邵燕飛

（山西潞安能化生產(chǎn)服務(wù)公司，山西 長治 046204）

工業(yè)領(lǐng)域碳達(dá)峰行動(dòng)是我國提出的實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰”的十大行動(dòng)之一，結(jié)合智慧礦山的生產(chǎn)與建設(shè)，礦山領(lǐng)域也正推動(dòng)著綠色低碳發(fā)展[1]。礦井主要通風(fēng)機(jī)其主要作用是進(jìn)行新鮮空氣的供給、保障人員的呼吸與稀釋用風(fēng)地點(diǎn)的有毒有害氣體等[2]。根據(jù)常村煤礦工作面生產(chǎn)銜接計(jì)劃，現(xiàn)有王村回風(fēng)井主要通風(fēng)機(jī)不能滿足用風(fēng)量的要求。結(jié)合通風(fēng)系統(tǒng)現(xiàn)狀提出調(diào)整對比方案，并利用通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算選擇最優(yōu)方案。

1 礦井通風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速節(jié)能原理

在通風(fēng)機(jī)的選型方面，必須保障各礦井所配備的主要通風(fēng)機(jī)的富裕量，一般普遍的做法是在調(diào)節(jié)風(fēng)量時(shí)，通過調(diào)節(jié)風(fēng)門控制耗能從而達(dá)到降低風(fēng)量的目標(biāo)，但是這種做法并不經(jīng)濟(jì)。經(jīng)過變頻調(diào)速后，在所需控制風(fēng)量減少時(shí)，只要對變頻器的頻率進(jìn)行相應(yīng)調(diào)節(jié)，電機(jī)的轉(zhuǎn)速就會(huì)隨著變化相應(yīng)下降。

結(jié)合流體力學(xué)相關(guān)知識(shí)，P=Q×H，其中，P是對應(yīng)的功率；Q為經(jīng)過的流量；H為對應(yīng)的壓力。流量、壓力和功率與轉(zhuǎn)速的關(guān)系如公式（1）～（3）所示。

因此，利用變頻器來調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速時(shí)，一般來說可以獲得良好的節(jié)能效果。如圖1 所示為通風(fēng)機(jī)變頻器相應(yīng)的壓力-流量等曲線圖[3]。

圖1 中曲線n1為風(fēng)機(jī)初始狀態(tài)下的風(fēng)壓H-風(fēng)量Q曲線，R1為其對應(yīng)的風(fēng)阻特性曲線。

圖1 主要通風(fēng)機(jī)風(fēng)壓H-風(fēng)量Q 曲線

假設(shè)當(dāng)前風(fēng)機(jī)工況點(diǎn)在A位置，該位置目前效率最高。由A向x軸和y軸作垂線，得到的矩形面積即為當(dāng)前的軸功率。若根據(jù)煤礦生產(chǎn)銜接計(jì)劃安排，目標(biāo)降低風(fēng)量由Q1降至Q2，如果通過調(diào)節(jié)風(fēng)門控制，會(huì)使阻力特性曲線由R1變?yōu)镽2，風(fēng)壓將會(huì)由H1增加到H2，此時(shí)工況點(diǎn)為B。由B向x軸和y軸作垂線，得到的矩形面積即為調(diào)節(jié)風(fēng)門后的軸功率。對比調(diào)節(jié)前后的軸功率，可以發(fā)現(xiàn)這種調(diào)節(jié)方法對節(jié)能的效果并不明顯。

另一種方法引入變頻技術(shù)，目標(biāo)降低風(fēng)量由Q1降至Q2，將轉(zhuǎn)速由n1變?yōu)閚2，調(diào)節(jié)后風(fēng)壓將會(huì)由H1減少到H3，此時(shí)工況點(diǎn)變?yōu)镃。由C向x軸和y軸作垂線，得到的矩形面積即為調(diào)轉(zhuǎn)速后的軸功率，可以發(fā)現(xiàn)比目前工況下和調(diào)節(jié)風(fēng)門的情況下的節(jié)能效果要好。變頻節(jié)能其內(nèi)涵是由調(diào)速引起的流量變化來實(shí)現(xiàn)的。

