小紀汗煤礦分區式通風主通風機功率特征分析

寧 鵬，康思凡

(1.陜西華電榆橫煤電有限責任公司，陜西 榆林 719000；2.西安科技大學 安全科學與工程學院，陜西 西安 710054)

0 引言

在煤礦生產建設期間，通風系統的阻力往往隨著采掘工作的延續而發生變化[1]。此外，礦井多采掘工作面同時生產，為了預防生產安全事故，需要采用分區式通風，達到“一回采面一風機”的基本要求，這樣還能確保阻力增大時，采場風量不足或通風能力不均衡。但由于各通風機性能不同、通風巷道風阻的變化，可能出現多臺風機聯合運轉時相互影響，導致礦井風流不穩定，主通風機發生不穩定運行，甚至出現喘振等后果，降低礦井通風系統的安全可靠性[2]。為了分析問題的內在特征規律，選取小紀汗煤礦通風系統為研究對象，采用網絡解算方法，在雙回風井并聯的情況下，研究其網絡風阻比例及其主通風機功率的變化規律，從而找出風機最佳功率中的最小值和效率最佳的工況點，以確保風機運行的穩定性和性能的最優化。

1 通風分析技術簡介

在礦井通風安全管理工作中，風網解算是各通風計算的基礎，因其可以再現實際的通風狀況，占有非常重要的地位。風網解算法大致可分為2類。回路法和節點風壓法，斯考德-恒斯雷法為目前在我國應用最普及的一種回路法。它以圖論為基礎，以風流在空氣中流動的阻力定律、能量守恒定律、節點風量守恒定律和回路能量平衡定律為理論依據，利用高斯賽德爾迭代法逐次求解網孔的修正風量，直到接近預先所給的精度值，使其修正后的風量接近真實風量值[3]，其目的是在已知風道風阻、風機特性和自然風壓的基礎上求解礦井風量。

本文所用的解算軟件系統基于AutoCAD二次開發而成，通過給與準確的風阻值和風機特性曲線，軟件模擬計算出整個礦井通風系統的實際風量風壓分配情況，并將整個系統中的風量與阻力的計算、風量與風壓分配等功能以網絡圖形的方式來實現，從而達到計算可視化的效果[4]，便于在生產管理中對各種通風措施進行預測、對通風異常情況進行及時處理、對各種方案進行量化比較。具體特點包括4方面：①通風系統圖、通風網絡圖的繪制和自動生成通風網絡圖；②巷道旁有所屬數據顯現，使數據的直觀性更加容易表達；③風網解算計算完成時，從系統圖上保留提取通風網絡的結構數據，進行從單線系統圖轉換到雙線系統圖；④分析多風機系統運行的穩定性，定量給出單個風機系統的風量、風阻變化時對其它風機系統的影響。

2 雙回風井風機并聯運轉特性

2.1 雙風機并聯運轉的相互影響

在分區式通風系統中，礦井通風系統正常運行時，在主要通風機聯合運轉過程中，其中某一臺風機發生變化，另一臺風機會受到不同程度影響，這就造成了雙風機相互干擾的問題。雙風機分區并聯通風的各臺風機通過其公用風路相互聯系，又相互影響。如圖1所示，簡化后所有進風巷道合并為公共風路OC，工作在2個回風巷道的通風機F1、F2，通過最近的公共節點O互相影響對方的工作性能。因為公共風路上的風量是各臺風機共同作用的結果，各臺風機又獨自承受了所消耗的負壓及克服公共風路和專用風路上的風阻。對每臺風機來說，相當于在公共風路上增加了風阻，風阻越大，通過的風量就越大，消耗的風壓也更大，所以每臺風機承擔的風壓也隨之增多[5]。另外，并聯運轉使每臺風機增加了風壓也就消耗了功率，因此，供風效率也隨之降低。

此外，其并聯通風的總風量小于各臺風機單機運轉風量之和[6]，公共風路的風阻R0和風機風量Q機與公共風路上風量Q公比值的大小決定了并聯運轉時對每臺風機的效率大小影響。因此，使多風機聯合運轉時達到合理性，可以從井巷風阻、自然風壓、風機特性等方面考慮，保證公共風路的風阻盡可能小[7]，公共風道風阻不能超過總風阻值的35%。

圖1 雙風機對角并聯拓撲示意Fig.1 Schematic diagram of dual-fan diagonal parallel topology

2.2 分區通風并聯運轉合理工況點確定

在分區式通風系統中，在公共風路上共同作用的2臺風機F1和F2的特性曲線不同于F1、F2中的任何一個。根據2臺風機的性能曲線和2臺風機單獨工作時的網路風阻，以每臺風機的風壓和網絡的阻力相減的原理為理論依據，在等風量條件下，得到每臺風機的剩余特性曲線。對于雙回風井并聯通風網絡，可以通過固定一臺風機的性能曲線，改變另一臺風機的不同性能曲線，并對安裝在2條回風風道內的風機進行不同性能的交互分析及網絡解算。在滿足公共風巷風量要求的條件下，分析2臺通風機的通風參數。

