分时段变频技术在矿山通风中的运用

李印洪，邓沙宁

（湖南有色冶金劳动保护研究院，湖南长沙 410014）

分时段变频技术在矿山通风中的运用

李印洪，邓沙宁

（湖南有色冶金劳动保护研究院，湖南长沙 410014）

对矿山井下通风工作特点进行了分析，同时根据有色矿山生产不均衡的实际情况，结合我国气象特点和有色矿山生产情况，建立矿山井下通风系统主扇分时段变频节能控制模型。该模型在充分满足井下矿山生产安全的前提下，提高了井下通风系统能源利用效率。

主扇；变频技术；节能技术

目前我国金属非金属开采的大部分矿山，已进入了中深部开采。随着开采深度的增加，井下采掘工作面条件不断恶化：有毒有害气体和粉尘难以迅速排除，高温高湿等造成空气品质差。从我国现阶段的开采技术水平方面分析，建立和继续完善矿井通风系统，适当增大风量加强通风排毒和降温，是控制矿山采掘面空气中有毒有害气体污染的最主要和有效的方法，也是治理有毒有害气体和降温除湿，提高空气品质的首要措施。但是通风所需能量消耗与风量的3次方成正比，故矿山通风能耗在矿山生产中占的比例很高，一般占矿山电量消耗的20%～45%。因此研究矿井通风主扇风机节能控制技术和系统，将采掘面有毒有害物质的浓度变化与通风系统主扇节能联动运行结合，使之达到既安全、卫生，又能较好降低通风能耗，这是我国矿山开采技术领域面临的一个重要课题。

1 地下矿山开采通风技术现状分析

我国从1953年开始，矿山地下开采使用机械通风以来，在设计和建立通风系统时，首先考虑通风系统的服务年限至少是十五年或二十年，甚至更长。由于井下通风是地下开采的八大系统之一，从安全性和井下施工难度等方面的因素考虑，设计选择主扇风机是在生产十五年至二十年的使用周期内，按最大采掘量和最不利通风线路来计算所需最大风量和最大通风阻力并乘以1.25～1.5的风量风压备用系数来确定主扇风机功率大小。这样选用的主扇风机在十五年或二十年的服务年限内与矿井的开采初期、中期、末期、还是生产量的大小变化无关，就是说主风扇机在十五年或二十年的服务期内的输入功率一直不变。从而造成主扇风机产生的风量大小与井下采掘面（或主要作业区域）的有毒有害气体、粉尘浓度、温度湿度高低也无任何关系。

据上述原因分析可知：没有根据生产实际状况而对矿井主扇风机进行节能联动科学运行，是造成通风系统能耗居高的原因之一。经对湖南省十三个地下开采矿井的通风系统测定分析，通风能耗占整个矿井能耗的25.9%～41.6%，而优化的矿井通风应达到两个目标：一个是保证正常良好的通风效果，另一个是尽量节省通风能耗，以提高资源开采的社会经济效益。

2 分时段变频通风节能技术探讨

2.1 主扇变频节能原理分析

矿山井下通风系统由于其存在需风量大的特点，一般选择轴流风机作为其主扇。轴流风机的性能特点有三个：（1）风量风压特性曲线均属于陡降型；（2）风机功率在风量为零时最大，因此所配电机要有足够余量；（3）流量不在设计工况下效率降低快。

综合矿山井下通风系统和轴流式风机的特点，当矿井通风工程中工作人员少，污染量小需风量少，需要调节供风量来达到节能的目的。调节总风量的主要措施是改变主扇的工况点，主要办法有两种：（1）改变主扇的工作特性；（2）改变通风网路的风阻特性。

K40风机无因次风量、风压、功率组合图如图1所示。

图1 风压、风量、功率组合图

图1中Q1表示工作面所需风量，n0风量风压线表示转速为n0时风压风量的变化曲线，n0风量功率线表示转速为n0时风压功率的变化曲线，n风量风压线表示转速为n时风压风量的变化曲线，n风量功率线表示转速为n时风压功率的变化曲线，R线表示风网阻力系数为R时的风网阻力曲线，R′线表示风网阻力系数为R′时的风网阻力曲线，M0表示转速为n0风网阻力系数为R时主扇的工况作业点，M表示转速为n风网阻力系数为R时主扇的工况作业点，M0′表示转速为n0风网阻力系数为R′时主扇的工况作业点。M0与M的功率差为△N，表示风网阻力不变时，改变转速在保证工作面所需风量的情况下所节约的功率消耗，ΔQ表示风机在M0点工况时所产生的富余风量；M0′与M0的功率差为ΔN0。由图1可以看出，在风网需风量不大的情况下，通过改变主扇的运行状态比改变风网风阻所产生的节能效果更明显。

同时由于主扇风机属平方转矩负载，转速n的变化，将引起电机转矩T和功率P的强烈变化。由流体力学理论可知，在只改变主扇风机转速的条件下，主扇风机流量与转速一次方成正比：

