多风机多级机站通风节能原理初探

多风机多级机站通风节能原理初探
刘杰;谢贤平
【摘要】阐述多风机多级机站的通风方法和节能原理.通过通风方式的比较及多风机多级机站的漏风控制原理分析,进一步说明推广多风机多级机站的优越性.多风机多级机站通风在有效监控管理方式下是一种成熟的通风技术.
【期刊名称】《有色金属（矿山部分）》
【年(卷),期】2010(062)005
【总页数】4页(P71-74)
【关键词】矿井通风;多风机多级机站;节能;风压;漏风
【作者】刘杰;谢贤平
【作者单位】昆明理工大学,国土资源工程学院,昆明,650093;昆明理工大学,国土资源工程学院,昆明,650093
【正文语种】中文
【中图分类】TD72
0 引言
经过多年的发展，矿井通风技术已经有了比较成熟的发展，节能技术也得到了极大的推广和应用。

随着矿业工程的飞速发展，节能降耗技术已经显得越来越重要。

1 矿井通风系统节能概述
矿井通风系统的建立与调整，通常有两个目标。

首先是改善作业环境，提高技术效
果；其次是节省通风能耗，提高经济效益。

长久以来，影响矿井通风能耗的主要原因有：1)通风方法和设计手段；2)风机性能；3)管理水平。

我国金属矿井机械通风的风机运转效率一直较低，传统矿井通风系统设计多数采用单一的主扇通风系统，漏风系数取得大；按最困难时期的最大风压选择风机，使选取的风机风压过高。

通风系统建成后，由于金属矿井开采技术上的特点，致使主扇的工况点风压比设计的风压低得多。

通常情况下，改善通风能耗有以下几项主要技术措施[1,8]：1)采用多井口进风、多井口排风的多路通风系统；2)按最优分风条件合理分风；3)优化风量调控方法，采用多风机多级机站通风；4)均衡风压减少漏风，提高有效风量率；
5)优化井巷断面、采用低阻构筑物，降低井巷通风阻力；6)采用高效节能扇风机。

2 多风机多级机站的节能原理
2.1 节能原理
在各类调控系统中，多风机多级机站调控系统的总功耗最低，有效风量最高。

节能效果好是多风机多级机站的一个显著特点，风机的功率与风量立方成正比。

大型风机风量大、风压高、功率消耗大，多风机多级机站采用机站间风机串联及机站内风机并联，这样所选的风机风量小、风压低、故功率也小；此外，还可选用新型高效节能风机，能耗较低。

实测证明，采用该通风技术改造的矿井，与大多数金属矿山传统采用的单一主扇通风系统相比，装机容量可有效降低，可大幅度节约电能。

因此，井下多风机多级机站被列为“十五”期间冶金行业重点推进的40项技术之一[2]。

2.2 节能原理分析
将一个矿山简化成一个普通的串并联巷道，如图1所示。

设各巷道的风阻R1=
R2= R3= R4= R5=R，若在巷道5区域布置一台风量为Q的风机，形成抽出式的单一大主扇集中通风方式，根据并联巷道通风网络的风阻特征功率的计算公式
N=R总·Q3，可得出矿山所产生的风流总功率为若要建立多风机多级机站，则在1
区域和5区域分别布置风量为的压、抽式风机，在2～4区域分别布置风量为的风机，形成三级机站通风方式，那么总功率消耗即为显而易见，N1>N2。

图1 某矿山通风系统网络图Fig.1 Ventilation system network diagram in a mine
由此可见，选用多风机多级机站，风量不变，风压比单一大主扇集中通风减小了很多。

当然，在选用多风机多级机站进行通风时，机站级数的划分、风机数量的确定、风机的选择、型号及安装角的确定以及风机并联的稳定性等因素，也会对风流功率造成影响。

但在不考虑局部阻力、风机的购买和管理及上述综合因素的情况下，从通风方式的不同，多风机多级机站就比大主扇集中通风有很大的节能优势，仅此一项，按保守估算便可使通风功耗降低20%以上。

2.2 多风机多级机站漏风控制原理
在矿井通风中，漏风通常是节能降耗的最大障碍之一。

除了采用充填、封闭天井以及加强管理等方法外，采用多风机多级机站通风系统对整个网路实行均压控制被证明是比较有效的方法。

多风机多级机站通风是运用风压平衡原理对全系统施行均压通风，在满足各风路所需风量的条件下，通过对风机的控制，保持各分支风路的风压平衡，各漏风风路两个端点的风压相等。

