矿井自然风压与主扇变频系统匹配节能技术研究

2015-03-03余志剑

中国矿业 2015年1期

余志剑，彭涛，彭斌

（湖南有色冶金劳动保护研究院，湖南长沙410014）

自然风压广泛存在于矿井通风系统中，在深达千米并采取机械通风的矿井中，自然通风能约占总通风能耗的30%；对于一些地处山区而采用多水平平硐开拓的浅部矿井，甚至采用自然风压通风代替主扇风机通风，也可达到一定的通风效果［1］。在不同时节和不同地表气候条件下，自然风压值的大小也随之不同，并且对矿井通风系统影响也随之改变。在日常通风管理中，为充分利用自然风压加强矿井通风，很多矿山开始采用风机变频器实现对风机的控制，调控风机的通风量。因此，分析和掌握自然风压的变化规律及其对通风系统的影响，并利用风机变频器控制风机有利于合理控制和利用自然风压，对矿井风机选型、矿井通风系统设计和优化改造等具有十分重要的意义［2］。

1 矿井自然风压

1．1 自然风压产生原理

自然风压的产生主要源于进回风井的标高差异和气温差异，导致回风井的空气密度比进风井的空气密度小，产生压差即为自然风压。自然风压大小影响因素主要取决于地表温度、矿井进风井与回风井筒内的温度、井筒深度等，进回风井筒温差和标高差愈大，则自然风压愈大。矿井自然风压随季节变化而变化，一般，冬季地表气温较低时，自然风压帮助主扇通风；当夏季气温高时，自然风压不利于主扇通风。当自然风压有利于通风时，风量自然增大；当自然风压阻碍矿井通风时，进风井风量减少，或者部分风井和巷道出现无风、反风等异常现象，危害井下人员安全和矿井安全生产等［3－4］。

1．2 自然风压计算模型

建立自然风压计算模型要考虑众多矿井的实际因素，矿井地形复杂，既服务于矿井自然风压的计算也要尽可能的结合实际情况。因此，模型建立时将矿井的空气温度过程视为等温渐变过程，矿井的进回风井高差和地表与井下温差对自然风压具有很大影响。以流体静力学理论为基础，建立自然风压计算初始模型并不断进行修正，其计算理论模型如式表1所示［5－6］。

表1 自然风压计算模型

由表1中公式可知，自然风压影响因素较多，与进回风井的深度、温度、大气压等都存在很大影响。因此在通风系统设计与优化时都需认真考虑自然风压的影响，对矿井的地形地质资料、气候条件等都需认真考虑。其矿井自然风压的示意图见图1。

图1 矿井通风系统示意图

2 风机变频器

在主扇风机控制装置中安装变频器，根据外界条件的变化利用变频技术来调节风机的运行速度，达到改变风机风压、风量的目的，保证通风网络的稳定运行。

2．1 风机变频器工作原理

风机变频器的工作原理与其他电器设备的变频器原理基本一致。采用高科技的变频与微电子技术，改变交流电机供电的频率和幅值，因而改变其运动磁场的周期，达到平滑控制电动机转速的目的，即通过调节电机输入电流频率达到控制风机电机的控制设备。变频器通过整流、储能和逆变等部分的有机结合，以及控制系统的有效控制达到为电机提供所需的电压，从而控制风机转速以及风机的排风量等。其控制系统流程图如图2所示。

图2 风机变频器控制系统流程图

2．2 风机变频器的作用

在传统的风机设计中，风机流量一般采用最大量设计，在实际运行调节中则通过设置挡板、调节风门等方法调节，不能形成封路的闭合回路控制，没有达到很好的省电节能效果。一般的电气控制对风机电机的部件冲击损坏较大，致使设备寿命减短且噪音也大。

变频器的出现，解决了看似复杂的调控转速的问题更加简单化。变频器具有节能、对电网冲击小、对电机有保护作用和满足工业要求的作用。在矿山风机变频器调速的实践中，优化风机电机的运行具有很大的优越性，还可以起到提高效率和节能的作用。据全球知名的变频器生产企业的预算，就该公司在全球范围内生产的变频器每年就可以节省1150亿kW·h的电力，相应减少9700万tCO2排放，这节能效果是相当可观的。在实际运用中也可以延长风机电机的寿命，减少对电网的冲击，通风工作需要可以让风机电机缓慢运行，使得电网有一个安全的电流值，风机电机和线路发热量也相应减少，在电网负荷过大时可以减少对电网的冲击。因此工作实践中，满足了工业要求，可以节省用电30%以上。

