第22卷第3期 2014年6月 安徽建筑工业学院学报(自然科学版) Journal of Anhui Institute of Architecture&Industry Vo1.22 No.3 力Jun.2014 矿井主要通风机性能测定技术探讨 姚尚文, 卢 平 (安徽建筑大学土木工程学院,安徽合肥230601) 摘要:本文以主要通风机的运行特性和矿井风阻的合理匹配为基础,叙述主要通风机节能的重要性,分析 其性能测试的影响因素,选择合理的测风断面、工况调节和合理的测点布置,采用静压差法、动压差法测定主 通风机运行状态的三大特性曲线,实现矿井主要通风机性能的精确测定,为矿井主要通风机的工况调节、节 能降耗提供必要的参考依据。 关键词:主通风机;性能测试;静压差;动压 中图分类号:TD725 文献标识码:A 文章编号:1006-4540(2014)03—069—06 的Discussion Techniques on Performance Test of Main Fan for Mine YAO Shang—wen.LU Ping (civil Engln eering School of Anhui Jianzhu University,Hefei,230601,China) Abstract:Based on the reasonable matching for the running characteristics of main fan and wind resist— ance of mines,it was described the importance of the main fan energy saving,analyzed the influence factors of the performance test,selected reasonable of the wind section and conditional regulating or monitoring--point arrangement.The main fan operation state of the three characteristic was curved by applied the method of static--pressure difference and dynamic--pressure differentia1.The realize ac- curate determination of the mine main fan performance was also determined.It should be provided the necessary reference basis for the conditional regulating and saving energy and reducing consumption of the mine main fan. Key words:main fan;Performance test;Static pressure difference;Dynamic pressure 矿井主要通风机是矿井通风的主要通风动 ~40 ,少数矿井甚至高达50 。全国统配煤矿 具有矿井的“肺脏”功能,保证了井下人员 体健康和矿井安全生产,是不可缺少的重要 ,平均主通风机电耗约占全矿电耗的2O 左右,有 的甚至达3O 以上。同时,《煤矿安全规程》第 121条规定,新安装的主要通风机投入使用前,必 须进行一次通风机性能测定和试运转工作,以后 每五年至少进行一次性能测定。因此,研究主要 通风机的性能测定技术方法,实现其性能的准确 备。当前,我国矿山使用的通风机数量多,运行效 低,又是矿井生产过程中耗能大户、浪费较严重 设备。