多风井通风动力联合运行分析及节能减排研究

崔素宾

(山西潞安环保能源开发股份有限公司 常村煤矿,山西 长治 046100)

文章对常村煤矿花垴风井投入使用后形成的六进四回的复杂的多风井联合通风系统进行研究与应用[1]。S5采区曲庄与西坡风井形成了双翼联合系统,对S5采区胶带下山、轨道下山形成的典型的角联系统稳定性进行研究;花垴村风井系统投入使用后,与王村风井系统形成相互影响最为密切的θ型网络结构联合通风系统,结合生产衔接计划,解决汇风点优化问题并确保470水平北翼大巷风流的稳定性[2]。花垴回风井投入使用后,矿井回风井达到4个,矿井通风能耗成为需要考虑的重要问题。结合通风网络分析,进行多风井通风动力与通风网络联合优化,实现多风井主要通风机联合高效运行,达到节能减排的目的[3-5]。

1 矿井通风系统概况

1.1 矿井概况

图1为常村煤矿全矿井通风系统简图,图2为常村煤矿各风井通风型网络,可以看出常村煤矿风井布置位置及通风供风情况。图3为常村煤矿近型系统结构简化仿真图,将全矿井通风系统供风情况进行了简化。表1为图3中主要巷道的风量及等效风阻。

表1 常村煤矿主要巷道风量及等效风阻

图1 常村煤矿全矿井通风系统简图

图2 常村煤矿各风井通风θ型网络

图3 常村煤矿近θ型系统结构简化仿真图

中央回风井阻力主要路线:主井底绕道—N520大巷—N翼联络巷—N1/N2材料巷—N1进风巷—N翼胶带巷—N3下部胶带延伸段—N3-13轨顺材料巷—N3-13胶顺—N3-15胶顺—N3下部回风巷延伸段—N3回风巷延伸段—N3回风巷—N翼回风巷—N总回风巷—北翼总回—中央风井。

以N3-15工作面为例,从中央风井到中央回风井的通风阻力累加图见图4,总阻力为2 643 Pa.

图4 主井到中央回风井的通风阻力累加图

西坡回风井阻力主要路线:西坡进风井井底—S520大巷—S5轨道下山—S5采区延伸轨道下山—S5延伸采区胶带下山—S5-22胶顺—S5-22轨顺—S5-22轨顺回风通道—S5延伸采区1号回风下山—S5采区2号回风下山—S5采区2号回风巷—西坡回风井。

以S5-22工作面为例,从西坡进风井到西坡回风井的通风阻力累加图见图5,总阻力为2 928 Pa.

图5 西坡进风井到西坡回风井的通风阻力累加图

王庄回风井阻力主要路线:王村副立井井底车场—470辅助运输巷—+470 m北翼辅助运输大巷—23采区轨道下山—2302胶顺—2302辅助回风巷—23采区2号回风下山—470北翼2号回风大巷联巷—470北翼2号回风巷—王村风井1号联巷—470北翼1号回风巷—王村回风井。

以2302工作面为例,从王村副井到王村回风井的通风阻力累加图见图6,总阻力为2 490 Pa.

图6 王村副立井到王村回风井的通风阻力累加图

花垴回风井阻力主要路线:花垴1号进风联巷—25采区轨道下山—27采区辅助运输联巷—27采区胶带巷—2702胶顺—2702胶顺回风通道—27采区回风巷—25采区1号回风下山—25采区2号回风下山—花垴1号回风联巷—花垴回风立井。

花垴回风井系统,没有回采工作面,主要是巷道开拓掘进。以2702胶顺为例,从花垴进风立井到花垴回风立井的通风阻力累加图见图7,总阻力为1 250 Pa.

图7 花垴进风井到花垴回风井的通风阻力累加图

1.2 花垴主要通风机投运分析

花垴回风井投运前后通风系统变化如图8、图9所示。

图8 花垴主要通风机投运前通风系统图

图9 花垴主要通风机投运后通风系统图

1.3 花垴风机节能减排分析

2021年花垴风机投运,2022年进行通风系统优化降阻,降阻后风量有所富余,产生能耗,因此需要通过变频调频的方法实现节能减排,如图10所示。

图10 花垴风机变频调控节能示意

通风机变频调速依据:变频调节技术的引入可以很好地优化风机风量的调节。变频调速技术操作简单,可靠性、有效性突出,只需适当调大或者调小变频器的频率就可调整电机的转速,风机风量随之改变,同时能够进行风速连续调节。

同一类型的风机在变频调节时,其风量Q、风压Hf、功率N与转速n之间存在以下比例定律:

(1)

(2)

(3)

式中:D1、D2为两台相似风机的叶轮外缘直径,m.