2 工程現(xiàn)場實(shí)際應(yīng)用分析

2.1 礦井通風(fēng)系統(tǒng)簡介

常村煤礦通風(fēng)方式為混合式。其中，中央回風(fēng)井、西坡回風(fēng)井和王村回風(fēng)井擔(dān)負(fù)回風(fēng)任務(wù)。中央回風(fēng)井主要通風(fēng)機(jī)擔(dān)負(fù)21、S1、S2、S3及N 翼采區(qū)通風(fēng)任務(wù)，通風(fēng)機(jī)型號(hào)為AGF606-4.0-2.4-2，電機(jī)額定功率為4000 kW，現(xiàn)階段排風(fēng)量454.33 m3/s；西坡回風(fēng)井主要通風(fēng)機(jī)主要擔(dān)負(fù)S5、S6 采區(qū)通風(fēng)任務(wù)，通風(fēng)機(jī)型號(hào)與電機(jī)額定功率與中央回風(fēng)井保持一致，現(xiàn)階段排風(fēng)量364.83 m3/s；王村風(fēng)井主要通風(fēng)機(jī)主要擔(dān)負(fù)22、23 采區(qū)及470 北翼通風(fēng)任務(wù)，通風(fēng)機(jī)型號(hào)為AGF606-4.0-2.0-2，電機(jī)額定功率為4500 kW，現(xiàn)階段排風(fēng)量505.48 m3/s。

未來根據(jù)礦井生產(chǎn)、通風(fēng)規(guī)劃，計(jì)劃投運(yùn)花垴進(jìn)、回風(fēng)井，目前花垴回風(fēng)井并未承擔(dān)回風(fēng)任務(wù)，作為進(jìn)風(fēng)井使用。

圖2 常村煤礦風(fēng)井結(jié)構(gòu)布置圖

2.2 方案對比分析

當(dāng)前情況下常村煤礦王村回風(fēng)井參數(shù)見表1。

表1 王村回風(fēng)井通風(fēng)系統(tǒng)的測定誤差表

由表1 能看出王村主要通風(fēng)機(jī)在允許范圍內(nèi)還有提升空間，還能繼續(xù)增大風(fēng)量。預(yù)計(jì)王村回風(fēng)井增加3000 m3/min 風(fēng)量，利用通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算軟件對下列各方案進(jìn)行預(yù)測分析。

（1）方案一：王村主要通風(fēng)機(jī)直接調(diào)風(fēng)

當(dāng)前系統(tǒng)王村回風(fēng)井主要通風(fēng)機(jī)風(fēng)量為30 330 m3/min，風(fēng)機(jī)負(fù)壓為2620 Pa。方案一直接對王村主要通風(fēng)機(jī)進(jìn)行調(diào)整，在現(xiàn)有風(fēng)量基礎(chǔ)上提升3000 m3/min。經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)解算結(jié)果為：主要通風(fēng)機(jī)風(fēng)量能夠達(dá)到目標(biāo)33 330 m3/min，但是王村回風(fēng)井通風(fēng)機(jī)負(fù)壓變?yōu)?140 Pa，增加了520 Pa。

（2）方案二：通風(fēng)系統(tǒng)降阻后，再調(diào)節(jié)主要通風(fēng)機(jī)

方案二首先采取措施對通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行降阻，通過井下兩處位置的調(diào)整，以期實(shí)現(xiàn)整體降阻。兩處位置具體調(diào)整措施如下：2311 回風(fēng)聯(lián)巷風(fēng)量增加800 m3/min，2203 皮順回風(fēng)通道增加800 m3/min 風(fēng)量。經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)解算結(jié)果為：王村回風(fēng)井主要通風(fēng)機(jī)風(fēng)量變?yōu)?0 630 m3/min，風(fēng)機(jī)負(fù)壓為2570 Pa，與當(dāng)前通風(fēng)系統(tǒng)相比總風(fēng)量增加了300 m3/min，負(fù)壓降低了50 Pa。

