煤矿主要通风机性能测试数据偏差问题分析

李建光

(中国煤炭科工集团 北京华宇工程有限公司，北京 100120)

由于通风机的制造与安装质量，以及增加外扩散器、弯道、消声器、工作磨损、锈蚀等原因，煤矿主要通风机的实际运转特性与通风机厂提供的性能曲线(大型通风机是模拟试验曲线)有一定偏差[1]。因此，《煤炭安全规程》第158条规定：新安装的主要通风机投入使用前，必须进行试运转和通风机性能测定，以后每5年至少进行1次性能测定[2]。显然，测试的主要目的有两个：①对新安装的通风机进行质量评价；②对在用通风机，及时掌握其实际工况，保证设备安全平稳运行。不论什么目的，试验数据和出厂数据的偏差分析都是关键工作。

主要通风机的性能测试方法，从早期基础理论的奠基人黄元平的大量著作，如《矿井通风阻力及其测量》[3]等，发展到今天，在不同现场条件下的多种应用，如不停风条件下的测试方法[4]等，已经日趋成熟。因此，文章开始部分，作者仅对目前两种主流的测试方法进行简介，作为下一步论述的基础。

设备制造、安装以及运行磨损造成的偏差，是不可避免的，这类偏差不在本文研究范围内。近年来，作者在工程实践中，发现3种常见偏差，是人为原因导致的：①误读井巷通风阻力；②混淆装置静压和通风机静压、装置全压和通风机全压的概念；③衍生的效率偏差。为了避免类似现象的发生，笔者将站在前人研究的成果上，理论结合实际，重点分析解决上述3个问题。

1 通风机两种主流测试方法简介

通风机在网络中工作示意如图1所示，对于抽出式通风系统，断面0为进风井口，断面1为通风机入口水平风道，即负压段的终点，断面2为通风机叶轮出口，即正压段的起点，断面3为通风机扩散器出口。为分析问题简单明了，假设进风和回风井口高差为0，即不考虑自然风压的影响。

图1 通风机在网路中工作示意图

目前，煤矿通风机性能测试主要采用两种方法，区别在于原理不同，流量和压力取源部件安装位置不同。下面介绍两种方法及各自存在的问题。

1.1 风速传感器测量流量，皮托管读取压力法

1.1.1 方法概述

在风道水平直线段某处设置测风断面，将断面划分为若干等面积矩形，如图2所示，矩形正中设置风速传感器测量风速，通过风速实测数据和矩形面积推算出流量[5]。如图1所示，在断面1，也就是风机入口前预埋压力取源部件，通过管路、皮托管与压力计相连，读取压力计测量结果推算出通风机装置压力。

图2 风速传感器布置示意图

1.1.2 存在问题

《工业通风机现场性能试验》《煤矿用主要通风机现场性能参数测定方法》《煤矿主要通风机站设计规范》对取源部件安装位置均有规定[7-9]。通常要求安装在一段平直，没有涡流的长风道上。风量越大，风道占地面积越大，许多煤矿，尤其是老矿井改造，或者地形复杂且瓦斯浓度高的新矿井，场地布置很难满足规范要求。随着优质煤炭资源的逐步减少，这一矛盾会越来越突出。实践中，如不满足规范只能将取源部件安装在通风机旁边，甚至机身上。

1.2 通风机本体两断面静压差计算流量法

方法概述：通风机测风示意如图3所示，利用通风机机壳上，两个相邻断面1和1’自带的在线监测用压力取源部件采集压力数据，并根据压力来解算流量[6]，压力取源部件安装位置同方法1。

图3 通风机测风示意图

由伯努利方程可知，两个相邻断面1和1′存在如下关系：

式中，P静1、P静1′分别为1、1′两断面的绝对静压，Pa；P为断面的空气密度，kg/m3；V为断面的平均风速，m/s；Δh1-1′为断面1和1′之间的通风阻力，Pa。

