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矿山主通风机的优化运行研究与实践

发布日期:2013-04-21  来源:中国防爆设备网  浏览次数:1962【字号:
矿山主通风机的优化运行研究与实践
李剑峰 兖矿集团设计研究院
 
  兖州矿业(集团)有限责任公司及下属各矿认真分析矿井主通风机运行方面的问题,积极应用先进技术,并与有关单位共同开展科技攻关,有效地保障了通风机的高效安全运行。
矿用轴流式通风机性能测定
  为了获得矿井通风机装置(包括通风机、扩散器、扩散弯道和消音器)的实际运行特性,山东科技大学和兖州矿业(集团)有限责任公司对大统(天安)矿业有限公司杨庄煤矿主通风机进行了性能测定。
  该矿装备2台2K60-6NO.18型轴流式风机,配用380 kW电机,额定转速980 r/min。随着矿井用风量减少,叶片安装角度调整到17.5°。测定方案包括确定测定系统和风机工况调节位置及方法、选择测点。根据此风机装置的布置和工作情况,决定脱网测备用风机,反风楼、备用风机和扩散器共同组成1个通风系统。风流由反风楼百叶窗进入风洞,经通风机由扩散器排出。工况调节地点选在反风楼百叶窗上。方法是往百叶窗上覆盖风筒布,通过改变风筒布覆盖面积来改变风机进风断面,以此实现风量调节。关键是风量和风压2个主要参数的测定位置。静压测量位置定在风机进口处平时安置测压管位置的断面处,风量测量位置定在风机出口扩散器内的断面处。工况调节从最小流量开始,每测完1个点就拆去一部分风筒布,进入下一个点的测量,直到把风筒布全部拆除,使风机达到最大风量。
  本次测定的成功之处在于:脱网测备用风机,测试与生产互不影响;采用往反风楼百叶窗覆盖风筒布的方法调节工况点,操作简单、调节方便,实现无级调节;测风位置选在风机出风侧的环形风筒内,可测得真实的风机风量;用数字式精密气压计测量相对静压,既灵敏、方便和精确,又可同时测量大气压力;测得风机装置性能参数和特性曲线,为保证其安全高效运行和风压风量调节提供了可靠的理论依据。
矿井主通风机优化工况运行
  兖州矿业(集团)有限责任公司立足现状,除加强科学管理和对低效的旧通风机进行技术改造外,对主通风机经济运行的措施是采取优化工况调节法。利用主风机自身可以调节的特点,随着生产的变化及时改变工况点,使风机工况点始终处于合理范围内。离心式风机通过调节前导器角度改变入口气流方向,达到改变风机性能的目的;轴流式风机通过改变叶片安装角度,使风机实际运行工况点与设计工况点重合或接近,不需要人为增加阻力,所以比较经济。
  采用双速电机。只需改变电机接线方式,无附加设备和能量损失。北宿煤矿改扩建投产初期,充分利用新建西风井与原南风井G4-73-11NO.25型风机和SQ系列电机同型,且西风井采用590/490 r/min、350/210 kW双速电机的特点,将2个风井的电机对调,仍然保持南风井单机运转通风方式,既解决了矿井需风量增大的问题,又避免了南、西风井联合运转造成的浪费,南风井单机运转比联合运转每年节电50万kW•h。此法不仅可用于两个时期的调节,还可调节冬夏自然风压变化大引起的工况变化。
  采用液力偶合器调节。其原理是改变偶合器中工作油的充满程度来调节出侧转速,是无级调速,适合调节期长的条件,但会产生转差损耗和机械滑差损失。
  采用可控硅串级调速。这是将绕线式异步电机转差功率大部分反馈到电网中去或变换为机械能做功的经济方法。兴隆庄煤矿东风井主风机采用串级调速改造后,年节电67万kW•h。
70B2通风机节能技术改造
  兖州矿业(集团)公司南屯煤矿为中央并列抽出式通风系统,主通风机为70B2-21NO.28型轴流式风机。这类风机适用于小等积孔、高负压的矿井,只有矿井负压3 200 Pa以上才能进入高效区运转。该矿属于低负压、大风量、大等积孔通风矿井,加之风机流道风流摩擦阻力损失,风机运行极不合理,节能技术改造取得了明显的效益。
  (1)施工步骤。风机采用不揭盖施工。先拆下第一级风叶,称重,新风叶匹配好,对应编号;改装中导叶;按编号匹配好的扭曲风叶装第一级;拆第二级风叶,称重,编号,匹配高效扭曲风叶;装第二级高效扭曲风叶。采取昼夜施工,总耗时36 h。