当同一台风机变频调节时,D1=D2,ρ1=ρ2.则风机风量Q与转速n成正比,风压Hf与n2成正比,功率N与转速n3成正比。因此,通过风机变频调节,可以直接改变风机风量、风压和功率,达到变频调风的目的。化简式(1)、(2)、(3)可得理论上的通风机定律:

(4)

从上式可得,若测定风机某频率下的风量Q、风压Hf、功率N,就可以计算出该风机任意频率下的风量Q、风压Hf、功率N,然后根据拉格朗日插值法,可以得到任意频率下风机的理论特性曲线方程。

花垴风机投运初期风机运行频率为35 Hz,对应工况点为M1,输出功率与H1M1Q1O围成的面积成正比。输出功率经计算为366.6 kW.2022年花垴系统阻力下降,风阻特性曲线由曲线1变化为风阻特性曲线曲线2,工况点将变为M1',此时风量有所富裕。为了实现节能减排,根据比例定律公式(4),当频率调节至34.1 Hz时,花垴主要通风机调节后回风量为255.14 m3/s,能够满足生产需要,负压为1 250 Pa,实际运行工况点变为M2,与H1M1Q1O围成的面积成正比,输出功率经计算为318.9 kW,可以达到节能要求。

2 全矿井通风动力与阻力匹配

2.1 通风动力与阻力匹配度

矿井主要通风机为风流提供了绝大部分的动力,为了研究通风动力与阻力匹配的状态,需要对风机的运行现状和基本参数进行测试,绘制风机风量、静压特性曲线,分别见图11、图12、图13、图14.

图11 中央回风立井主要通风机特性曲线

图12 西坡回风立井主要通风机特性曲线

图13 王村回风立井主要通风机特性曲线

图14 花垴回风立井主要通风机特性曲线

2.2 矿井通风动力与阻力匹配现状

如表2所示,各回风立井通风动力与通风阻力的匹配度分别为:中央风井79,西坡风井64,王村风井70,花垴风井35.由矿井通风动力与阻力匹配度计算公式可知,当前状况下常村煤矿中央回风井通风动力与通风阻力匹配度为优,西坡回风井以及王村回风井通风动力与通风阻力匹配度为良,花垴回风井通风动力与通风阻力匹配度为劣。从风机性能曲线图中可以看出,花垴回风立井风机性能留有非常高的调节富裕量,目前花垴风机的运行效率较低,导致花垴回风井的通风动力与通风阻力匹配度较低,随着25采区、27采区的延伸,用风地点将会增多,总回风量将会增加,通风阻力将会增大,后续应继续做出相应调整。

表2 常村煤矿各风井工况点数据

2.3 多风井通风动力联合高效运行研究

2.3.1 节能减排研究

花垴回风立井投运后,风井数目较多,通风管理难度较大,仅凭借经验对矿井的通风系统进行管理和调节,不仅无法达到满意的调风效果,而且不能保障经济性和技术性。为了保证矿井安全运转,亟需对通风系统进行优化。

在多进多回通风网络结构分析的基础上,对各用风地点的风量分布、矿井阻力分布进行合理调整,提出改造措施,实现多风井风机联合高效运行,达到节能减排的目的。

2.3.2 风机性能测试结果处理与分析

目前中央、西坡、王村和花垴4个回风立井的主要通风机的实际运行角度分别为0°,-10°,-5°,-10°,西坡主要通风机经调节,负压相比之前有明显下降,但应注意西坡主要通风机风量为19 189 m3/min,小于20 000 m3/min,但负压已经接近2 940 Pa的阈值,后期进行通风系统调整时,应注意符合煤矿安全规程规定。对这4个风机叶片安装角度各自进行一定范围增大后,这几个通风机仍然能够正常运行。

2.3.3 节能减排研究结果分析

2021年花垴风井投运后,常村煤矿形成了六进四回的多风井联合通风系统,各回风井配置的通风动力可以符合生产要求,具体动力配置如表3所示,经优化后,目前各回风井配置的通风动力配置如表4所示。

表3 2021年各回风井主通风机参数

表4 2022年各回风井主通风机参数

花垴风井在改造前后风机效率均较低。2021年风机效率为27.20%,2022年风机效率为27.21%.这是因为花垴风井刚投运不久,25采区、27采区采面还没有形成,大多巷道均处于掘进过程当中,风机克服阻力较小。之后25采区、27采区系统逐渐复杂后,效率才会提高。现阶段,为了避免“大马拉小车” 现象, 可以考虑在风道、弯头增加导叶,减小气流损失,达到节能的目的。

通过分析,2021年中央主通风机和王村主通风机的输入功率分别为1 954.01 kW和2 276.88 kW,而2022年中央主通风机和王村主通风机的输入功率分别为1 924.99 kW和2 121.28 kW.可以看出,功率变化较小,中央主通风机和王村主通风机运行稳定。西坡主通风机的负压由2021年的3 209 Pa下降到2022年的2 928 Pa,效率提高0.31%,实现了降阻增效,电流由249 A下调到203 A,功率降低409.99 kW,经济效益明显。花垴主通风机2021年的风量、负压分别为14 101 m3/min和1 560 Pa,2022年通过调节通风设施,风量负压分别为15 308 m3/min和1 250 Pa,功率由1 347.95 kW下降到1 172.25 kW,实现了降阻增效,功率明显下降,经济效益明显。

2021年常村煤矿4个主通风机的总功率为7 752.50 kW,2022年总功率为6 982.17 kW,减少了770.32 kW.主通风机用电按照0.637 6元/kW·h计算,每年通风可节约电费430.25万元。