趙 瑨

（山西沁東能源有限公司，山西晉城 048202）

0 引言

礦井主通風機是煤礦大型設備之一，屬于低壓大流量風機類型，礦井主通風機的正常運行是煤礦井下安全生產(chǎn)的重要條件。但是這種通風機的性能曲線呈現(xiàn)駝峰形，很難保證其時刻都處于穩(wěn)定工況，如果風機工況進入非穩(wěn)定區(qū)域，就容易出現(xiàn)喘振現(xiàn)象。而風機喘振會對整個礦井通風系統(tǒng)的風量產(chǎn)生極為不利的影響，同時也會對風機造成極大的損害，嚴重時會引發(fā)安全事故。由此可見，喘振對礦井主通風機的危害非常嚴重，很有必要對其預警與消除進行深入的研究。

1 通風機喘振成因及危害

（1）通風機喘振成因

通風機葉柵出現(xiàn)劇烈的旋轉(zhuǎn)失速，而且通風量較大的時候，極易導致風機官網(wǎng)系統(tǒng)發(fā)生氣流周期性振蕩。這時，通風機壓力與流量等都容易出現(xiàn)較為強烈的縱向貓冬，而且噪聲極大，這種現(xiàn)象稱為“喘振”[1]。

如圖1所示為通風機性能曲線圖。在駝峰形曲線中，當風機工作點在點A時會處于最佳穩(wěn)定狀態(tài)，只要風機工作點位于點A右側(cè)的位置，就可以保證穩(wěn)定工作。而風機工作點位于點A左側(cè)時，就會處于不穩(wěn)定工況。而風機工作點位于不穩(wěn)定工作區(qū)的時候，就容易出現(xiàn)“喘振”，例如點E。如果風機的性能曲線和系統(tǒng)阻力特性曲線在點E交匯時，工作點位于E點的軸流風機無法保證穩(wěn)定的運行狀態(tài)，那么風機的工況點就會按照B，A，D，C的順序做循環(huán)運動。此刻的通風系統(tǒng)內(nèi)部流量和氣壓等參數(shù)就會出現(xiàn)劇烈的振蕩，風機官網(wǎng)內(nèi)的氣流會極其紊亂，風機也會出現(xiàn)距離的震動，發(fā)出很大的異常噪聲，這就是“喘振”。

圖1 軸通風機性能曲線

通常情況下，由以下兩種原因?qū)е峦L機出現(xiàn)喘振；①是由于軸流風機的工作狀態(tài)必然呈現(xiàn)一個駝峰形曲線；②系統(tǒng)阻力特性和官網(wǎng)容量也是導致喘振的重要因素。尤其是官網(wǎng)系統(tǒng)阻力急劇增加，駝峰曲線中，通風機的工況點被迫向左上方移動，喘振就不可避免[2]。

（2）風機喘振產(chǎn)生的危害

如果風機一直在喘振區(qū)域工作而不及時處理，就會導致非常危險的狀況發(fā)生，通常會出現(xiàn)風機葉片斷裂，嚴重損壞葉輪的機械部件，嚴重者可能會導致風機損壞，造成重大安全事故[3]。

2 通風機喘振通風失穩(wěn)控制需求分析

礦井通風機是煤礦通風系統(tǒng)中最為核心的部分，對煤礦的安全生產(chǎn)起到?jīng)Q定性的作用。要想使得發(fā)生喘振的通風機及時回復正常工作，設置失穩(wěn)控制就顯得非常必要，而且失穩(wěn)控制對保持井下穩(wěn)定的通風量也有非常重要的作用，可以防止通風量在短時間內(nèi)出現(xiàn)劇烈變化，避免通風系統(tǒng)出現(xiàn)故障，引發(fā)安全事故；主通風機的運行狀態(tài)對通風系統(tǒng)的正常運行起到非常關鍵的決定作用。失穩(wěn)控制須具備以下幾種條件[4]：

（1）控制系統(tǒng)必須具備較強的控制能力。在對通風機喘振進行控制的時候，需要專業(yè)化的功能單元對通風機的運行狀況進行控制，即使出現(xiàn)官網(wǎng)內(nèi)阻力突然增加的情況，也可以保證通風機工作點及時離開喘振區(qū)域；如果出現(xiàn)對喘振現(xiàn)象無法直接控制的情況，也能保證通風機在最短時間內(nèi)恢復正常運行的狀態(tài)。