3 综合应用研究

3．1 自然风压与变频器系统的匹配技术

3．1．1 自然风压时时计算系统的创建

在我国的多数矿山中已经完成“矿井六大系统”的建设，可以时时有效的将地表气压温度、井下进回风道温度、风机风压与风量等反映在地表终端上，为矿井自然风压计算提供了真实有效的数据。基于前文中的自然风压计算模型，在“矿井通风三维仿真系统”软件上开发了自然风压时时计算模块，软件可以时时根据六大系统监测终端数据计算自然风压值，具体的计算模块见图3。

图3 自然风压计算模块

3．1．2 自然风压与变频系统的匹配

为有效的利用和控制自然风压，首先需要掌握自然风压的特性和规律。自然风压的大小与矿井深度成正比，并随地表气温的变化而变化。通过对江南某矿井的通风系统监测可知，在一整年中，气温随着春夏秋冬季节的更替而呈现波浪形式的变化。从而自然风压也呈现出波纹形式的变化，且天气有时一日数变，自然也随着改变，一年中自然风压变化曲线大致如图4所示。

通过创建的自然风压计算模块，可以很快的了解整个矿井通风系统的风量、风压和自然风压值得变化。通过对风机安装调频器，利用终端监测数据和自然风压计算值时时对风机运转进行调频运转，确保井下风量的合理供应和风机的正常运转，并且可以为矿井通风系统优化提供合理依据。从而，不仅可以实现矿井风流的合理调节，也可根据需要实现风机的节能效果［8］。

图4 常年自然风压变化曲线示意图

3．2 应用实例

瑶岗仙钨地处江南地区，气候夏季凉爽、春季多雨。历年平均气温为17．2℃，最低气温在1～2月份，为－5～－9℃，最高气温在7～8月份，为33～35．9℃，年平均降雨量达 1450mm，蒸发量1418mm。该矿区上下开采中段高差较大，形成较大的大气压差，加上有多中段平窿直接与地表相通这些特殊性，受自然风压影响非常大。该矿有专用回风井，2＃竖井与矿井最低的平窿相通，导致两个进风井受自然风压影响而形成一进一出的局面。矿井通风系统虽然随着井下开采深度的延伸作了相应的调整及变化，但仍然难以形成稳定的通风系统。

3．2．1 通风系统存在的问题

由于瑶岗仙钨矿矿区属于高山采矿，上下开采中段高差较大，形成较大的大气压差，经计算反向自然风压最大达379．54Pa，自然风压影响突出，在此基础上风流基本上受自然风压控制，造成目前井下用风量不足，炮烟难以排出，污风串联现象严重。在冬季时，自然风压很大，在不开风机的情况下有很大的风流从21中段的平窿进入，并从回风井排出；在夏季时，自然风压起反向作用，即在开风机的情况下也有大量的风流从21中段排出，严重影响矿井的通风，因此在必要的情况下只能将下部中段平窿口设置风门进行风量调节。

3．2．2 自然风压参数确定

自然风压计算需要的参数主要有进、回风井井筒深度，进、回风井井底温度，地表大气压及地表温度。为准确的了解矿井全年的自然风压变化情况，需要在不同的时间段对自然风压的各个计算参数进行现场有效测定。现以该矿某年测定结果为例，该矿区历年平均气温为17．2℃，最低气温在l～2月份，为－5～－9℃，最高气温在7～8月份，为33～35．9℃（取夏季地表最高温度为35℃）。进风井底气温为22℃，进风井口取夏季地表最高温度为35℃，故平均为28．5℃。通过对矿井全年不同月份井下气温和地表气温的监测，利用自然风压计算模块计算全年不同时期的矿井自然风压值并绘制其变化曲线图，见图5。

图5 瑶岗仙钨矿常年自然风压变化曲线图

从图5中可知，瑶岗仙钨矿通风系统在通风最困难时期和最容易时期受自然风压的影响比较大。特别是在夏季，自然风压起到非常大的阻力，而冬季有助于矿井通风系统通风。

3．2．3 自然风压与变频器系统的匹配分析

瑶岗仙钨矿井下主要安装的是轴流式风机，其轴流式风机性能具有流量大，扬程（全压）低，流体沿轴向流入、流出叶轮等特点。并且每台主扇都配备一台变频器实现风机风量的调节。风机的功率、转速和风量之间的关系见式（5）。