据统计,全国矿用通风机的数量达数万 台,功率从几十千瓦至几百千瓦,最大的达到数千 千瓦;实际使用中,其运行效率只有少数达到 7o ,通常为50 左右,还有一部分仅为30 甚 至更低;矿井通风消耗电能占全矿总能耗的30 收稿日期:2014—03—27 测定,提高其运行效率,达到节能降耗和改善矿井 经济指标,实现矿井安全生产都具有重要的现实 和长远意义,并能取得良好的经济效益。 作者简介:姚尚文(197O一),男,硕士,主要从事安全工程专业教学与科研工作。 70 安徽建筑_T-,_lk学院学报(自然科学版) 第22卷 1主通风机性能测试主要影响因素 分析 影响主要通风机性能测定的因素很多,不仅 与通风机自身及其附属装置有关,还与测点布置、 断面的选择、通风系统、风硐布置、工矿调节、生产 线与测试调节门距离风机入风口距离5m时波动 最小值所测的曲线、波动最大值所测的曲线对比。 显然,测试调节门距离风机入风口距离近时使得 测试误差是较大的。根据经验,距离越近误差越 大,主要是风流流动到风机入风口处产生涡流,测 试时的静压和风量波动范围较大,误差一般在 管理等多种因素相关D-s]。 1.1风硐的布置结构 主要通风机性能测定要具备其独立的测试系 统即:主要通风机、风硐、调节控制闸门和测试调 节门构成性能测试系统。风硐是主要通风机装置 的重要组成部分,其结构设计的合理与否,对主要 通风机性能测定有较大影响。 (1)在风硐内没有设置测试调节门,若新安 装的主要通风机,与井下系统还没有联网,可利用 待测的主通风机或利用风硐敞开的口作为测试调 节门进行风阻调节,利用待测风机前的控制闸门 调节,将影响待测风机的质量;一旦主通风机与井 下系统联网,在矿井正常生产期间无法进行测定 工作,否则将影响矿井的安全生产,只有在矿井停 产检修期问进行测试,利用控制井下的进回风巷 道的断面积来改变风阻,这样增大了测试工作的 难度和准确性,耗费大量的人力、物力和时间,且 井下工况调节时不利于与地面测试人员的沟通联 系,测试安全系数降低;同时,矿井工况点以上的 大风量工况无法测定,另外,主要通风机性能测定 的时间也受到一定的限制。 (2)在风硐内设置了测试调节门,但测试调 节门面积小,满足不了测试精度的要求。一般来 说,主通风机的能力大,风机直径大,要求其测试 调节门的进风面积也要大,这样要求在风机安装 时留设的测试调节门应与主通风机的能力相匹 配。如某GAF风机直径为3.12m,配备电机 2400kw,如若测试调节门进风面积为9m。时,其 风阻为R (如图1所示),这样就不能完整的测试 这台风机的性能曲线,如果将调节门进风面积扩 大为18m。时,其风阻为R 可完整测试风机各 角度的性能曲线。 (3)在风硐内设置了测试调节门,但测试调 节门离风机入风口距离较近,影响测试的精度和 准确性。如图2所示。图中为测试调节门距离风 机人风口距离20m时实测的风量一风压性能曲 2O 左右,一般要求测试调节门距离风机人风口距 离在20m以上为宜,当然距离越远,风流流动到风 机越稳定,测试越精确。风硐结构不合理和调节测 试门距离风机入口近,是造成风机入口风流不稳 定,影响测定精度和准确性的主要影响因素。 I Ij } 3 、 1 25‘ / 月I 、 1 ___ , 2 __ _ | / 1 } \ 执 | / 1广 。j> / __ —— /一一 /J —j—叶, 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 风机风量fm /s1 风 L风量(m /s) 图2某风机实际曲线与入风口不同距离所测曲线对比 1.2工况调节 矿井主要通风机性能测定在实际操作中分为 停产和不停产测定两种情况。其中不停产测定(风 硐无调节测试门)通常是将反风进风门置于反风状 态作为被测风机的入风口,并在人风口处或进风百 叶窗处用木板或风筒布等调节工况,或是直接用反 风控制闸门控制风量进行工况调节。由于从反风 门处进风,入风段的风道往往较短且转弯较急,在 入风段很难找到风流稳定的断面,从而导致测定时 产生较大误差。与不停产测定相比,停产测定的工 第3期 姚尚文,等:矿井主要通风机性能测定技术探讨 71 况调节一是风硐有调节测试门,如前所述,二无调 入风口迎向气流方向并与气流方向平行。 