劉 強

（山西寧武大運華盛莊旺煤業(yè)有限公司，山西 忻州 036700）

引言

礦井通風系統(tǒng)在地下煤礦中對于保障作業(yè)人員安全起著至關重要的作用，礦井中甲烷和煤塵存在爆炸的危險。通風系統(tǒng)的合理規(guī)劃、設計、實施和維護是實現(xiàn)煤礦井下安全開采的必要條件。然而，隨著礦井作業(yè)的不斷擴大，對通風系統(tǒng)的要求也發(fā)生了變化。傳統(tǒng)的礦井通風系統(tǒng)在開采過程中一直處于運行狀態(tài)，消耗更多的電能，使礦山生產(chǎn)花費較多[1]。因此，隨著電能成本的日益增加，應用具有成本效益、可靠、免維護和節(jié)能的技術至關重要。整個煤礦通風系統(tǒng)的性能取決于3個因素:礦井內的大氣條件、風扇的設計、功耗。通過考慮上述因素，可以優(yōu)化能耗和成本。本文基于實際工況條件，針對通風機的節(jié)能問題進行了深入研究，綜述了目前所提出的方法和算法，以及目前煤礦井下通風機的改進趨勢。研究成果為礦井通風機節(jié)能改進提供了依據(jù)。

1 應用工況分析

本文研究礦井屬于雙突礦井，礦井中瓦斯含量較高，建設規(guī)模為每年650萬t。該礦井中的通風方式為對角式通風，對角中的兩臺風機送風，中央處的風機抽風。根據(jù)計算，該礦井主通風機所產(chǎn)生的風量為95 m3/s；礦井空氣質量較好時，風機所產(chǎn)生的平均負壓為830 Pa；空氣質量較差時的風壓為2 100 Pa。為滿足該礦井的通風以及應用變頻節(jié)能技術的需求，為該礦井選擇了型號為FBCD4B-233型風機共兩臺，其中一臺為備用風機，該型號風機的工作電壓為10 kV，額定功率為240 kW，最大轉速為760 r/min。

2 節(jié)能技術探討

2.1 風扇葉片的優(yōu)化設計

長期運行后，礦井通風主扇風機葉輪、進風口、風機外殼腐蝕嚴重[2]，從而威脅著主風機的安全運行，增加了運行阻力，降低了效率。這種設計側重于能源效率，在礦山顯示出可觀的經(jīng)濟效益。葉輪腐蝕結構一般分為三層，即界面緩沖層、結構強度層和表面層。各層厚度和理化性能指標的控制因情況要求而異。要求防腐層與金屬基體表面的結合強度大于層間的熱誘導剝離強度。本設計采用富鋅底漆，選用環(huán)氧樹脂作為成膜物質，防止生銹和腐蝕[3]。富鋅底漆涂層也稱為電化學防腐蝕涂料，因為它對鋅和鋼具有電化學保護作用。經(jīng)過防腐表面處理后，風量增加，滿足了更高的礦井生產(chǎn)要求，保證了礦井安全。防腐處理后，進行現(xiàn)場測量，相關數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 采用表面處理和不采用表面處理的主要參數(shù)比較

通過將葉片的俯仰角分別改為44°、54°、59°、64°，氣流值分別為1 175 m3/h、1 270 m3/h、1 340 m3/h和800 m3/h。因此，經(jīng)過測試顯示，為了增加流量，葉片俯仰角應保持在59°左右。將葉片數(shù)量從1個增加到2個，會使空氣動力效率提高6%。同樣，通過減少轉子頂端和外殼之間的空氣間隙，它減少了空氣損失并提高了風扇性能。但本文在沒有任何數(shù)學計算的情況下，給出了影響軸流風機的因素。

2.2 電氣系統(tǒng)的改造

本文采用了一種新型的先進診斷系統(tǒng)，具有通氣需求能力采取泄漏的饋線增強的方式。由于礦山的特殊性質，設計一個可靠強大的地下網(wǎng)絡有難度。通過考慮礦山條件中的危險和關鍵因素，添加兩種診斷系統(tǒng)（DS），一種是連接到地面上方控制室LF頭端的診斷接收單元（DRU）；第二種是診斷應答器單元（DTU），即放大器、電源單元（PSU）、傳感器、風扇[4]，如圖1所示。泄漏饋線有三種模式，即自配置模式、正常模式和中斷模式。

圖1 饋線診斷系統(tǒng)

按需通風在礦井中具有優(yōu)勢，它根據(jù)從連接到泄漏饋線上的傳感器中收集到的數(shù)據(jù)來操控礦井通風風扇。傳感器安裝在地下，可以跟蹤空氣中的污染物水平，當它達到一定的閾值時，傳感器就會中斷DRU，導致風扇被打開[5]。然后在正常模式下，當DRU讀取低于正常污染物水平時，風扇可以關閉。它實現(xiàn)了巨大的節(jié)能效益，這將反映在礦山的運營成本上，本節(jié)闡述了通信在礦井中的重要性，并明確說明了漏式饋線在不同模式下的性能。

3 工程節(jié)能經(jīng)濟效益分析

國外SIMSMART公司提供了煤礦行業(yè)的通風機節(jié)能的實時解決方案，一個名為Smart EXEC（可擴展能源控制）的完整SCADA系統(tǒng)，完全支持按需通風[6]。圖2顯示了smart EXEC的基本結構，它具有通風節(jié)能、健康和安全優(yōu)勢，增強了生產(chǎn)以及減少了未來通風基礎設施的建設成本。其電費為0.5元/kWh。根據(jù)改造后的年平均節(jié)電量，每年可節(jié)約電費約39萬元。而風機安裝的價格為50萬元，總安裝費用為105萬元。在第三年，安裝成本可以通過節(jié)電成本回收，SCADA系統(tǒng)的實際使用壽命比這一時間要長得多，因此，安裝SCADA系統(tǒng)經(jīng)濟效益可觀。在其他經(jīng)濟效益方面，可擴展能源控制的完整SCADA系統(tǒng)安裝后，可通過實時調整技術對風機功率進行調整，避免因始終以最大功率工作而導致風機使用壽命縮短。預計其使用壽命將延長約30%。同時，風機的穩(wěn)定運行大大降低了維護和保養(yǎng)成本，同時也降低了風機停機期間產(chǎn)生的成本。雖然這些成本無法衡量，但也非常龐大。

圖2 可擴展能源控制的基本架構

4 結語

通風系統(tǒng)在煤礦井下一直起著非常關鍵的作用。礦井全年的通風要求有所不同，因此在大多數(shù)地下礦井中，考慮到設計中的所有現(xiàn)實方面的困難，設計高效的通風系統(tǒng)是必需的。在大多數(shù)情況下，研究人員沒有在地下礦井中測試他們的通風系統(tǒng)。雖然有技術人員對通風節(jié)能開展了研究，但是都存在一定缺陷，本文采用變速驅動的按需控制通風（按需通風）的實施是有能力和有前途的節(jié)能方法，滿足了地下礦井的氣流要求。在煤礦井下，大氣條件隨著礦井面積和風機轉速的變化而不斷變化。通風機速度被認為是在礦井中創(chuàng)造和保持健康氣體環(huán)境的主要因素。因此，通過改變通風風扇的運行速度來維持特定礦井中的最佳氣流分布，是管理節(jié)能成本未來的研究方向。