姚尚文， 盧 平

（安徽建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院，安徽 合肥 230601）

礦井主要通風(fēng)機(jī)是礦井通風(fēng)的主要通風(fēng)動力，具有礦井的“肺臟”功能，保證了井下人員的身體健康和礦井安全生產(chǎn)，是不可缺少的重要設(shè)備。當(dāng)前，我國礦山使用的通風(fēng)機(jī)數(shù)量多，運行效率低，又是礦井生產(chǎn)過程中耗能大戶、浪費較嚴(yán)重的設(shè)備。據(jù)統(tǒng)計，全國礦用通風(fēng)機(jī)的數(shù)量達(dá)數(shù)萬臺，功率從幾十千瓦至幾百千瓦，最大的達(dá)到數(shù)千千瓦；實際使用中，其運行效率只有少數(shù)達(dá)到70%，通常為50%左右，還有一部分僅為30%甚至更低；礦井通風(fēng)消耗電能占全礦總能耗的30%～40%，少數(shù)礦井甚至高達(dá)50%。全國統(tǒng)配煤礦平均主通風(fēng)機(jī)電耗約占全礦電耗的20%左右，有的甚至達(dá)30%以上。同時，《煤礦安全規(guī)程》第121條規(guī)定，新安裝的主要通風(fēng)機(jī)投入使用前，必須進(jìn)行一次通風(fēng)機(jī)性能測定和試運轉(zhuǎn)工作，以后每五年至少進(jìn)行一次性能測定。因此，研究主要通風(fēng)機(jī)的性能測定技術(shù)方法，實現(xiàn)其性能的準(zhǔn)確測定，提高其運行效率，達(dá)到節(jié)能降耗和改善礦井經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，實現(xiàn)礦井安全生產(chǎn)都具有重要的現(xiàn)實和長遠(yuǎn)意義，并能取得良好的經(jīng)濟(jì)效益。

1 主通風(fēng)機(jī)性能測試主要影響因素分析

影響主要通風(fēng)機(jī)性能測定的因素很多，不僅與通風(fēng)機(jī)自身及其附屬裝置有關(guān)，還與測點布置、斷面的選擇、通風(fēng)系統(tǒng)、風(fēng)硐布置、工礦調(diào)節(jié)、生產(chǎn)管理等多種因素相關(guān)［1－5］。

1．1 風(fēng)硐的布置結(jié)構(gòu)

主要通風(fēng)機(jī)性能測定要具備其獨立的測試系統(tǒng)即:主要通風(fēng)機(jī)、風(fēng)硐、調(diào)節(jié)控制閘門和測試調(diào)節(jié)門構(gòu)成性能測試系統(tǒng)。風(fēng)硐是主要通風(fēng)機(jī)裝置的重要組成部分，其結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理與否，對主要通風(fēng)機(jī)性能測定有較大影響。

（1）在風(fēng)硐內(nèi)沒有設(shè)置測試調(diào)節(jié)門，若新安裝的主要通風(fēng)機(jī)，與井下系統(tǒng)還沒有聯(lián)網(wǎng)，可利用待測的主通風(fēng)機(jī)或利用風(fēng)硐敞開的口作為測試調(diào)節(jié)門進(jìn)行風(fēng)阻調(diào)節(jié)，利用待測風(fēng)機(jī)前的控制閘門調(diào)節(jié)，將影響待測風(fēng)機(jī)的質(zhì)量；一旦主通風(fēng)機(jī)與井下系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)，在礦井正常生產(chǎn)期間無法進(jìn)行測定工作，否則將影響礦井的安全生產(chǎn)，只有在礦井停產(chǎn)檢修期間進(jìn)行測試，利用控制井下的進(jìn)回風(fēng)巷道的斷面積來改變風(fēng)阻，這樣增大了測試工作的難度和準(zhǔn)確性，耗費大量的人力、物力和時間，且井下工況調(diào)節(jié)時不利于與地面測試人員的溝通聯(lián)系，測試安全系數(shù)降低；同時，礦井工況點以上的大風(fēng)量工況無法測定，另外，主要通風(fēng)機(jī)性能測定的時間也受到一定的限制。