节测试门时,大多在矿井总回风巷内用木板控制通 口 风断面的大小来改变工况点进行调节,或在防爆门 处进行调节,入风段的通风线路一般较长,而风流 的流动有一定的滞后性,工矿调节后,5~10min风 子ll 十 錾I 流才能稳定,线路越长,需要时间越多,且风流流动 辛一d L 产生的动压方向与风道轴线平行,因此,用风速传 感器或动压差法测定时,造成误差较大是在所难 图3测定断面位置布置示意图 免。同时,在利用井下通风系统作为风机性能测定 工况调节时,工况点位置决定风机性能测定的完整 (2)测定测点的布置。根据流体力学知,气 流速度在风道上的分布是不均匀的,导致压力分 性至关重要,它决定风机的实际运行效率,并反映 主通风机与风网的匹配性。而且无法准确测定主 布也是不均匀的,因此,必须在同一断面上多点测 通风机大风量时的性能曲线。 量,然后求出该断面的平均值。对于矩形风道,可 将测定断面划分成若干等面积的小矩形,测定布 1.3测定断面与测点的布置 置在每个小矩形的中心,划分原则如表1所示,测 (1)测定断面的选择。主要通风机风量的测 定布置如图4(a)所示。对于圆形风道,在同一断 定,目前都是通过测定压力,再换算求得。要得到 面设置两个彼此垂直的测孔,并将测定断面分成 主要通风机的真实静压值,除了正确使用测压仪器 一定数量的等面积同心环,同心环数按表1确定, 外,合理选择测定断面,减少气流扰动对测定结果 测定布置如图4(b)所示。同心环上各测点距风 的影响非常重要。测定断面因选择在气流平稳的 道壁的距离按下式计算: 直管段上,测定断面若设在弯道、三通等异形结构 前面时(相对气流运动方向),距这些结构的距离大 z,一 ±D√ (Xf> 时,取“+”, 于2倍测定断面的当量直径;设在这些结构的后面 时,应大于4~5倍断面的当量直径。如图3所示。 当zr< 时,取“一”) (1) 现场条件许可时,离这些结构距离越远,气流越平 式中:D——圆形风道的直径,m; ——从风道中 稳,测定精度越高。如采用动压法测定时发现任何 心算起的同心环顺序号;f——垂直或水平方向 一个测点出现零值或负值,表明气流不稳定,有涡 上测点数(厂一1,2,…2n); ——风道断面上划 流,该断面不易作为测定断面,且要求测定仪器的 分的同心环数量。 表1风道测定断面划分块与测点布置数表 (a)矩形断面测点布置(b】圆形断面测点布置(2环) 图4测定断面上的测点布置示意图 72 安徽建筑工业学院学报(自然科学版) 第22卷 2矿井主通风机性能测定技术方法 主要通风机性能测定,即测试风机装置的风 量一静压(Q—H)、风量一电机输出功率(Q—P) 和风量一装置综合效率(Q一叼)三大性能曲线。测 定风机每一个叶片安装角度条件下各工况点的主 要参数有:①主要通风机的风量;②主要通风机 装置静压;③电动机的输入功率、输出功率、风机 的转速;④大气参数(P,t,fD, );⑤风机的运行 效率及功率因素;⑥风机的噪音和基础振动情 况。主要测定技术方法有:风速测定法;动压差法 和静压差法。 2.1风速测定法 (1)风速法测定原理及安装。根据流体力 学,风硐中流动的风流是连续不断的介质,充满它 所流经的空间。根据质量守恒定律:对于稳定流, 流入某空间的流体质量必然等于流出其的流体质 量。风流在风道中的流动可以看作是稳定流,当 空气作定常流动时(即在流动过程中不漏风又无 补给),则两个过流断面的空气质量流量相等,满 足空气流动的连续性方程,它适用于可压缩和不 可压缩流体。在两个断面距离较近时,空气密度 相同,则空气体积流量也相等。即: Q— 1・sl一722・s2 (2) 风速法测定即用风速传感器测定风道内的平 均风速,再根据公式(2)计算风量。所用风速传感 器多采用卡门涡街效应传感器,该测定系统由硬 件和软件两部分组成。在软件处理上采用了将当 前工作状态下的实际性能曲线数据输入计算机, 在屏幕上处理成一组性能曲线图,并列表显示各 项技术参数。