礦山在用主通風機機電性能測定與狀態研究診斷

赫永峰

寧夏礦山安全監察局安全技術中心，寧夏銀川，750000

0 引言

通風機是礦山通風安全中不可替代的角色，如何保證其連續運轉、穩定通風、高效運行是關乎礦山企業是否能夠穩定生產的先決條件。當前礦山企業是采用安裝2臺通風機，2臺通風機互為備用。當一臺通風機出現問題時，則啟動另一臺通風機，以此來保證通風機的穩定運行。此舉只能保證通風機的連續運行，但是對通風機的性能沒有做科學的考量。基于上述問題，本文重點闡述了如何快速準確地對一臺正在運行的通風機進行性能測定，并對其當前的狀態是否滿足礦山今后發展需要的問題進行研究診斷。

1 礦山在用主通風機性能測定研究的意義

1.1 礦山企業未來蓬勃發展的經濟意義

礦山企業作為基本生產資料的提供者，在國家經濟發展中就起著中流砥柱的作用。國家“十四五”發展綱要指出，礦山企業要安全發展、綠色發展。那么在新的歷史起點上，貫徹總體國家安全觀，統籌發展和安全的問題就是未來礦山企業發展中要肩負的責任和重擔[1]。

1.2 主通風機在礦山發展中的重要意義

雖然我國幅員遼闊，但與歐美發達國家比較，我國礦產資源相對貧乏，如若要最大限度地開采好現有資源，那么礦山企業的開采深度只能是越來越深，隨著開采深度的不斷加深，礦井通風阻力會越來越大；隨著深度的增加，瓦斯、一氧化碳、硫化氫等有毒有害氣體也會增多，用風量也會越來越大。為了保證礦井的正常通風，保證井下氧氣濃度不低于20%、二氧化碳濃度不超過0.5%、一氧化碳濃度不高于0.0024%、氧化氮濃度不高于0.00025%、二氧化硫濃度不高于0.0005%、硫化氫濃度不高于0.00066%、氨氣濃度不超過0.004%的規定，并提供穩定及良好的礦井空氣流通，保障礦工的生命安全，那對主通風機的性能要求也隨之越來越高。出于安全考量，礦山在用主通風機是需要24小時不間斷運行，而且還必須要配備一臺同等性能的備用通風機且要在10分鐘之內啟動運行。所以通風機性能的優劣，在礦山企業的發展中起著舉足輕重的作用。

2 礦山在用主通風機性能測定的要求與方法

2.1 礦山企業在用主通風機性能測定的要求

礦山主通風機在新安裝到礦井中后，必須要進行首次性能測定。雖然按國家要求，每臺通風機出廠時都必須要進行出廠性能測定檢驗，為客戶提供本機的性能測定曲線圖。但是，由于各個礦山企業各自開采的地域不同，同一地域開采的深度與廣度也不同，這就導致每臺通風機面臨的氣壓、空氣濕度、大氣環境溫度及礦井通風阻力不同，而這些都會最終導致該臺通風機性能輸出結果與原廠比較會發生很大變化。通風機在原廠出廠時，每一臺通風機進行性能測定時，它面臨的大氣壓力、空氣濕度、環境溫度基本變化是很小的，并且通風機測試風道也是極度規則，通風阻力基本恒定，所以測出的最小風量與最大風量是不能代表該臺通風機在安裝入礦井后在工況下所能提供的最低風量與最高風量值的。那么，對于礦山企業來說，新安裝的主通風機必須要進行首次性能測定，隨著開采深度與廣度的變化，后續還需要繼續對其進行性能測定，以此確保通風機在各個工況時期，在保證提供正常通風的情況下，電耗也始終能保持一個最優值。國家現規定，通風機性能測定周期最長不能超過五年。具體是幾年，要根據自身礦山開采程度而定，如果礦山企業自身并不是產能落后企業，那么很顯然，五年的性能測定檢測要求是不適合自己的[2]。

2.2 礦山企業在用主通風機性能測定的方法

新形勢下，通風機的性能考量不能只是單獨評價風量夠不夠用，而要結合能耗要求整體考慮。那么通風機測定總體也就分為兩部分，第一部分為輸入，第二部分為輸出。輸入主要指主電機的輸入功率，輸出為通風機風量的輸出功率。最終在風量滿足要求的基礎上，獲得通風機的最大效率。

2.3 輸入功率測定方法

礦山企業通風機多為交流異步電動機，測定交流異步電動機電參數時選用精度等級為0.5的測量儀器，測量值應該位于儀器量程范圍20%～90%的測量區內。電參數測量時，記錄每一個試驗工況點的電壓、電流、功率因數、有功功率。電機電源交流電壓波動不應超過額定電壓的5%（電源電壓應在額定電壓的95%～105%之間變化），輸出功率不應超過電機銘牌額定值的5%，超過以上限定值，該試驗值對試驗結果分析并無實際意義。