（2）在風(fēng)硐內(nèi)設(shè)置了測試調(diào)節(jié)門，但測試調(diào)節(jié)門面積小，滿足不了測試精度的要求。一般來說，主通風(fēng)機(jī)的能力大，風(fēng)機(jī)直徑大，要求其測試調(diào)節(jié)門的進(jìn)風(fēng)面積也要大，這樣要求在風(fēng)機(jī)安裝時留設(shè)的測試調(diào)節(jié)門應(yīng)與主通風(fēng)機(jī)的能力相匹配。如某GAF風(fēng)機(jī)直徑為3．12m，配備電機(jī)2400kw，如若測試調(diào)節(jié)門進(jìn)風(fēng)面積為9m2時，其風(fēng)阻為RI（如圖1所示），這樣就不能完整的測試這臺風(fēng)機(jī)的性能曲線，如果將調(diào)節(jié)門進(jìn)風(fēng)面積擴(kuò)大為18m2時，其風(fēng)阻為RII，可完整測試風(fēng)機(jī)各角度的性能曲線。

（3）在風(fēng)硐內(nèi)設(shè)置了測試調(diào)節(jié)門，但測試調(diào)節(jié)門離風(fēng)機(jī)入風(fēng)口距離較近，影響測試的精度和準(zhǔn)確性。如圖2所示。圖中為測試調(diào)節(jié)門距離風(fēng)機(jī)入風(fēng)口距離20m時實測的風(fēng)量－風(fēng)壓性能曲線與測試調(diào)節(jié)門距離風(fēng)機(jī)入風(fēng)口距離5m時波動最小值所測的曲線、波動最大值所測的曲線對比。顯然，測試調(diào)節(jié)門距離風(fēng)機(jī)入風(fēng)口距離近時使得測試誤差是較大的。根據(jù)經(jīng)驗，距離越近誤差越大，主要是風(fēng)流流動到風(fēng)機(jī)入風(fēng)口處產(chǎn)生渦流，測試時的靜壓和風(fēng)量波動范圍較大，誤差一般在20%左右，一般要求測試調(diào)節(jié)門距離風(fēng)機(jī)入風(fēng)口距離在20m以上為宜，當(dāng)然距離越遠(yuǎn)，風(fēng)流流動到風(fēng)機(jī)越穩(wěn)定，測試越精確。風(fēng)硐結(jié)構(gòu)不合理和調(diào)節(jié)測試門距離風(fēng)機(jī)入口近，是造成風(fēng)機(jī)入口風(fēng)流不穩(wěn)定，影響測定精度和準(zhǔn)確性的主要影響因素。

圖1 風(fēng)機(jī)測試時風(fēng)網(wǎng)阻力特性曲線圖

圖2 某風(fēng)機(jī)實際曲線與入風(fēng)口不同距離所測曲線對比

1．2 工況調(diào)節(jié)

