效率、風壓、噪聲和振動等均有極大的影響，直接關系到風機運行時的通風特性，因此為了進一步提升風機運行性能，本文對風機的轉速和安裝角進行重新組合驗證，獲取最佳匹配參數。在風機現有參數的基礎上，本文根據前期摸底驗證結果，制定的正交參數優化組合如下頁表1 所示。

表1 正交參數組合表

為了對風機運行時的通風特性進行分析，本文選擇了表現風機性能的關鍵指標，即全壓效率和全壓作為分析對象，利用FLUENT 流體仿真分析軟件[3]對不同組合情況下的風機運行特性進行分析。為了確保分析結果的準確性，在分析時采用了湍流模型[4]，以風機運行時的臨界質量流量64 kg/s 為運行工況，對不同組合情況下的風機運行全壓和全壓效率進行分析，結果匯總如下頁表2 所示。由分析結果可知，組合5方案下的風機全壓效率最高，達到了83.70%，此時的全壓為569.16 Pa。組合4 方案下的全壓最高，達到了1 003.2 Pa，但此時的全壓效率僅為65.72%。綜合對比分析后發現，當采用組合1 方案下風機的全壓效率為83.33%，工作時的全壓為799.05 Pa，具有最佳的通風運行特性。

表2 不同組合情況下的風機運行特性

2 優化后分析驗證

為了對優化后的對旋式軸流通風機的通風特性進行分析，本文選擇風機在不同質量流量下的全壓效率和全壓情況進行分析，風機在正常運行情況下的質量流量為80 kg/s，因此選擇對風機在可變流量50～120 kg/s 工況下的通風特性，優化前后風機的全壓效率和全壓變化曲線，如圖2 所示。

由圖2 可知，優化前后風機運行時的全壓效率均隨著質量流量的增加而降低，在80～92 kg/s 時風機的全壓效率最高，達到了80%以上，但優化后風機在小流量運行區間和大流量運行區間的效率均顯著高于優化前，特別是在風機最常運行的60～75 kg/s 流量區間，優化后風機的運行效率比優化前提升了約24.1%，而且在大流量區間風機的最小運行效率也在70%以上，能夠更好地適應變頻調速風機的全流域范圍內通風穩定性的需求。

圖2 優化前后風機的通風特性變化曲線

在運行過程中，風機的全壓也是隨著質量流量的增加先降低然后逐漸升高，當達到最高值時又急劇降低。在質量流量小于92 kg/s，風機優化前后的全壓變化情況基本一致。但當風機在大流量工況下運行時，優化后風機的全壓顯著高于優化前。當流量工況為120kg/s 時，優化后風機的全壓比優化前提升了約4 倍。

由實際驗證結果可知，優化后風機運行時的通風特性得到了顯著的提升，有效解決了對旋式軸流通風機在低流量工況和高流量工況下運行時全壓效率低、運行經濟性差，難以滿足礦井通風系統通風穩定性需求的現狀，取得了良好的應用效果，具有較大的應用推廣效果。

3 結論

針對現有對旋式軸流通風機在低流量工況和高流量工況下運行時全壓效率低、運行經濟性差，難以滿足礦井通風系統通風穩定性需求的現狀，提出了基于正交優化法的礦井通風機通風特性優化方案，利用正交優化法對風機不同葉輪轉速和葉片安裝角情況下的通風特性進行研究，根據實際應用表明：

1）風機前葉輪轉速為560 r/min、后葉輪轉速為410 r/min、前葉片安裝角為64°、后葉片安裝角為40°的情況下具有最佳的運行特性。

2）優化后風機的全壓效率比優化前提升了約24.1%，風機在運行過程中的全壓提升了4 倍，極大地提升了礦井通風系統的運行穩定性和經濟性。