硬件部分为风速传感器和数据采集 电路电源和计算机等组成,软件部分包括系统支 持软件和数据采集和打印绘图等应用程序。安装 时(以3×3安装布置如图5所示),风表应与接线 盒对号入座,以方便检查和更换。如风硐中淋水 或泥水较大,需采取适当的防水措施,以防接线盒 浸水。 (2)适用条件。用风速传感器测风具有直 观、方便、不需复杂计算等许多优点,但是,风速传 感器对风速的反应在二维空间中不具方向性,测 风断面上风流的方向不具有单向性,这一特点是 导致用风速传感器测风产生较大误差的直接原 因,而风速传感器在侧向甚至反向风流作用下产 生的转动也被计为正向风速,使测量结果偏大,测 定断面处风速越大,误差越大。同时,风道中的潮 气、细小粉尘等都会影响风速传感器的测量精度。 因此,用风速传感器测量风量,尽量采用停产时测 定,同时,必须找到一个风流相对稳定的测风断 面,且空气湿度较小,风道通风风量又相对小的情 况(一般风量以lOOm。/s以下为宜)。否则难以 保证测定结果的可信度。 . ------ 风 暑 图5风速传感器安装示意图 2.2动压法测定 动压法测定即皮托管测量风量法。将皮托管 安装在测风断面某一测点处,然后用胶皮管分别 连接皮托管全压管、静压管到倾斜微压计上,测出 该测点的动压。用皮托管测得的动压与测点处风 量、测风断面面积的关系为: Q== … |V P (3) 式中:h ——测风断面的平均动压,Pa;志——动压 损失系数,一般取0.98; 空气密度,kg/m。。 用皮托管测量风量分为单皮托管逐点测量和 多皮托管同时测量两种方法,单管逐点测量时,每 个工况都要根据预先定好的测点位置逐一测量, 逐点计算风量,用多次测量的风量平均值作为该 工况点的风量值,具有测定时间周期长,计算工作 量大等不足之处,且要求皮托管安装时风流人口 管嘴必须与风流方向平行;而多点同时测量,则又 必须每只皮托管配备一只压差计或差压传感器同 时进行测量读数,既增加了装备投人,也增加了安 装和测量工作量。将多只皮托管并联在一起接到 一只压差计或差压传感器上进行测量,实践证明, 第3期 姚尚文,等:矿井主要通风机性能测定技术探讨 73 将使读数明显偏大,测量结果失真。其次,在一定 标高和风速;P2、|02、h2、 z——断面Sz处的静压、 的风速范围内,用皮托管测得的动压其绝对值远 密度、标高、和风速; ,——断面Sz处的局部阻力 小于用静压差法测得的压差值,假定压差计或差 损失。 压传感器的测量误差是一定值,其结果必导致动 压测量结果的相对误差增大,当风速较低时这种 误差更为严重。因此,用动压法测量适用于风速 较大、测风断面较小、风流稳定以及入风口与测风 断面距离较长的情况。 2.3静压差测定 根据流体力学理论,流体在通过变径管道时, 其各种能量的转化及大小与流体流量和变径管的 图6 GAF型风机机构及静压差法测定安装示惹图 几何尺寸存在着相应的关系。当流体从大断面一 由于两断面相距很近,且位于同一标高时,则 端流向小断面一端时,静压能将有大变小,而动压 有:l01一p2一p,hl—h2,又△ 。===P1一P2,'U1一Q/ 能则由小变大。满足不可压缩黏性流体总流的伯 S , 一Q/S ,代入公式(4)中并化简得: 努利方程,不可压缩黏性流体总流的伯努利方程 厂— — Q .S1.sz‘√ ) 适用于在重力作用下,不可压缩黏性流体定常流 动任意二缓变流截面而且不必顾及该二缓变流之 式中:△ ——I、II断面的静压差,Pa;Q__风机 间有无急流存在。为了便于研究,将通风机内的 风量,m。/s;S1、S2——I、II断面的面积,rn。; 气体作为不可压缩黏性流体。基于这一原理,通 空气密度,kg/m。;a——阻力损失系数,一 过风机整流环外壳两端的静压管口分别引出两路 般取0.98。 压力至差压传感器输入端,风机静压测定时,测试 用静压差测定时,需注意:在风道中找到两 风机的工况调节断面距测试风机人口前平直段距 个相距不远、断面面积相差较大(至少相差 离较长,风流相对稳定,静压、动压相对稳定。