式中：n1为主扇风机的转速／m·s－1；n2为主扇风机变速后的转速／m·s－1；Q1为主扇风机的风量／m3·s－1；Q2为主扇风机变速后的风量／m3·s－1。

主扇功率与风量的关系为：

式中：P为主扇风机的功率／kW；R为通风系统阻力系数／千缪；Q为主扇风机输出风量／m3·s－1。

可知，功率与转速、风量三次方成正比：

式中：P1为主扇风机的功率／kW；P2为主扇风机变速后的功率／kW。

从上式可知，在不改变通风线路的情况下，控制主扇运行使供风量减少一半的情况下，主扇有效功率仅为正常的1／8。

2.2 主扇分时段变频节能分析

矿山井下通风系统是借助机械或自然风压，向井下各用风点输送适量的新鲜空气，其作用是供给人员呼吸，稀释并排出各种有害气体和浮尘，降低采掘面环境温度，创造良好的气候条件。当矿山井下生产的新鲜风需求量不高，而主扇供应风量较大时，这时就产生风量富余，出现能源的浪费现象。在这种情况下，若通过增加部分通风构筑物，减少不必要的新鲜风供应，降低主扇转速，减少主扇供风量，则能够节约相当的能源消耗。在通风节能联动技术中，可以通过对主扇运行控制，使矿山通风系统既能保证生产、安全需求，又能避免出现风量过剩，达到节能的目的，其节能的技术途径有如下几个方面：

1.合理利用自然风压，减少低温季节的主扇能源消耗。我国幅员辽阔，总体气候特征属于大陆性气候，与同纬度其它地区相比，冬季我国是世界上同纬度最冷的国家，一月平均气温东北地区比同纬度平均要偏低15～20℃，黄淮流域偏低10～15℃，长江以南偏低6～10℃，华南沿海也偏低5℃；夏季则是世界上同纬度平均最暖的国家（沙漠除外）。七月平均气温东北比同纬度平均偏高4℃，华北偏高2.5℃，长江中下游偏高1.5～2℃。受我国气候特征的影响，矿山井下一年四季自然风压的变化较大，夏季炎热季节，入风井空气温度比排风井温度高，主扇需克服自然风压运行，所需能源消耗自然较大；冬季寒冷季节，入风井空气温度比排风井温度低，自然风压形成有利于主扇通风，相当于在通风系统串联了一台恒压主扇，此时若对主扇运行进行调节，相应地降低主扇的转速，达到通风系统新鲜风的供应量与炎热季节相同的状况，通风系统的能源消耗将大为降低。以一深度为300 m、需风量100 m3／s、通风线路阻力1 000 Pa、排风井口气压99 960 Pa，夏季入风井平均气温27℃、冬季入风井平均气温8℃、排风井平均气温22℃的矿井为例，其主扇在夏天温度高时所需有效功率为106 kW，而在冬季温度低时所需有效功率为82 kW，照此计算，如果在冬季对主扇使用变频调速，则至少节约功率24 kW，即主扇运行节能20%左右。

2.控制主扇运行与年生产计划相匹配，降低计划检修期间、节日期间等生产低谷时期的主扇供风量，节约能源。我国矿山一般为采选联合企业，井下生产安排受选矿厂生产流程的制约。当地面选厂进行设备计划检修停止选矿流程时，井下的供矿也相应地被停止，只能进行掘进作业，需风量为正常生产时的一半左右。此时通过在采场入口设置风门，减少非作业区的漏风，控制主扇以低功率状态运行，在保证作业区需风的前提下，大量节约能源。由主扇的节能分析可知，在选厂检修时期，井下通风系统低风量运行较平常节约能源87.5%。

3.控制主扇运行与日生产实际情况相匹配，提高井下生产高峰时期的主扇供风量，降低井下生产低谷时期主扇能量消耗。

以下是湖南有色冶金劳动保护研究院对水口山矿务局康家湾矿进行主扇日分时段运行节能的实例：

水口山矿务局康家湾矿井下通风主扇为355 kW对旋风机，在最大转速为980 r／min时，输出功率为312 kW，通过变频将主扇风机的转速从980 r／min降到白天生产所需的风量860 r／min时，则输出功率为245 kW，节能67 kW；当转速从980 r／min降到晚上无主要生产作业只需风量的500 r／min时，输出功率为46.5 kW，节能265.5 kW。所以根据井下采掘面空气品质综合指数高低控制主扇风机转速，实现通风节能联动，与目前的矿井通风系统主扇风机运行相比较至少节约15%～30%的电能。

3 结束语

金属矿山的通风节能技术不仅能为企业带来直接的经济效益，还可减少事故发生，保证人员安全，具有深远的潜在效益。

［1］ 马利霞.变频器在矿山通风机中的应用［J］.企业导报，2010，23（10）：16.

［2］ 李虹.变频器在矿山节能中的应用［J］.变频器世界，2003，3（8）：23.

［3］ 徐竹云.矿山通风理论与技术的新发展［M］.北京：冶金工业出版社，1996.23－46.

［4］ 马扬.变频技术在矿井通风机上的节能分析［J］.淮北职业技术学院学报，2012，11（3）：97－98.

［5］ 王英敏.金属矿山通风节能途径与效益［J］.黄金，1989，10（8）：20－24.

［6］ 《采矿手册》编辑委员会.采矿手册第六卷［M］.北京：冶金出版社，1988.65－120.

The App lication of Time Frequency Technology in M ine Ventilation

LIYin-hong，DENG Sha-ning
（Hunan Labor Protection Institute of NonferrousMetals，Changsha 410014，China）

Work on the underground mine ventilation characteristicswas analyzed，at the same time，according to the fact that the actual situation of nonferrousmine production is not balanced，combined with the characteristics of China′smeteorological and nonferrousmine production，mine ventilation system ofmain fan time frequency energy saving controlmodel was established.Themodel in the premise of fullymeets the undergroundmine production safety of the mine ventilation system and improves the efficiency of energy use.

main fan；inverter technology；energy-saving technologies

TD72

：A

：1003－5540（2014）02－0009－03

2013－10－28

李印洪（1975－），男，工程师，主要从事矿山开采设计、通风防尘等工作。