矿井主通风机系统运行稳定性研究

杨明瑞

（晋能控股煤业集团忻州窑矿， 山西 大同 037021）

引言

煤矿的安全生产需要连续、可靠、稳定的通风，这就要求煤矿主通风机始终保持稳定可靠的持续运转状态，以保证井道的通风量。然而矿井环境错综复杂，主通风机的工作环境伴有大量浑浊污恶的气流，并且工作电压较大，以至于出现故障的概率较大；同时在倒机停机过程中，通风机会频繁发生启动失常，以及备用风机启动存在不确定性等，上述情况都不能确保通风系统的平稳运行[1-4]。因此本文设计了一种新型通风系统模型，其分别从主通风机辅助通风系统失稳控制和主通风机运行异常通风失稳防范两个方向切入，建立了矿井主通风系统平稳运行的维护方案，同时确定了通风失稳的控制总目标，获得了影响工况点的参数响应。同时，以此模型为基础，系统地讨论了调节风量的自动控制方法，进而得到控制通风机系统稳定性的调节策略，从而实现对矿井主通风机系统的稳定控制。

1 主通风机通风失稳控制目标

煤矿通风系统主要由机械动力系统和三个通风区段组成。通风系统的三个区段依次为进风区、用风区和回风区。假设Q1、Q2、Q3分别为三个区段的风量，H 为负压，R1、R2、R3分别为三个区段的风阻，基于矿井总阻力的优化分配比例，规定进风区阻力占总阻力的1/4，用风区占比9/20，回风区占比3/10。忽略局部通风机的动力不计，风压平衡方程如下：

由式（1）可以看出，主通风机的通风和动力与系统的通风量紧密相连，当改变通风机工况时，通风机的动力随之变化，进而直接影响到系统通风量。

由于大型旋转机械工作时能耗较大，因此矿井中需要确保通风机连续工作运转，进而保证整个系统平稳运行，但是机构零件不能确保一直处于健康运行状态，经常会发生故障，所以对一台风机而言，通风机发生失稳是不可避免的。然而，煤矿风机房的常见配置方式是安置两台型号相同的主通风机，一台主运行，另一台保备用，当运行风机发生故障时，备用风机启动，保证系统平稳通风。通风机辅助通风系统包括风门和两台通风机，将其组合成一个整体作为研究对象开展研究，虽然通风机的故障不可避免，但对于整体系统，可以利用控制方法来保证局部通风系统的稳定性。

2 通风机辅助通风失稳控制对象模型

将两台通风机列向布置对齐，同时分别在各自的风道通道内设置立风门；当风机启动运转时，所对应的立风门开启，同时备用风机配备的立风门关闭，若违背上述操作，则会使风路出现短路，以及减小井下的有效抽风量。改造升级的主通风机辅助通风系统，如图1 所示。

图1 改造升级的主通风机辅助通风系统

为了方便实施控制，构建“通风机辅助通风系统”的控制对象模型。在原系统的基础上，添设了水平风门，且备用通风机可借助水平风门随时启动。此外，当大气与水平风门连为一体时，电机将调整到全开模式，此时风阻值约等于零。备用风机能够平稳轻载启动，这样就提升了电机安全平稳启动的概率，进而克服了主通风机启动故障等困难。

3 通风机辅助通风系统等效变位风机性能研究

3.1 风井入口等效变位通风机研究

假设矿井总风阻为R0，通风机的两个风道中水平调节风门的风阻分别为R1s和R2s，风量为Q1s、Q2s，立风门的风阻分别为R1c、R2c，如图2 所示。

图2 通风机辅助通风系统及各部分风阻示意图

分析时简化图2，将示意图变换成通风网络模型，如图3-1 所示。设水平风门风阻-风量方程分别为：

由于R1s和R2s分别为通风机Ⅰ与通风机Ⅱ映射通风系统的地面漏风风阻值，因此可解算通风机Ⅰ与R1s，将其等效成通风机Ⅰ'，R1s的函数对应等效变位风机的性能曲线，则等效通风机Ⅰ'和Ⅱ'特性曲线方程为：

式（3）中，aⅠ'1、aⅠ'2、aⅠ'3、aⅡ'1、aⅡ'2、aⅡ'3为曲线方程系数在相同风量下，立风门的风阻与等效风机产生的风压成反比关系，前者越小后者越大。进而解算之后的风网模型，如图3-2 所示。

由于等效通风机Ⅰ″和Ⅱ″为并联式工作，基于解算规则可知，两等效通风机风量之和等效变位通风机Ⅲ的风量，两风量方向叠加可得到后者的特性曲线；风量的负压表达式如下：

式中：bⅠ"1、bⅠ"2、bⅠ"3、bⅡ"1、bⅡ"2、bⅡ"3为曲线方程系数。

3.2 等效变位通风机工况点模型

假设总风阻为R0，可表示为：R0=R1+R2+R3，如图3-3 所示，即可得到等效变位通风机Ⅲ的工作点（Q0，H0），所以风道的有效总通风量的数学模型为：

图3 通风机辅助等效风网简化模型图

式中：Q0为通风机并联运行时从井下吸上的有效通风风量；H0为通风机辅助通风系统的负压。

由式（5）可知，Q0是QⅠ、QⅡ、R1s、R1c、R2s、R2c和R0的函数。

4 通风系统风量调节方法对比分析

常见的风量调节方法包括风门调节和变速调节，在这里对比通风机在两种方法下的节能效应（图4）。假设通风机初始工况点为A，A-H1-O-Q1所围成的面积代表A 点处的轴功率；当风量与负压近似成反比例变化时，即Q1递减为Q2、H1升至H2时，若选用风门调节法，矿井通风网络响应曲线将由曲线1变为2，而通风机的工作点由点A 运行至点B，B-H2-O-Q2围成的面积表示轴功率P2；若采用变速调控时，通风机转速由n1递减到n2，得到通风机特性曲线2，O-H3-C-Q2所围成的面积代表工况点C的轴功率。

图4 主通风机各工况下风量调节对比分析

对比两种方法可发现，风门消耗的无益功率为H2-H3-C-B 所围成的面积，面积占比较大，表示所产生的无益功率对风机（特别是在长时间运行下时间越长损耗越大）产生较大的损耗，这与风机的节能目的（减少无用损耗）相背驰；当确保Q2、H3取值，采用变频调节可减少风门产生的无用损耗，从而完成节能目标。总的来说，变频调节比风门调节节能效率高40%～50%，从而可实现节电效应，如果仅对风量作临时性调整，则风门调节更加快速有效。

5 结论

本文制定了通风机通风失稳控制的总体目标，改进了通风系统的布置形式，在此基础上开展了如下工作，并得到了相应的结论，具体内容如下：

1）从系统角度出发制定了便于实施控制的“通风机辅助通风系统”的升级策略。

2）构建了通风机辅助通风系统模型，在此基础上基于风机等效变位理论，将模型中两台独立的风机和风门、风路的组合等效成一台位于风井出口的变位通风机，进一步解算了此等效数学模型，分析了影响通风机辅助通风系统有效通风量的工况参数。

3）发现变速调节比风门调节节能效率高40%～50%，节能效果明显，因此可以作为通风机辅助通风系统风量平稳调节的方法。本文的研究结论能为矿井主通风机稳定可靠运行提供新的思路和参考方法。