高海拔对矿井轴流式风机性能影响及风机合理选型

2020-02-07黄玉诚王瑜敏

中国矿业 2020年1期

黄玉诚，王瑜敏

(中国矿业大学(北京)能源与矿业学院，北京 100083)

矿用风机均以标准地区的环境参数(空气密度ρ=1.2 kg/m3)为基础进行设计与制造，风机制造企业所提供的风机性能曲线也是以标准环境条件所作的模型试验得到的[1-2]。平原地区的矿井所处环境空气密度与标准状态相差不大，风机可以根据出厂特征曲线进行选型。对于高海拔地区矿井，由于大气压力随海拔升高而减小，空气密度变小，和标准状态的空气密度相差较大[3-4]。空气密度的下降对风机和配套电机性能等都会产生较大影响，按平原地区环境条件采用的风机选型方法显然不适合高海拔环境的通风技术要求[5-7]。本文结合通风机设计基本理论和矿井通风学原理，探讨高海拔对矿井轴流式风机性能影响及风机合理选型。

1 空气密度随海拔高度的变化

空气密度与大气压力、温度和湿度等因素有关，一般情况下，大气压力随海拔的升高而减小。大气压力与海拔的关系见式(1)[4]。

(1)

式中：P为当地平均大气压，kPa；P0为海平面处的大气压，取101 325 Pa；h为当地海拔高度，m；M为空气的摩尔质量，取29 kg/kmol；g为重力加速度，取9.8 m/s2；R0为通用气体常数，取8 314 J/(kmol·k)；T为空气温度，取293 K。

在矿井通风中，相对湿度一般变化不大，对空气密度的影响极小。矿井空气密度一般可按照式(2)近似测算[4]。

(2)

式中：ρ为空气密度，kg/m3；t为空气温度，℃。

由式(1)和式(2)可得到大气压力和空气密度随海拔变化的趋势，如图1所示。

图1 大气压力及空气密度随海拔的变化

2 高海拔对矿井风机通风参数的影响

2.1 风机风量

根据轴流式风机气动设计基本理论[8-9]，轴流式风机风量计算见式(3)。

(3)

式中：Q为风机体积风量，m3/s；D为叶轮直径，m；d为轮毂直径，m；u为风机叶轮外圆周速度，m/s；β1为风机入口相对气流角；δ为由于漏损和叶片厚度使过流断面缩小的系数。

由式(3)可知，轴流式风机在安装角和转数不变的情况下，空气密度的变化不会影响通风机产生的体积风量，风机产生的体积风量在不同海拔高度下是不变的。需要指出的是，在高海拔矿井中，虽然风机的体积流量不发生改变，但是由于空气密度下降，导致风机质量流量大幅减少，单位时间输送的氧气质量减少，这是造成高海拔矿井作业人员和某些设备降效的主要原因。

2.2 风机压力

对于矿用轴流式通风机，风机产生的风压计算见式(4)[8-9]。

(4)

式中：H为风机风压，Pa；ρ为空气密度，kg/m3；ω为通风机叶轮旋转角速度，rad/s；wm为气流平均相对速度，m/s；cy为升力系数；b为叶片弦长，m；Z为叶片数；η为风机风压效率。

由式(4)可知，其他因素一定时，通风机产生的风压与空气密度成正比。在高海拔地区，由于空气密度的下降，通风机产生的风压随海拔高度的升高而降低，风机风量压力特性曲线也将在风机出厂风量压力特性曲线基础上整体下移，如图2所示。曲线Ⅰ为风机出厂风量压力特性曲线，曲线Ⅱ为风机在高海拔地区运行的实际风量压力特性曲线。

图2 高海拔地区风机风量压力特性曲线变化

因此，高海拔矿井风机的选型，要以实际风压为依据，按式(5)计算出风机样本风压，按样本风压对照风机出厂风量压力特性曲线确定合适的风机型号。

(5)

式中：ρ0、ρ分别为标准地区和高海拔地区的空气密度，ρ0=1.2 kg/m3；H、H样分别为风机实际风压和样本风压。

3 高海拔对电机功率的影响

电机在高海拔环境运行时，空气密度降低，会导致空气散热能力下降，电机温升增加[10-11]。根据已有研究成果[10]，在高原地区，海拔每升高100 m，电机温升增加0.2～0.6 ℃。电机温升的增加不仅会导致电机输出功率的下降，还将引起外绝缘材料强度的下降，加速绝缘材料的老化，最终导致电机寿命缩短。因此，电机在高海拔矿井运行时，为了提高电机效率，保证电机寿命，当海拔超过1 000 m时，若式(6)条件成立，高海拔地区要考虑电机降容使用，则对电机选型要进行功率容量补偿[12-13]。

(h-1 000)Δi>40-tat

(6)

式中：h为海拔高度，m；tat为电机使用地点的最高环境温度，℃；Δi为海拔在1 000～5 000 m之间，海拔每提高1 m所需要的最高环境温度补偿值，℃/m，计算见式(7)。

(7)

式中，Tm为电机绝缘材料最高允许温度，℃。

高原地区电机额定输出功率降容量一般可按照每补偿1 ℃，功率降低1%计算[10]，见式(8)。

ΔP=[(h-1 000)Δi-(40-tat)]×1%P额定

(8)

式中：P额定为高原电机额定功率，kW；ΔP为电机额定功率的降容量，kW。

因此，在高海拔矿井，选用的电机额定功率计算见式(9)和式(10)。

P额定=P+ΔP

(9)

(10)

式中，P为按平原地区计算所需电机额定功率，kW。

4 高海拔矿井风机选型实例

4.1 风机风量和风压

某高海拔矿山地处青藏高原，海拔3 600～4 500 m。矿井进风平硐位于海拔3 600 m水平，大气压力66.58 kPa，空气密度0.83 kg/m3，约为标准地区空气密度的69%。采用压入式进风，需风量260 m3/s，通风阻力1 169 Pa。考虑风机装置的漏网系数1.15和阻力损失150 Pa，则需要的风机风量为299 m3/s，风机风压为1 319 Pa。

4.2 风机选型

根据前文分析，和标准地区相比，风机在高海拔地区的风量不变，风压下降。首先根据式(5)由实际风压计算得到风机样本风压，计算见式(11)。

(11)

根据风机风量和风机样本风压，对比风机样本特性曲线，选用三台K45-6NO20风机并联工作，每台风机需要达到的运行风量为299/3=99.7 m3/s。该型号风机风量范围在69.8～132.0 m3/s之间，风压范围在1 019～1 956 Pa之间，符合风量风压指标要求。风机风量99.7 m3/s和风机样本风压1 907 Pa，对应风机样本特性曲线的运行工况点如图3所示。