  (2)注意问题。风叶强度,扭曲叶片板厚3 mm,与原直板风叶厚度相同,新老风叶支杆直径相同,材质均为45#钢,故不再进行强度计算,扭曲风叶支杆均进行探伤;静动平衡。风机运转平衡十分重要,改后保持原静动平衡。拆装风叶时,对原风叶及新安装扭曲风叶称重匹配,使对边新老风叶差重相等;保证中导叶焊缝质量,切割2片老中导叶新焊1片,不得连续切去多片,以避免变形;中导叶进风角及扭曲叶片安装角应准确。各片安装角角度要一致。保证被改造风机仍处于备用状态,一旦运行风机在改造期间发生故障,被改造风机10 min内启动运行,风量不低于80%。
  (3)效果。2台风机改造后,风量分别提高862?1 225 m3/h,负压提高217?280 Pa,全效率由40.60%和35.57%提高到59.60%和51.44%,年节电157.4万kW•h和161.33万kW•h。
煤矿风井通风机技术改造
  兖州矿业(集团)公司南屯煤矿白马河风井2K60NO.24型轴流式通风机经多年运行后,动叶片和导叶片锈蚀严重;由于中导叶结构设计不合理,需在风筒内悬臂安装,致使高速气流冲击作用引起中导叶摆动,极大增加了日常维修的工作量和费用,还使风机安全运行受到很大影响。该矿在山东科技大学支持下对白马河风井1#通风机进行技术改造。此次改造采用重新设计的动叶片和静叶片取代原有的动叶片和静叶片,其他部位未做改动。风机动叶片仍保持14片+7片,中导叶片由14片增至17片,后导叶片由11片增到15片。
  改造后的风机改变了静叶片与动叶片数量,使之互成质数,有利于降低风机噪声和振动;新型导叶片为空间扭曲型,采用焊接方式固定于风筒内部。反风时不需改动风机任何部件就可直接反风,缩短反风时间,提高反风可靠性;新型风叶在设计上消除气动激振力,即使转速达到750 r/min仍可保证风机安全运行;原导叶钢板厚度2 mm,新型导叶改为5 mm,延长了导叶寿命。另外,由于导叶采用焊接的方法固定于风筒内部,导叶日常无须维修。性能试验表明,改造后的风机各项指标均达到预期要求,噪声有所降低,效率大幅提高,节电31.6万kW•h/a。
风叶自动调整装置的微控制
  兖州矿业(集团)公司济宁二号煤矿需要反风或调整通风量大小须调整主通风机风叶角度,由于人工调整存在费时、费力、定位不准确等缺点,因此开发了自动反风系统,实现了风叶自动调整。
  风叶自动调整装置是1套以液压泵站为核心的机械运行机构,通过液压马达驱动调整杆前进、后退、正转、反转来调整风叶位置。其工作原理是:用小键盘输入风叶要调整的预定位置角度值,控制器通过角度编码器读取风叶当前位置角度值,两数值比较后确定调整杆的运行方向,控制器输出控制信号驱动相应的电磁阀执行风叶调整动作。调整过程中控制器不断读取风叶当前位置角度值并与输入值比较,两数值相等即表明风叶到达预定位置,调整杆退回。根据风叶自动调整装置的功能要求,微处理器要处理的数据较多,控制功能需要在系统调试过程中根据具体要求作出相应的变化。因此,公司根据系统的功能要求用单片机自行开发适用的控制器,以满足系统的要求。
  此外,系统供电选用隔离变压器用以屏蔽电源系统的高频电源干扰;单片机系统的前向通道和后向通道均采用光电隔离技术用于隔离信号通道对单片机系统的干扰;在供电回路交流端选用TVS电路用于抑制供电回路的瞬间高电压。该装置具有使风叶调整迅速、停位准确、节省人力等优点,实践证明完全能达到《煤矿安全规程》要求。
监控系统的研制应用
  兖州矿业(集团)公司兴隆庄煤矿东风井通风机房安装G4-73-11NO.25D型矿井主通风机2台,原设备控制都是20世纪70年代随机带来的简易控制柜,早不适应安全和高效生产的需要。公司和山东省煤炭科学研究所研了发东风井通风机监控系统,满足对通风机各种主要参数的监测与控制要求。
  监控系统由1台研华IPC共控机作为监控机,安装在主控制室;下设3台检测下位机,均安装在风机房内,负责现场数据采集与处理。下位机控制核心采用ATMEL公司89系列单片机,扩展有不掉电RAM、看门狗电路、开关量输出、开关量输入、模拟量输入、串行通信和电量采集等多个单元,主机在线监测电压、电流、功率因数、有功功率、无功功率、前轴承温度、后轴承温度、风道静压、风道全压、风道动压、设备转速和风机风量等相关参数。