式(1)中，流动损失可忽略时，两断面的绝对全压相等，并且断面上的静压和动压可以相互转化。风速大的断面其静压降低，反之，风速小的断面静压增大。

根据这一原理，将断面1选在风机入口集流器附近，断面1′选在风机叶轮前集流罩出口的环行空间上，因1和1′两断面面积不同，从而产生静压差，忽略两断面间微小的流动损失Δh1-1′，由式(1)知，通风机的风量为：

式中，Q为主通风机的风量，m3/s；S1、S1′分别为1、1′两断面的面积，m2。

若考虑两断面间的流动损失风流，则计算风量为：

式中，σ为热功耗系数，可取0.95～0.98。

存在问题：该测试方法，原理上可行，在进口及国产中大型风机上也已经普遍采用，而且克服了方法1对于场地的限制，节省了土地、土建投资。唯一的问题是与现行规范产生了矛盾，笔者倾向推广使用方法2，但受篇幅的限制，其合理性将另做文章探讨。下面分析井巷通风阻力等于通风机入口相对静压，还是相对全压。

2 通风机入口相对静压、相对全压与井巷通风阻力的关系

采用抽出式通风的矿井，假设断面0和1之间不设其他通风设备，根据伯努利方程式，两断面之间的压力关系为：

式中，P静0为断面0的绝对静压，Pa；Δh0-1为断面0和1之间的通风阻力，Pa。

风流自地表大气(风速为0)开始流动，从进风井口进入井筒，会产生突然收缩的局部阻力损失，记为Δh0，所以，断面0的压力之间存在以下关系：

式中，P全0为断面0的绝对全压，Pa；P大气为大气压力，Pa；Δh0为断面0局部阻力损失，Pa。

而根据井巷通风阻力和抽出式通风系统相对静压、相对全压的定义：

h矿阻=Δh0+Δh0-1

(6)

h静1=P大气-P静1

(7)

式中，h矿阻为井巷通风阻力，Pa；h静1为断面1的相对静压，Pa；h全1为断面1的相对全压，Pa。

将式(5)—(8)代入式(4)，整理得到：

h矿阻=h全1

(9)

显然，井巷通风阻力等于通风机入口的相对全压，而不是相对静压[10]。实践中，不少测试报告把相对静压读数作为井巷通风阻力，这是错误的。抽出式通风系统，相对全压数值较小，相对静压数值较大，特别是风机入口断面较小时，其数值相差很大。此结论也应该引起设计单位和厂家选型工程师的注意，防止因为概念错误造成选型失误。

明确了井巷通风阻力如何读数后，就可以从通风阻力的角度，着手解释装置静压和通风机静压，装置全压和通风机全压有什么区别。

3 装置风压与通风机风压的区别

式(12)表明，通风机静压等于风机入口相对全压与通风机内部各项阻力之和；式(13)表明，通风机全压等于风机入口相对全压与通风机内部各项阻力以及叶轮出口动压之和。式(10)和式(12)对比，装置静压比通风机静压多了弯道、扩散器和消音器阻力损失。式(11)和式(13)对比，除了弯道、扩散器和消音器的阻力损失外，装置全压和通风机全压中，静压和动压所占比例不同。出于回收有效压力的需要，式(11)中，装置静压数值大，而动压数值小。式(13)中，通风机静压数值小，而动压数值大。下面的实例可以体现差值的大小。

某矿通风机叶轮出口直径为∅3.238m，即断面1的面积为8.23m2，而混凝土扩散塔出口直径为∅6.12m，断面3的面积达到了29.42m2，两者相差3.57倍，导致同样的风量下，风速相差3.57倍，而动压损失和风速之间是平方关系，因此，动压数值相差12.74倍。

显然，全压更能稳定的、准确的反映性能好坏，站在使用者的角度，装置全压贴近实际。因此，建议有条件的情况下，第三方检测机构应当测试装置全压，对整个系统性能进行评价。

《煤矿用主要通风机现场性能参数测定方法》[8]明确，对于抽出式通风，全压应该计算到扩散器出口，也就是说，规范要求的测试对象是装置。而设备出厂性能针对的是通风机本身，两者界定的范围不同，不能直接对比，否则将出现严重偏差。原因是：①通风机全压曲线，以叶轮出口2为绘制基础，没有按扩散器出口3进行修正；②通风机全压，没有考虑弯道、扩散器和消音器的阻力损失。