經(jīng)過通風(fēng)系統(tǒng)降阻后，再對王村主要通風(fēng)機(jī)調(diào)整，在現(xiàn)有風(fēng)量基礎(chǔ)上提升3000 m3/min。經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)解算結(jié)果為：主要通風(fēng)機(jī)風(fēng)量達(dá)到目標(biāo)值33 330 m3/min，風(fēng)機(jī)負(fù)壓變?yōu)?070 Pa，與方案一相比負(fù)壓降低了70 Pa，總阻力有所下降，有利于主要通風(fēng)機(jī)運(yùn)行。

（3）方案三：增加花垴風(fēng)井進(jìn)風(fēng)量、系統(tǒng)降阻，再調(diào)節(jié)主要通風(fēng)機(jī)

目前花垴進(jìn)、回風(fēng)井共進(jìn)風(fēng)量為10 970 m3/min，在現(xiàn)有基礎(chǔ)上增加3000 m3/min。經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)解算結(jié)果為：花垴進(jìn)、回風(fēng)井總進(jìn)風(fēng)量變?yōu)?3 970 m3/min，王村風(fēng)井主要通風(fēng)機(jī)負(fù)壓變?yōu)?525 Pa，同比降低了95 Pa。此時(shí)，王村風(fēng)井回風(fēng)量變?yōu)?0 870 m3/min，同當(dāng)前通風(fēng)系統(tǒng)增加了540 m3/min。

系統(tǒng)降阻：花垴風(fēng)井進(jìn)風(fēng)量提高后，對井下三處位置進(jìn)行調(diào)整實(shí)現(xiàn)整體降阻。三處位置具體調(diào)整措施如下：2311 回風(fēng)聯(lián)巷風(fēng)量增加800 m3/min，25采區(qū)1#充電硐室風(fēng)門打開，2203 皮順回風(fēng)通道增加800 m3/min 風(fēng)量。模擬結(jié)果為：王村主要通風(fēng)機(jī)風(fēng)量變?yōu)?1 200 m3/min，風(fēng)機(jī)負(fù)壓為2470 Pa，與目前通風(fēng)系統(tǒng)相比負(fù)壓降低了150 Pa。

主要通風(fēng)機(jī)調(diào)風(fēng)：實(shí)現(xiàn)整體降阻后，進(jìn)行王村主要通風(fēng)機(jī)調(diào)風(fēng)，將王村主要通風(fēng)機(jī)風(fēng)量調(diào)至33 330 m3/min。模擬結(jié)果為：王村主要通風(fēng)機(jī)負(fù)壓變?yōu)?940 Pa，與當(dāng)前通風(fēng)系統(tǒng)相比負(fù)壓增加了320 Pa。不同調(diào)節(jié)方法計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 不同調(diào)節(jié)方法計(jì)算結(jié)果

由表2 可知，在三種調(diào)節(jié)方法下調(diào)節(jié)后的風(fēng)量相同，方案三增加花垴進(jìn)風(fēng)量、系統(tǒng)降阻，再調(diào)節(jié)主要通風(fēng)機(jī)后風(fēng)機(jī)的頻率最低，頻率為43.9 Hz。同時(shí)，此時(shí)的軸功率為最低的1633 kW，實(shí)現(xiàn)了功耗的最小化。

3 分析結(jié)果

本文針對常村煤礦現(xiàn)場實(shí)際情況，通過對不同優(yōu)化方案的通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算，選擇出最優(yōu)方案，在該方案下實(shí)現(xiàn)了優(yōu)化后的功耗最小，具有較高的經(jīng)濟(jì)效益。