礦井主要通風(fēng)機(jī)性能測定在實際操作中分為停產(chǎn)和不停產(chǎn)測定兩種情況。其中不停產(chǎn)測定（風(fēng)硐無調(diào)節(jié)測試門）通常是將反風(fēng)進(jìn)風(fēng)門置于反風(fēng)狀態(tài)作為被測風(fēng)機(jī)的入風(fēng)口，并在入風(fēng)口處或進(jìn)風(fēng)百葉窗處用木板或風(fēng)筒布等調(diào)節(jié)工況，或是直接用反風(fēng)控制閘門控制風(fēng)量進(jìn)行工況調(diào)節(jié)。由于從反風(fēng)門處進(jìn)風(fēng)，入風(fēng)段的風(fēng)道往往較短且轉(zhuǎn)彎較急，在入風(fēng)段很難找到風(fēng)流穩(wěn)定的斷面，從而導(dǎo)致測定時產(chǎn)生較大誤差。與不停產(chǎn)測定相比，停產(chǎn)測定的工況調(diào)節(jié)一是風(fēng)硐有調(diào)節(jié)測試門，如前所述，二無調(diào)節(jié)測試門時，大多在礦井總回風(fēng)巷內(nèi)用木板控制通風(fēng)斷面的大小來改變工況點進(jìn)行調(diào)節(jié)，或在防爆門處進(jìn)行調(diào)節(jié)，入風(fēng)段的通風(fēng)線路一般較長，而風(fēng)流的流動有一定的滯后性，工礦調(diào)節(jié)后，5～10min風(fēng)流才能穩(wěn)定，線路越長，需要時間越多，且風(fēng)流流動產(chǎn)生的動壓方向與風(fēng)道軸線平行，因此，用風(fēng)速傳感器或動壓差法測定時，造成誤差較大是在所難免。同時，在利用井下通風(fēng)系統(tǒng)作為風(fēng)機(jī)性能測定工況調(diào)節(jié)時，工況點位置決定風(fēng)機(jī)性能測定的完整性至關(guān)重要，它決定風(fēng)機(jī)的實際運行效率，并反映主通風(fēng)機(jī)與風(fēng)網(wǎng)的匹配性。而且無法準(zhǔn)確測定主通風(fēng)機(jī)大風(fēng)量時的性能曲線。

1．3 測定斷面與測點的布置

（1）測定斷面的選擇。主要通風(fēng)機(jī)風(fēng)量的測定，目前都是通過測定壓力，再換算求得。要得到主要通風(fēng)機(jī)的真實靜壓值，除了正確使用測壓儀器外，合理選擇測定斷面，減少氣流擾動對測定結(jié)果的影響非常重要。測定斷面因選擇在氣流平穩(wěn)的直管段上，測定斷面若設(shè)在彎道、三通等異形結(jié)構(gòu)前面時（相對氣流運動方向），距這些結(jié)構(gòu)的距離大于2倍測定斷面的當(dāng)量直徑；設(shè)在這些結(jié)構(gòu)的后面時，應(yīng)大于4～5倍斷面的當(dāng)量直徑。如圖3所示?，F(xiàn)場條件許可時，離這些結(jié)構(gòu)距離越遠(yuǎn)，氣流越平穩(wěn)，測定精度越高。如采用動壓法測定時發(fā)現(xiàn)任何一個測點出現(xiàn)零值或負(fù)值，表明氣流不穩(wěn)定，有渦流，該斷面不易作為測定斷面，且要求測定儀器的入風(fēng)口迎向氣流方向并與氣流方向平行。

圖3 測定斷面位置布置示意圖

（2）測定測點的布置。根據(jù)流體力學(xué)知，氣流速度在風(fēng)道上的分布是不均勻的，導(dǎo)致壓力分布也是不均勻的，因此，必須在同一斷面上多點測量，然后求出該斷面的平均值。對于矩形風(fēng)道，可將測定斷面劃分成若干等面積的小矩形，測定布置在每個小矩形的中心，劃分原則如表1所示，測定布置如圖4（a）所示。對于圓形風(fēng)道，在同一斷面設(shè)置兩個彼此垂直的測孔，并將測定斷面分成一定數(shù)量的等面積同心環(huán)，同心環(huán)數(shù)按表1確定，測定布置如圖4（b）所示。同心環(huán)上各測點距風(fēng)道壁的距離按下式計算:

式中:D—— 圓形風(fēng)道的直徑，m；i—— 從風(fēng)道中心算起的同心環(huán)順序號；f——垂直或水平方向上測點數(shù)（f＝1，2，…2n）；n—— 風(fēng)道斷面上劃分的同心環(huán)數(shù)量。