装置全压，目前没有用于实际计算的普遍公式，主要原因是，通风机内部阻力Δh1-2难于找出普遍公式来计算[10]。所以，无法对上述偏差的大小做定量分析，但是，使用现场装置数据和出厂数据进行对比，这种做法不合理。

为了消除通风机内部阻力Δh1-2对各项工作带来的困扰，我国煤矿行业，在实际全压中扣除通风机内部阻力，并在此基础上对装置全压、装置静压和通风机全压、通风机静压进行了重新定义，即：

在概念重新定义的情况下，现场试验数据和出厂数据进行定量分析具备了可操作性。也因此，为下一步分析衍生的效率偏差，奠定了基础。

4 数据误读产生的效率偏差

效率计算的基本公式为：

式中，kρ为空气密度换算系数；Pr为通风机输入功率，kW。

依次将式(14)、(15)、(16)、(17)代入(18)，整理得出对应的效率计算公式。

式中：η装置静压为装置静压效率；η装置全压为装置全压效率；η静压为通风机静压效率；η全压为通风机全压效率。

日常工作中，效率偏差，通常以2种形式出现。

第1种是概念性的，无所谓对错，即试验报告到底应该使用装置静压效率，还是通风机静压效率。式(19)较式(21)，增加了弯道、扩散器和消音器的阻力损失，装置静压效率比通风机静压效率高，这也是试验报告效率与厂家效率相差较大的一个主要原因。关于这点，上文已经有所论述，从用户实际使用角度，使用装置效率更为准确和合理。

在通风机没有选定以前，可以根据经验，对弯道、扩散器和消音器的阻力损失进行预估。《煤矿主要通风机站设计规范》[9]，就有相应的方法。而通风机一旦确定下来，弯道、扩散器和消音器的阻力损失是能够通过公式精确计算的，所以，采用装置静压效率，在操作性上可行。建议在工程实践中采用装置静压效率这个观点，建议在规范中加以明确。

第2种效率偏差是人为错误导致的，屡有发生，现场许多测试报告中，静压效率的计算式为：

显然，一些测试人员误认为用风机入口1的相对静压计算出来的效率就是通风机静压效率，实际上，应当使用相对全压。由此带来的偏差大小，通过下面的实例加以体现。某矿FBCDZ No31通风机的现场测试结果见表1。

表1 某矿FBCDZ No31通风机的现场测试结果

由表1可以看出，实测通风机静压效率与按错误方法计算的数值相差巨大，误差范围为5.4%～49.5%。

5 结论与建议

5.1 结论

人为错误导致的数据偏差，在实际工作中，通常可能带来两种不利后果：①用错误的数据来进行设备选型，造成选型不合理，影响通风能力；②试验报告不准确，通风机没有得到真实的评价。第1种情况，如果偏差严重，将是对工程彻底的否定，会造成大量经济损失。综上，文章最重要结论是：要将风机入口与扩散器出口之间的设备定义为风机装置，这是进行所有相关工作的前提之一。

5.2 建议

1)不论是前期选型，还是后期实施，设计单位都要向制造厂家提供准确的信息，比如明确井巷通风阻力是风机入口的相对全压等。

2)制造厂家，要根据工程实际情况，对出厂曲线进行修正，比如提供全压曲线而不是静压曲线，要折算到扩散器出口，也就是提供装置全压曲线。

3)风机选型时，选型工程师要搞清楚性能曲线绘制的前提条件，保证在正确的曲线上开展工作，否则选型几乎不可能正确，尤其对于大型风机。采用长轴+混凝土扩散塔的风机，更要谨慎。如果缺乏资料，前期可以在装置静压曲线上进行初步的选型工作。

4)对于第三方检测机构，应当明确概念，加强数据对比分析，一旦发现异常，应当实事求，进行客观评价。