大量的實踐表明，每臺風機的實際工況點取決于各自風路的風阻和公共風路的風阻。當各分支風路的風阻保持不變時，公共風路段的風阻增大，2臺風機的工況點上移；當公共風路段的風阻保持不變時，某一分支的風阻增大，則該工況點上移，另一風機的工況點下移。因此，采用軸流式通風機做并聯通風，要注意防止因某一分支所在系統的風阻減小引起另一所在系統的風機壓增加，從而進入不穩定區工作[8]。

3 小紀汗煤礦的概況及模擬解算

3.1 礦井通風系統概況

為了分析問題方便，可以將礦井通風系統圖簡化為圖2。形成井下主風路5種不同的聯通模式，井底聯通模式表示為主副斜井聯巷與中央進風立井聯巷之間聯通；采區進風段聯通模式表示為11盤區變電所與19#風橋、20#風橋之間的聯通；工作面聯通模式表示為11盤區水泵房與13盤區主副運聯絡巷之間聯通；采區回風聯通模式表示為11214回風順槽出口通過12#風橋與ZH2聯、HZ7聯之間聯通；回風立井底聯通模式表示為2號煤層西翼二號回風大巷與小蘇計回風立井井底之間聯通。根據現場測定的性能報告，中央風井的主要通風機安裝的是FBCDZ-No33型風機，風機額定功率為2×630 kW，工況點風量為132.319 m3·s-1，工況點風壓為1 974.756 Pa，頻率為50 Hz。小蘇計風井的主要通風機安裝的是FBCDZ-No29型風機，風機的額定功率為2×355 kW，工況點風量為172.491 m3·s-1，工況點風壓為1 255.579 Pa，頻率為50 Hz。根據通風系統的安全性分析，選取正常工作期間的主通風機，對中央回風立井和小蘇計回風立井的主通風機特性曲線進行評價，可知礦井兩井的主扇實際運行情況與理論工作性能基本吻合，表明中央回風立井與小蘇計回風立井的通風機均符合實際生產要求。

圖2 主要通風路線的網絡圖Fig.2 Network diagram of main ventilation routes

以上為基礎進行網絡模擬解算，經過多次網絡解算和調整，得到通風系統風量分配和阻力分布初始結果，見表1。其中，風量和風機負壓h值與現場實際比較吻合，可以作為模擬分析的一個基準模型。

表1 簡化通風網絡模型解算初始結果統計

3.2 風段風阻變化特征

為研究公共風道風阻值的變化對主通風機輸出功率的影響，基于上述模型，在保證礦井總風阻值不變的情況下，通過增大公共風路風阻值，減小回風大巷風阻值或者減小公共風路風阻值，增大回風大巷風阻值不斷調節風阻比例，如圖2中幾種不同的聯通模式，用網絡解算軟件進行解算將結果輸出，并匯總通風機在不同風網結構時的功率數據，見表2。

表2 調整后的通風功率特征

3.3 模擬計算結果分析

對于表2中各種聯通方式的通風機工作功率，以自然分風的通風功率為基礎，通過網絡解算模型計算得到通風功率比較，發現聯通后形成公共通風風路，其風阻在通風系統中總風阻所占比例越大，每個風井風機及總通風功率越大。對于多出自然分風通風功率這一特征，有了公共通風風路，2處主通風機處于并聯方式，每一臺通風機所做的功除了公共風路和自身連接風路外，多余的功施加到另一臺通風機所在風路上。這是因為兩風機風路聯結處的風勢，均小于地面節點風勢，這就形成雙風機“互相對拉”效應。由于回風段聯通，當公共通風段比例增大時，小蘇計風井通風的功率有突變，驟然增大，這也是中央回風立井通風機額定功率(2×630 kW)遠大于小蘇計風機通風機功率(2×355 kW)的緣故。

公共風路段風阻增大，雖然風量有較小變化，但具體反應在各通風機工況上，工況點在中央回風立井的風機性能曲線上變化小，而在小蘇計回風井通風機性能曲線上變化大。所以相對于中央回風立井通風功率，小蘇計風井的通風功率有明顯的增大。這表明在2臺主通風機并聯工作時，其公共通風段的比例不能太大。

4 結論

(1)在雙回風井風機并聯通風系統中，公共通風巷道的風阻值在整個系統風阻值中所占比重越大，系統的總功率及每一個風井風機的功率越大。

(2)以自然分風的通風功率為基準，增加的通風功率為2套風機相互抵消做功而消耗的功率。

(3)在采區回風段聯通，由于中央回風立井通風機額定功率遠大于小蘇計風機通風機功率，因此小蘇計風井的通風功率有段明顯驟然增大。