表1 風(fēng)道測定斷面劃分塊與測點布置數(shù)表

圖4 測定斷面上的測點布置示意圖

2 礦井主通風(fēng)機(jī)性能測定技術(shù)方法

主要通風(fēng)機(jī)性能測定，即測試風(fēng)機(jī)裝置的風(fēng)量－靜壓（Q－H）、風(fēng)量－電機(jī)輸出功率（Q－P）和風(fēng)量－裝置綜合效率（Q－η）三大性能曲線。測定風(fēng)機(jī)每一個葉片安裝角度條件下各工況點的主要參數(shù)有:① 主要通風(fēng)機(jī)的風(fēng)量；② 主要通風(fēng)機(jī)裝置靜壓；③ 電動機(jī)的輸入功率、輸出功率、風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速；④ 大氣參數(shù)（P，t，ρ，φ）；⑤ 風(fēng)機(jī)的運行效率及功率因素；⑥ 風(fēng)機(jī)的噪音和基礎(chǔ)振動情況。主要測定技術(shù)方法有:風(fēng)速測定法；動壓差法和靜壓差法。

2．1 風(fēng)速測定法

（1）風(fēng)速法測定原理及安裝。根據(jù)流體力學(xué)，風(fēng)硐中流動的風(fēng)流是連續(xù)不斷的介質(zhì)，充滿它所流經(jīng)的空間。根據(jù)質(zhì)量守恒定律:對于穩(wěn)定流，流入某空間的流體質(zhì)量必然等于流出其的流體質(zhì)量。風(fēng)流在風(fēng)道中的流動可以看作是穩(wěn)定流，當(dāng)空氣作定常流動時（即在流動過程中不漏風(fēng)又無補給），則兩個過流斷面的空氣質(zhì)量流量相等，滿足空氣流動的連續(xù)性方程，它適用于可壓縮和不可壓縮流體。在兩個斷面距離較近時，空氣密度相同，則空氣體積流量也相等。即:

風(fēng)速法測定即用風(fēng)速傳感器測定風(fēng)道內(nèi)的平均風(fēng)速，再根據(jù)公式（2）計算風(fēng)量。所用風(fēng)速傳感器多采用卡門渦街效應(yīng)傳感器，該測定系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分組成。在軟件處理上采用了將當(dāng)前工作狀態(tài)下的實際性能曲線數(shù)據(jù)輸入計算機(jī)，在屏幕上處理成一組性能曲線圖，并列表顯示各項技術(shù)參數(shù)。硬件部分為風(fēng)速傳感器和數(shù)據(jù)采集電路電源和計算機(jī)等組成，軟件部分包括系統(tǒng)支持軟件和數(shù)據(jù)采集和打印繪圖等應(yīng)用程序。安裝時（以3×3安裝布置如圖5所示），風(fēng)表應(yīng)與接線盒對號入座，以方便檢查和更換。如風(fēng)硐中淋水或泥水較大，需采取適當(dāng)?shù)姆浪胧?，以防接線盒浸水。

（2）適用條件。用風(fēng)速傳感器測風(fēng)具有直觀、方便、不需復(fù)雜計算等許多優(yōu)點，但是，風(fēng)速傳感器對風(fēng)速的反應(yīng)在二維空間中不具方向性，測風(fēng)斷面上風(fēng)流的方向不具有單向性，這一特點是導(dǎo)致用風(fēng)速傳感器測風(fēng)產(chǎn)生較大誤差的直接原因，而風(fēng)速傳感器在側(cè)向甚至反向風(fēng)流作用下產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動也被計為正向風(fēng)速，使測量結(jié)果偏大，測定斷面處風(fēng)速越大，誤差越大。同時，風(fēng)道中的潮氣、細(xì)小粉塵等都會影響風(fēng)速傳感器的測量精度。因此，用風(fēng)速傳感器測量風(fēng)量，盡量采用停產(chǎn)時測定，同時，必須找到一個風(fēng)流相對穩(wěn)定的測風(fēng)斷面，且空氣濕度較小，風(fēng)道通風(fēng)風(fēng)量又相對小的情況（一般風(fēng)量以100m3／s以下為宜）。否則難以保證測定結(jié)果的可信度。