為保證測量結果的準確性與可靠性，現階段礦山企業大型電機電氣參數測量主要方法有兩種：一種是在測試條件允許時，采用礦山電機綜合參數測試儀測量，另一種是如果測量儀器受限，可以采用二瓦特法進行測量。測量結果也可保證較高準確度，原理分析見下式[3]。

在三相三線制情況下采用二瓦特表法測量，接線如圖1，計算公式見公式2。

圖1 二瓦特表法測量接線法

二瓦特表法總有功功率計算公式：

公式推導原來：三相功率二瓦特表法測量電路，則總功率為:

根據基爾霍夫電流定律：“電路中任一個節點上，在任一時刻，流入節點的電流之和等于流出節點的電流之和”。那么在一個固定的三項電路中，同一時刻，任意兩根火線的流入電流恒等于第三根火線的流出電流，及電路中三根火線電流矢量和恒等于零，即：

將式（1）代入公式3中可得：

COSφAC與COSφBC分別是UAC與IA、UBC與IB的向位差角。

2.4 通風機輸出流量的測定方法

現階段去采集某一截面的流量較為通用的方法有兩種，一種是采用速度場法，用多組電子風速表，將該截面按照該界面形狀，平均分成若干等分，截面分割數越多，采集結果越有代表意義（實際測量中不得低于8個），運用電子風速表同時采集該截面上各個點的速度，再計算出平均速度。該方法的優點是方法適用性廣，對截面形狀無要求。缺點是該方法測量時間長，且結果需要精確處理。實踐當中，使用該方法在布置好電子風速表后進行測量時，發現由于風流渦流等問題，會出現部分風速表風速極低的情況，這時就需要重新加倍加裝風速表再次進行采集。所以在采用該方法時，必須進行初始試驗，確定風速表安裝的數量與每次采集所需要觀測的時間長度。第二種辦法是靜壓差法，用壓差儀采集。該方法的優點是，采集用時短，數據采集精準。即使由不同的人在不同的時間進行參數讀取，其結果也有很好的精準性。缺點是該方法要求采集截面必須是圓截面，風管有一定的直線長度。現階段，隨著礦山老舊通風機的換代，實踐采集過程中發現，該方法適用性正在逐步變廣，且會成為未來通風機性能測定的主流方法，部分大型礦山在用主通風機在線監測裝置也是采用的該方法來實時對風機運行情況進行在線監測。

3 礦山企業在用主通風機性能測定案例分析

案例中為某國企大型煤礦，一號立風井安裝2臺FBCDZ№30/2×450型對旋軸流式通風機，配備YBF630-8電機，電機功率2×450kW，額定電流34.5A、額定電壓10000V。額定風量為100～295m3/s，即6000～17700m3/min，額定風壓230～4850Pa，工作方式為一臺風機工作，一臺風機備用。同時裝備有在線監控系統，能隨時對礦井通風能力及設備運轉狀況進行監控。接下來我們就這臺通風機展開性能測定。

首先應與使用者溝通，制定此次性能測定的目的。該案例中通過與礦方溝通，根據礦井5年內采掘接續計劃預測礦井需風量、礦井通風阻力，并預計主通風機在近5年內可能運行的葉片安裝角度及運行頻率。通過與礦方溝通，最終決定對該礦兩臺主通風機6°葉片角度進行性能測定。測定風機葉片在6°葉片角度不同頻率下（34Hz、36Hz、38Hz、41Hz）的風壓、功率、效率與風量之間變化關系，并繪制主通風機性能曲線[4]。

4 礦山企業在用主通風機性能結果分析

4.1 通風機1號性能曲線圖

圖2 主通風機6°工況下性能曲線（靜壓、風量曲線）

圖3 主通風機6°工況下性能曲線（功率、風量曲線）

4.2 通風機1號性能曲線圖性能結果狀態診斷

根據整理后的測定數據繪制主通風機的靜壓曲線、功率曲線和效率曲線，所測繪的特性曲線相對較為平滑，根據實際測定數據繪制實際特性曲線，所測數據誤差均在允許范圍之內。依據實測數據分析認為，測試方法正確，測試過程讀取數據準確，數據處理科學合理、真實可靠，所測得的風機特性曲線真實地反映了該風機的性能，測試效果好，數據真實可靠[5]。

主通風機在經濟合理狀況下運行，其靜壓效率不應低于最高效率的70%（兩臺風機的最高效率為85%），即主通風機的經濟合理運行區間為靜壓效率≥59.5%。目前礦方兩臺主通風機運行在+6°葉片角38Hz下，1號主通風機運行效率為75%，2號主通風機運行效率為73%，均大于59.5%，主通風機滿足合理經濟運行的要求；兩臺主通風機實際運行的工況點處于安全、穩定可靠的工況點范圍[6]。

5 結語

通過通風機性能測定以及診斷可以確定該臺通風機是否滿足該企業未來一定時間內的使用要求，并且可以將通風機調制到合理的經濟狀況下運行，礦山企業可以安全、經濟地使用主通風機，同時這也順應了國家節能減排的方針政策。