（2）控制系統(tǒng)要能在故障發(fā)生進及時響應，為通風系統(tǒng)的正常運行提供保障?？刂葡到y(tǒng)將通風機的工作點控制在喘振區(qū)域之外后，還要結(jié)合通風系統(tǒng)與礦井安全的需求，在保證通風機可以正常運行的基礎上，最大限度地提升通風系統(tǒng)的工作效率。因此，一旦通風機的工況達到預設的臨界值，就要及時采取一定的措施消除喘振隱患，保證通風系統(tǒng)可以持續(xù)穩(wěn)定運行，避免因通風動力的急劇改變造成安全事故[5]。

圖2 風機喘振預警監(jiān)測與消除控制流程圖

3 通風機喘振預警與喘振消除控制措施

（1）通風機喘振預警和消除方案的選擇

目前常見的通風機喘振預警方案包括軸位移監(jiān)測以及基于喘振邊界線預警方案，這兩種方案都是通過時域分析及時對喘振進行準確預警?；诖襁吔缇€的風機預警方案中，通風機的工況可以通過其性能曲線和系統(tǒng)阻力特性曲線非常直觀地表現(xiàn)出來。軸位移通風機喘振預警方案最大的優(yōu)勢在于方便采用儀器監(jiān)測和微機處理。所以，在結(jié)合這二者優(yōu)點的基礎上，提出了綜合預警方案。通過預警方案可以對喘振發(fā)生的趨勢進行識別和分析，通風機還未發(fā)生喘振時就可以發(fā)出預警，為及時消除喘振隱患提供保證。

在通風機產(chǎn)生喘振預警信號時，要及時采用對應的措施促使通風機在最短時間內(nèi)推出喘振工作區(qū)域。具有變頻調(diào)速或者動葉可調(diào)功能的通風機，可以降低轉(zhuǎn)速或者調(diào)小動葉來降低風機側(cè)的負壓來促使通風機退出喘振工作區(qū)域，但是必須保證通風量不出現(xiàn)劇烈波動。此外，設置有水平對空風門的通風系統(tǒng)，可以調(diào)整其開度來降低風機側(cè)的等效風阻，從而增加風機通風量，促使風機工作點迅速降低到報警點以下，保證風機持續(xù)穩(wěn)定運行[6]。

（2）通風機喘振預警和消除方案的實現(xiàn)

上文提到，目前常見的通風機喘振預警方案是軸位移監(jiān)測預警和基于喘振邊界線預警兩種方案，而喘振的消除方式則通過調(diào)整風機動葉、轉(zhuǎn)速以及調(diào)節(jié)水平對空風門的開合度等幾種方式相結(jié)合來達到控制風機喘振的目的。如圖2所示，在PLC主程序中置入喘振預警監(jiān)測模塊，并置入喘振消除控制模塊，將其作為PLC的子程序，這種設置方式主要是為了縮短系統(tǒng)對程序的掃描時間，只要預警模塊發(fā)出通風機喘振的預警信號，主程序就可以立刻調(diào)用消除模塊進行處理。前文中提出通過兩種方案來消除喘振，那么這就需要將這兩種方案分成兩個不同的模塊，分別與一級喘振消除模塊和2級喘振消除模塊相對應。其中一級喘振消除模塊的主要功能是降低風機轉(zhuǎn)速或者是關小動葉，而二級喘振消除模塊的主要功能是對水平對空風門進行開度調(diào)節(jié)，主程序?qū)@兩個級別的喘振消除模塊都可以隨時調(diào)用。一旦一級模塊不能快速將風機拉出喘振區(qū)域，那么就需要理科調(diào)用二級模塊進行補救。如果通過這兩級喘振消除模塊仍然無法及時消除風機喘振，應當立即采用切換風機的方案，并對故障風機進行及時檢查和維修。其中，可以通過閉環(huán)調(diào)節(jié)的是降低50%轉(zhuǎn)速或者風門開度調(diào)節(jié)[7]。

要對系統(tǒng)主程序的起始參數(shù)進行初始化，設定好喘振預警參數(shù)并將通風機轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)次數(shù)歸零，并設定水平對空風門的開度參數(shù)和風機轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)最大次數(shù)M[8]。

4 結(jié)語

本文作者在對礦井主通風機的喘振現(xiàn)象成因和機理進行分析的基礎上，結(jié)合軸位移監(jiān)測預警和喘振邊界線預警兩種方法的優(yōu)勢，提出了二者的綜合預警方案。并基于這種綜合預警方案提出喘振消除的分級控制方案，通過兩級喘振消除措施可以將通風機工況點在最短時間內(nèi)拉回到喘振預警安全區(qū)域，促使風機工況點在正常工作區(qū)域，保證礦井主通風機的正常運行，為煤礦企業(yè)安全生產(chǎn)提供保障。