因 5O )且风流较稳定的引压断面i其静压出口如 此确定在风机入口内、一级动轮之前的圆形I—I 图6所示从风道壁上引出,如不具备条件时,也 过流断面或在环形集流器的Ⅱ一Ⅱ过流断面上布 可在该断面上安装1~2只皮托管来取静压。 置静压传感器,测定该断面处风流的相对静压,利 要注意皮托管的安装位置及方向,避免引进速 用I—I、Ⅱ一Ⅱ断面面积的变化,测量I—I、Ⅱ一 压,造成测量误差,为此应采取适当措施或将引 Ⅱ断面的静压差,直径3.12m的GAF型风机结 压口尽量贴近风硐壁;确保测压管路无漏气、无 构及静压差法测定布置如图6所示。由于两个断 堵塞,测定时要防止人员踩踏胶管。风硐中的 面的间距小,阻力损失小,根据流体力学理论,列 胶管要作妥善固定,不能悬在风流中任其摆动, 出S 和S。断面上的伯努利方程: 引出时要防止被挤压。 用静压差测定时,具有准备工作简单,节约风 1 1 P1+』D1g矗1+吉l厶 D1 }一P2+lD2 2+吉』D2 l+h 速传感器、皮托管安装支架,安装工作量小,测定 (4) 数据较为稳定、准确等优点。下表2为风速传感 式中:P 、p 、h 、 ——断面S 处的静压、密度、 器测定法、动压法和静压差法测定情况对比。 表2主要通风机性能测定各种方法测定对比 74 安徽建筑:r-._lk学院学报(自然科学版) 第22卷 3结束语 矿井主要通风机性能测定是中介检测机构的 一参考文献 1吴中立.矿井通风与安全这I-M].中国矿业大学出版 社,1989. 个技术和管理问题。应根据每一个矿井实际通 风系统状况和风硐布置条件,选择更合理的测定 断面、更细致的测点布置以及更精确的测定方法. 对运行的主要通风机个体特性进行测定,并在矿 2张国枢.矿井实用通风技术[M].煤炭工业出版 社,1993. 3 中国煤炭工业劳保学会.矿井通风专业委员会学术报 井通风阻力测定基础上分析研究,提供更准确的 主要通风机性能测定数据,为矿井主要通风机工 况调节提供更真实的依据,为实现矿井通风系统 稳定、长效安全生产和节能降耗的目的。 (上接第64页) 综上,首采保护层工作面瓦斯治理难度大,尤 其是近距离多煤层开采,所以,工作面回采时要严 格遵守“以风定产”、“以抽定产”的要求。通过目 前数据分析,日产量正常应控制在90Ot/d一1200 t/d之间。 5结 论 (1)工作面开采过程中采用“五措并举”瓦斯 综合治理技术,工作面瓦斯涌出得到有效控制,回 风流瓦斯浓度保持在0.4 左右,瓦斯抽采总量 达16.5~36.4m3/min,抽采率达到7O 以上,实 现瓦斯连续、分源抽采,保护层瓦斯充分卸压。 (2)实现了工作面沿空留巷“Y”型通风煤与 瓦斯共采。成功连续留巷200m,保持巷道断面 8m2,宽度3m,巷道稳定。工作面运输顺槽、回风 顺槽处于新鲜风流中,改善了工作面作业环境,提 高工作面安全系数。 告专辑EJ].煤矿安全,1992. 4《煤矿安全规程》[M].煤炭工业出版社出版,2Ol1. 5卢平,范维澄,廖光煊,等.蚶旋式主通风机性能测 试与经济运行研究EJ].风机技术,2003,(4). (3)工作面回采时要严格遵守“以风定产”、 “以抽定产”的要求,日产量正常控制在900~ 1200 t/d之间。 参考文献 1 国家安全生产监督管理总局,防治煤与瓦斯突出规定 [M].煤炭工业出版社,2009. 2卢平,方良才,童云飞,等.深井煤层群首采层Y型通 风工作面采空区卸压瓦斯抽采与综合治理研究[J].采 矿与安全工程学报,2013,30(3):456—461. 3袁亮.低透气性煤层群无煤柱煤与瓦斯共采理论与实 践EJJ.中国工程科学,2009,11(5):72—80. 4赵伟涛.高瓦斯煤层综采工作面顺层长钻孔预抽瓦斯 效果分析[J].煤炭技术,2008,27(5):94—96. 5袁亮.留巷钻孔法煤与瓦斯共采技术[J].煤炭学报, 2008,33(8):898—902. 6袁亮.开采煤层顶板环形裂隙圈内走向长钻孔法抽放 瓦斯研究[J].中国工程科学,2004,6(5):32—38.