矿井通风系统分时段节能通风设计

郭元华，李艳刚，马鸿录，李亚俊

（1.四川会东大梁矿业有限公司，四川会东 615200；2.湖南有色冶金劳动保护研究院，湖南 长沙 410014）

矿井主扇风机为矿山通风系统提供动力，保证新鲜风流进入井下，作业污风排至地表，是矿井通风系统中最核心的设备，主扇性能和工况的好坏直接影响着整个矿山生产安全问题。同时，主扇作为矿山企业的主要设备，其能耗也占矿山企业整体总能耗的相当比重，统计数据显示，矿山企业中主扇能耗约占其总用电量的7% ～15%之间［1，2］。而矿井主扇在设计选型时一般按照矿山最大需风量设计选型，主扇往往保持工频运转以保证井下生产用风需求，而矿山井下作业实际需风量与井下实际作业情况相关，各时段实际用风量也不尽相同，部分作业时段需风量并不需要设计最大值，如何根据矿山实际作业情况调整主扇工况，在保证矿山生产用风的情况下，使主扇工况与实际生产相匹配，达到主扇节能供风的目的。针对此问题，需研究主扇变频调控风量与各时段生产实际用风量相关联的调控方式，实现矿井主扇风量与各时段生产用风量相匹配，达到主扇风机节能供风的目的。

1 主扇风机节能通风方式

统计数据显示，约95%的矿山企业主扇保持稳定的工频运行，其能耗占企业整体能耗的相当比重，因此，如何根据主扇风机调控方式及其特性有针对性地调整，达到节能目的，具有重要意义。根据总结以往研究，现阶段风机节能主要通过以下方式进行：

1.矿井主扇一般选用轴流风机，轴流风机的特性为当风量恒定时，可以通过调整风机叶片角度，减少风机输出值，达到降低能耗的目的。

2.风机装机容量是影响能耗的最根本因素，在能够满足矿井实际通风的前提下，选择装机容量最小的主扇是最为简单、直接的方式。

3.随着变频调速装置的发展应用，变频控制器已经在风机调速中广泛应用，变频器通过控制输入电压及频率，调节电机转速从而实现降低能耗的目的［3］。

以上三种方法均可实现风机的节能运行，但实际应用中，一般风机叶片角度调整实现复杂，在现实应用中难以操作；风机装机容量在通风系统设计之初，考虑矿山长远发展，所选设备一般会留有部分余量，以应对矿山提产量、扩能之类。目前最为合适采用的方式便为变频调速控制，通过调节电机转速，降低电机功耗，使用此方式控制简便，自动化程度高，可靠性好，便于集成［4］。因此，本次矿井主扇风机节能通风方式选用第三种变频调控的方式。

2 变频节能通风技术

2.1 风机变频技术原理

风机的变频调速是通过变频器调节输入频率实现的，一般风机工频状况下运转频率为50 Hz，若运行频率调至40 Hz，则风机电机转速变为原额定转速的80%，风机的输入频率与电机的转速成一次线性比例关系，则风机的风量也变为工频运转时的80%［5］。

风机的叶片负载特性为平方转矩阵型，其消耗的功率与风机轴上需要的转矩与转速的平方成正比例关系。风机在符合几何相似、运动相似和动力相似的情况下遵循相似定律，即对于同一台风机，当输送的流体介质密度ρ不变，仅转速n改变的情况下，风机性能参数的变化遵循三种比例定律：（1）Q（流量）与 n（转速）的一次方成正比；（2）H（压力）与转速的二次方成正比；（3）P（轴功率）则与转速的三次方成正比。

数学关系表示如下：

式中：Q为风机风量／m3·s-1；H为风机压力／Pa；n为风机转速／r·min-1；P为风机轴功率／kW。

当风机转速发生变化时，风机特性曲线由以上比例定律变化更改，因通风系统线路不变，阻力曲线不随转速变化，因此，当风机风量由Q1变为Q2时，风机运行工况由A点变化至C点，变化曲线如图1所示。

图1 风机风量、压力特性

2.2 变频节能通风整体技术方案

矿山各时段一般作业强度不同，各时段实际需风量不完全相同，作业强度高的时段，风机工频运转，在其它作业时段，根据作业点实际需风量，按照风机风量与转速的正比例关系计算出风机所需风量时对应的转速。频率与转速成正比例关系，因此，只需按照相应的比例关系，调整风机频率，即可做到不同时段按照实际作业强度供风，降低实际的通风总能耗。

3 分时段节能通风设计

3.1 各时段实际需风量计算

本次研究设计以四川省某铅锌矿为代表进行节能设计，根据该矿井下生产作业实际情况，其井下作业分早、中、晚三班，早班主要为出矿作业，中班为掘进、出矿、爆破作业，晚班为掘进和出矿作业，根据不同作业时段实际情况对需风量进行计算，根据所需风量对主扇风机进行变频调速，在保证不同作业时段需风量的同时，达到节能通风的目的。

根据该矿井下需风量计算，该矿井下回采作业需要的总风量为：

掘进工作面需风量为：

井下主溜井排尘及硐室需风量为：

根据该矿早、中、晚班生产作业变频通风风量需求，早班主要为回采作业通风，风机变频运转，中班掘进、出矿、爆破作业，风机工频运转，晚班作业强度介于早班和中班间，风机按实际需风量变频运转，则该矿井下分时段用风需求分配见表1。

表1 井下分时段供风量 m3／s

3.2 各时段实际需风量计算

根据变频调速理论及该矿早、中、晚班实际需风量，对主扇风机进行分时段变频调节。

根据通风系统设计，该矿通风系统总需风量为140 m3／s，根据表1中实际各时段需风量显示，早班实际需风量为88.43 m3／s，根据式（1）中的比例关系，与工频风量的比值为0.63，可得知对应88.43 m3／s风量时，风机频率应设为32 Hz；中班作业强度大，风机满负荷运转，风机工作频率为50 Hz；晚班实际需风量为 118.33 m3／s，与工频风量的比值为0.85，风机工作频率可设定为43 Hz。风机实际工作频率设定计算值见表2。

表2 分时段供风变频调速频率设定值

根据计算结果，该矿早、中、晚班分时段按需供风变频调节，早班主扇风机变频调节设定值应为32 Hz；中班工频运转，设定频率为50 Hz；晚班介于中班和早班之间，设定频率为43 Hz。实际变频运行工况点可以根据实际作业需风量进行灵活调节。

4 结 语

矿山井下作业实际需风量与井下实际作业情况相关，矿山不同作业时段作业实际情况有所差异，实际所需风量也有变化。为此，根据矿山井下作业时段实际需风量不同，利用主扇风机变频调速原理，合理控制各生产时段供风量，主扇节能设计中根据井下作业分早、中、晚三班的实际作业需风量计算并设置各时段的风机转速，对主扇风量进行分时段控制，使主扇工况与实际生产相匹配，在保证井下通风效果的同时，有效降低能耗。