圖5 風(fēng)速傳感器安裝示意圖

2．2 動壓法測定

動壓法測定即皮托管測量風(fēng)量法。將皮托管安裝在測風(fēng)斷面某一測點處，然后用膠皮管分別連接皮托管全壓管、靜壓管到傾斜微壓計上，測出該測點的動壓。用皮托管測得的動壓與測點處風(fēng)量、測風(fēng)斷面面積的關(guān)系為:

式中:hv——測風(fēng)斷面的平均動壓，Pa；k——動壓損失系數(shù)，一般取0．98；ρ——空氣密度，kg／m3。

用皮托管測量風(fēng)量分為單皮托管逐點測量和多皮托管同時測量兩種方法，單管逐點測量時，每個工況都要根據(jù)預(yù)先定好的測點位置逐一測量，逐點計算風(fēng)量，用多次測量的風(fēng)量平均值作為該工況點的風(fēng)量值，具有測定時間周期長，計算工作量大等不足之處，且要求皮托管安裝時風(fēng)流入口管嘴必須與風(fēng)流方向平行；而多點同時測量，則又必須每只皮托管配備一只壓差計或差壓傳感器同時進(jìn)行測量讀數(shù)，既增加了裝備投入，也增加了安裝和測量工作量。將多只皮托管并聯(lián)在一起接到一只壓差計或差壓傳感器上進(jìn)行測量，實踐證明，將使讀數(shù)明顯偏大，測量結(jié)果失真。其次，在一定的風(fēng)速范圍內(nèi)，用皮托管測得的動壓其絕對值遠(yuǎn)小于用靜壓差法測得的壓差值，假定壓差計或差壓傳感器的測量誤差是一定值，其結(jié)果必導(dǎo)致動壓測量結(jié)果的相對誤差增大，當(dāng)風(fēng)速較低時這種誤差更為嚴(yán)重。因此，用動壓法測量適用于風(fēng)速較大、測風(fēng)斷面較小、風(fēng)流穩(wěn)定以及入風(fēng)口與測風(fēng)斷面距離較長的情況。

2．3 靜壓差測定

根據(jù)流體力學(xué)理論，流體在通過變徑管道時，其各種能量的轉(zhuǎn)化及大小與流體流量和變徑管的幾何尺寸存在著相應(yīng)的關(guān)系。當(dāng)流體從大斷面一端流向小斷面一端時，靜壓能將有大變小，而動壓能則由小變大。滿足不可壓縮黏性流體總流的伯努利方程，不可壓縮黏性流體總流的伯努利方程適用于在重力作用下，不可壓縮黏性流體定常流動任意二緩變流截面而且不必顧及該二緩變流之間有無急流存在。為了便于研究，將通風(fēng)機(jī)內(nèi)的氣體作為不可壓縮黏性流體。基于這一原理，通過風(fēng)機(jī)整流環(huán)外殼兩端的靜壓管口分別引出兩路壓力至差壓傳感器輸入端，風(fēng)機(jī)靜壓測定時，測試風(fēng)機(jī)的工況調(diào)節(jié)斷面距測試風(fēng)機(jī)入口前平直段距離較長，風(fēng)流相對穩(wěn)定，靜壓、動壓相對穩(wěn)定。因此確定在風(fēng)機(jī)入口內(nèi)、一級動輪之前的圓形I－I過流斷面或在環(huán)形集流器的Ⅱ－Ⅱ過流斷面上布置靜壓傳感器，測定該斷面處風(fēng)流的相對靜壓，利用I－I、Ⅱ－Ⅱ斷面面積的變化，測量I－I、Ⅱ－Ⅱ斷面的靜壓差，直徑3．12m的GAF型風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)及靜壓差法測定布置如圖6所示。由于兩個斷面的間距小，阻力損失小，根據(jù)流體力學(xué)理論，列出S1和S2斷面上的伯努利方程:

式中:P1、ρ1、h1、v1——斷面S1處的靜壓、密度、標(biāo)高和風(fēng)速；P2、ρ2、h2、v2——斷面S2處的靜壓、密度、標(biāo)高、和風(fēng)速；hr——斷面S2處的局部阻力損失。

圖6 GAF型風(fēng)機(jī)機(jī)構(gòu)及靜壓差法測定安裝示意圖

由于兩斷面相距很近，且位于同一標(biāo)高時，則有:ρ1＝ρ2＝ρ，h1＝h2，又 Δhi＝P1－P2，v1＝Q／S1，v2＝Q／S2，代入公式（4）中并化簡得:

式中:Δhi——I、II斷面的靜壓差，Pa；Q——風(fēng)機(jī)風(fēng)量，m3／s；S1、S2——I、II 斷 面 的 面 積，m2；ρ——空氣密度，kg／m3；α——阻力損失系數(shù)，一般取0．98。

用靜壓差測定時，需注意:在風(fēng)道中找到兩個相距不遠(yuǎn)、斷面面積相差較大（至少相差50%）且風(fēng)流較穩(wěn)定的引壓斷面；其靜壓出口如圖6所示從風(fēng)道壁上引出，如不具備條件時，也可在該斷面上安裝1～2只皮托管來取靜壓。要注意皮托管的安裝位置及方向，避免引進(jìn)速壓，造成測量誤差，為此應(yīng)采取適當(dāng)措施或?qū)⒁龎嚎诒M量貼近風(fēng)硐壁；確保測壓管路無漏氣、無堵塞，測定時要防止人員踩踏膠管。風(fēng)硐中的膠管要作妥善固定，不能懸在風(fēng)流中任其擺動，引出時要防止被擠壓。

用靜壓差測定時，具有準(zhǔn)備工作簡單，節(jié)約風(fēng)速傳感器、皮托管安裝支架，安裝工作量小，測定數(shù)據(jù)較為穩(wěn)定、準(zhǔn)確等優(yōu)點。下表2為風(fēng)速傳感器測定法、動壓法和靜壓差法測定情況對比。

表2 主要通風(fēng)機(jī)性能測定各種方法測定對比

3 結(jié)束語

礦井主要通風(fēng)機(jī)性能測定是中介檢測機(jī)構(gòu)的一個技術(shù)和管理問題。應(yīng)根據(jù)每一個礦井實際通風(fēng)系統(tǒng)狀況和風(fēng)硐布置條件，選擇更合理的測定斷面、更細(xì)致的測點布置以及更精確的測定方法．對運行的主要通風(fēng)機(jī)個體特性進(jìn)行測定，并在礦井通風(fēng)阻力測定基礎(chǔ)上分析研究，提供更準(zhǔn)確的主要通風(fēng)機(jī)性能測定數(shù)據(jù)，為礦井主要通風(fēng)機(jī)工況調(diào)節(jié)提供更真實的依據(jù)，為實現(xiàn)礦井通風(fēng)系統(tǒng)穩(wěn)定、長效安全生產(chǎn)和節(jié)能降耗的目的。

1 吳中立．礦井通風(fēng)與安全這［M］．中國礦業(yè)大學(xué)出版社，1989．

2 張國樞．礦井實用通風(fēng)技術(shù)［M］．煤炭工業(yè)出版社，1993．

3 中國煤炭工業(yè)勞保學(xué)會．礦井通風(fēng)專業(yè)委員會學(xué)術(shù)報告專輯［J］．煤礦安全，1992．

4 《煤礦安全規(guī)程》［M］．煤炭工業(yè)出版社出版，2011．

5 盧 平，范維澄，廖光煊，等．対旋式主通風(fēng)機(jī)性能測試與經(jīng)濟(jì)運行研究［J］．風(fēng)機(jī)技術(shù)，2003，（4）．