  通过对上述参数的监测,动态监测矿井的通风系统运行状况,同时在线监测运行风机的运行效率,并可随时对备用风机进行全量程技术测定。风压与风量测量采用本质安全隔爆型传感器,配接输入式安全栅,既满足煤矿出风井对电器的要求,又保证微机系统的安全。配套的工业电视视频采用工控机,利用视频采集卡和MPEG4数码硬盘录像系统,实时监视通风机房现场设备的状况,可对现场进行动态录象、定时录像和报警联动录像功能,能够实现网络传输和远程控制,具有摄像机镜头和云台的全方位控制功能,以便及时发现并处理现场设备的不正常工作状况。
智能监控终端系统的应用
  兖州矿业(集团)公司机械制修厂研制出1种由ST-JK06系列智能监控终端组成的矿井通风机监控系统,可监视风机的工作状态,并根据现场环境实际有效控制风机送风量,既能满足现场对空气的要求,又可避免过量送风,降低了能源消耗,为安全生产提供了可靠保证。
  ST-JK06系列智能监控终端还可以对风机供电电压、电流、频率和功率等电参数进行数据采集,并由终端向监控中心发送信息,进而实现在监控中心对现场进行监视的目的;由监控中心向智能监控终端发送控制指令,就可对风机进行有效控制。此终端以采样原理作为理论依据,采用高性能嵌入式系统ARM,综合运用DSP、现场总线、自动控制、高速数据采集技术和贴片安装工艺,实现各种交、直流电量参数的实时采集、线性交换、计算和分析;同时,终端具有模拟量输入/输出、开关量输入/输出、键盘输入/液晶显示等功能。
  ST-JK06系列智能监控终端可完成对电机工作电流、电压、功率和电度等参量的检测,及时发现电机运行故障,防止电机烧毁。此系统不仅可对单台风机进行监控,还可利用ST-JK06系列智能监控终端构成大的监控网络,通过有线通信和GPRS/CDMA无线通信方式对多台风机实现监控。
离心通风机的噪声控制研究
  山东科技大学和兖州矿业(集团)公司职工大学从如何改进通风机本身的结构参数而非采用消音器来降低通风机噪声的角度开展了离心式风机噪声控制的研究。
  (1)增加风舌与叶轮间间隙。风舌与叶轮间距离越近噪声越大。实验表明,风舌间隙δt/R=0.25和风舌半径r/R=0.2时,具有最大风机效率和最小噪声(R为叶轮半径)。
  (2)倾斜风舌。研究表明,对于恒定转速、前后倾斜的叶片可以使基频降低12 dB;风舌倾斜角的大小依赖于叶轮叶片多少,叶片越多则包围叶片间隙所需的风舌倾斜角越小。
  (3)风机和管道系统声阻抗匹配。改变出口管道长度可使进口辐射噪声降低17 dB;反之,改变风机进口形状可使出口声级减少。
  (4)转子叶片前后缘加金属网格。网格改进了平均气流,减少管道内与转子外的湍流,使出口有平滑的速度场,从而降低宽频噪声。空气动力性能不好的风机,即效率低噪声大的风机,使用网格可收到最好的效果,不但对基频而且在整个宽频范围内都能明显降低噪声;对空气动力性能较好的风机,网格降低噪声效果减低,但可使频谱往高频方向变动,以便采用其他控制噪声措施。叶轮管道中平均气流条件不好时,使用网格降低噪声是最有效的。当然,由于网格引起附加阻力,导致风机效率略有降低。
  (5)修改风壳。宽频噪声主要声源不是来自旋转叶轮,而是来自风机机壳,机壳取对数螺旋或蜗壳效率高、噪声低的螺旋角65°,在机壳内贴一定厚度的吸声材料可降低宽带噪声。
电源控制电路的应用
  兖州矿业(集团)公司东滩煤矿针对当前多数矿井主通风机2机风门闭锁存在延长备用机切换时间的问题,通过2台主通风机风门供电电源共用,有效保证主通风机的连续运行。
  当运行主风机供电中断时,原主风机立即停止运行。迅速启动备用风机必须要完全关闭原运行风机的风门,但此风门电源恰在供电中断的回路。如维修电工在现场,经判断供电中断原因后,确认本回路没问题就可人工操作,断开供电中断的低压进线开关,然后合上低压联络开关,供电电源恢复后再返回此项操作。维修电工若不在现场,操作手只有用手摇方式关闭风门,需2人配合5-7 min。特别是一回路供电中断时车间照明陷于瘫痪,给操作带来困难和安全隐患。
因此,公司将2机风门供电从原母线分离出来,设计在同一共用母线上;如现场条件具备,低压照明配电供电电源也可接在共用母线上,以保证照明供电的连续性。由于风机设计中考虑了供电中断后要完成相应的程序指令及声光报警指示、在每一回路低压直流供电系统中设有蓄电池连续供电装置,且原风门交流控制电源分别接在风门供电回路上,所以能顺利实现电源供电中断后各控制继电器完成相应的程序控制,为目标的实现提供了有利条件。

 
 
 
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