从式（5）可知，在不改变通风线路的情况下，两功率之比等于两风机转速的平方之比，等于两风机风量的三次方之比。因此，当井下所需通风量减少时，其风机实际提供的功率可适当减小，并且可以利用变频器来实现这一要求，达到节省能耗的效果［9］。在日常运行中也可避免因风机增速而导致的风机超频影响风机的问题。在自然风压影响井下通风及风机运行时，风机采用变频器变频也是不错的选择。

瑶岗仙钨矿已经将六大系统实施完毕，对井下地表的气压和温度进行时时监控，井下风量的有效监控等。对于监控掌握的信息可以时时了解整个矿井在此条件的自然风压值，矿井风量受自然风压产生的影响等。因此，不仅可以掌握全年的自然风压变化曲线，也可掌握一天或是一段较长时间内的自然风压值。瑶岗仙钨矿是属于山坡型矿山，21中段以上采用竖井加平硐开拓方式，21中段以下采用竖井加斜井开拓方式，21中段平硐与2＃竖井和回风井高差相差700多米，在此条件下自然风压值非常大，自然风压对通风系统将产生很大影响。图4中通过对某年的温度和气压测定结果计算自然风风压值可知，夏季自然风压值最高达到－354．66Pa，对通风的阻碍作用非常大；而冬季自然风压值也达到＋379．54Pa，则有利于矿井通风。由上述可知，可以通过变频器与风机电机的合理匹配，在不同自然风压的影响下实现对风机的有效调节，不仅可以在困难时期有助于加强通风动力，也可在容易时期通过变频器减小风机的通风动力，充分利用自然风压来加强矿井通风。

3．2．4 主扇时时变频调节节能分析

变频器是通过改变电机转速实现改变风机的供风量，从而达到满足矿井不同风量需求的要求。由式（4）、式（5）中可知，通过调频器改变的是风机转速和风机供风量，而矿井自然风压最直接的作用也是改变矿井的风量。在井下通风现状和矿井通风量不改变的情况下，矿井通风阻力也不会改变，选取通风最长线路计算通风阻力为2497．52Pa，加上自然风压作用，整个矿井的通风阻力变化曲线见图6。

图6 瑶岗仙钨矿矿井总阻力变化图

由图6可知，矿井通风总阻力随着季节而不断变化，而根据通风机的H－Q曲线可知，阻力的增加势必导致风量的减少，而阻力的减少则会导致风量的增加。在冬季寒冷季节，自然风压有利于矿井通风时，相当于串联一台风机增加井下的风量而导致井下风量增加，此时可以利用调频器降低风机转速，减少风机的供风量，而能量消耗也大大降低；在夏季炎热季节时，当风量不足时可以利用变频器提高风机转速，增加风机通风量。在日常的生产工作中，可以根据需要时时变频调整风机转速，控制风机运行与年生产计划相匹配，使通风量满足矿井需要［10］。如此可以减少风机因困难时期满负荷运行而导致容易通风时期造成的能量消耗损失，从而达到节能的效果。在瑶岗仙钨矿的通风系统中，安设有两台90kW的轴流式风机，未安设调频器时采用全负荷运行。通过监测和计算可以得到在风机全负荷运行和安设调频器状态下的功耗情况，结果如表3所示。

表3 风机全负荷与调频器调节的功耗结果（全年）

由表2可知，该矿风机采用调频器调节明显比未安设调频器状态下节省能耗。其中，节能达到20%～30%。根据自然风压的变化，需考虑主扇运行与该矿的年生产计划相匹配，在矿井计划检修期间、节日期间以及特殊生产时期的需风量较小，但不可停止供风，因此，在这些时期可以利用变频器调控风机的运行功率，供给合适的风量，从而实现节能效果，为矿山减少通风费用创造经济效益。

3．2．5 自然风压的有效利用

自然风压对矿井通风有利有害，结合矿山的实际情况、六大系统和自然风压计算模块加强对矿井通风和自然风压进行合理有效的管理，具体措施如下：①自然风压受气温和地质条件影响较大，应对矿井通风系统展开详细的调查了解，掌握矿井在不同时期的自然风压变化情况及变化规律；②为充分利用自然风压，除了改变风机的调整风机叶片安装角外，还可以利用变频器调控风机转速来调整调整风机工况点，使其既能满足矿井通风需要，又可节约电能；③已经实现井下六大系统智能化控制的矿山，可以利用智能监控系统掌握井下的各个通风参数，时时掌握井下自然风压变化情况，结合矿山的生产作业规划，利用变频器实现对风机调控，不断调整井下的需风量。