根据多风机多级机站的均压通风原理，同样可以用对内、外部漏风控制原理来解决存在着的问题。

2.2.1 外部漏风控制模式
应用多风机多级机站进行外部漏风控制时，需要在外部漏风点保持零压状态，图2表示有两个外部漏风情况的机站布置。

图2 有两个外部漏风的机站布置Fig.2 The station arrangement of 2 surface leakage points
由图2所示，当有两个外部漏风的情况，则应在A点、BC区域和D点布置风机，布置为三级机站，均压通风原理的数学表示为：
HfⅠ=hAB
HfⅡ=hBC
HfⅢ=hCD
(1)
2.2.2 内部漏风控制模式
当用多风机多级机站进行内部漏风控制时，与外部漏风控制模式不同，需要在内部漏风点保持压力状态相等。

图3 具有两个内部漏风的机站布置Fig.3 The station arrangement of 2 underground leakage points
当具有两个内部漏风时，可布置三级机站，如图3所示，这样的机站布置方法可保证漏风点的压力状态相等。

其中，图3均压通风原理的数学表示为：
HfⅠ=hBC
HfⅡ=hCD
HfⅢ=hAB+hDE
(2)
多风机多级机站系统能够在保持各风路需风量的前提下，通过机站风机调整各分支风路的风压，使其趋于平衡，即外部漏风点接近零压，内部漏风点风压相等，通过机站设置，使系统压力分布趋于合理化。

而根据实际情况，对于外部漏风，当风流有益时可加以合理利用，当有害时才需控制在零压状态。

由此可见，多风机多级机站通风系统运用风压平衡原理，有效减少了内外部漏风，提高了系统有效风量率。

同时，合理有效地杜绝了风流反向，加强了污风的排除，有效防止了风源的污染。

2.2.3 内、外部漏风系数分析
在通风过程中，由于漏风对有效风量造成了很大的影响，导致大量的风流损失。

而采用多风机多级机站有效地进行了风压均衡后，有效地减少了漏风，达到了节能降
耗的目的。

矿井通风有效风量通常按公式(3)计算：
∑Q=k1k2Q
(3)
k1和k2分别为矿井的内部和外部漏风系数。

根据研究和实践表明：大主扇集中通风的内、外部漏风系数比多风机多级机站的内、外部漏风系数要大，约为1.473倍[3]。

2.3 多风机多级机站节能分析
实际生产中，风机的功率消耗按公式(4)计算：
(4)
其中∑Q为有效风量，由式(4)可以看出，矿井通风功率的大小与矿井的总风阻、总进风量的立方和扇风机的运转效率有关。

在2.2.3中已经介绍，多风机多级机站通风比大主扇集中通风漏风小、有效风量高。

此外，采用传统大主扇进行通风时，风机效率较低，功耗指标高，而多风机多级机站通常采用新型节能型风机，且多级风机共同承担矿井阻力，每级风机分担的阻力较小，运转效率就较高。

由于多风机多级机站通风系统的机站由多个并联相同的小风机组成，风量调节与控制灵活，可以根据作业区需风量的变化而开闭风机、调节风量、并可按需分配风量、开闭风机，而不像大主扇通风系统，只要坑内有人员作业，扇风机就必须运转，多风机多级机站通风系统的运转风机总数和运行时间相对较小，有效节省了电能。

例如，云南锡业公司对矿井通风系统进行优化改造，选用K系列风机建立多风机多级机站，在改善了井下作业环境的同时节约了电能，年节电2 345万kW·h [4]。

多风机多级机站的多数环节比主扇通风节能，但是其本身这一环节却比主扇通风能耗大。

在多风机多级机站通风系统中，至少有两级主机站，主风流要两次通过主机站，而在主扇通风系统中只需通过一次。

由于主机站通过的风量大、风压高，机站
局阻很大，有时机站需并联数台风机，使机站局阻变得更大，产生很大的机站阻力损失。

实测资料表明，对低压大流量风机而言，机站局阻损失可高达风机全压的30%～70%，这在很大程度上削弱了多风机多级机站的节能效果[5]。

因此，选择多风机多级机站通风系统时，需根据风压进行风机优选，若并联风机过多，需适当开挖并联巷道。

此外，在机站出口段安设扩散器也可以减小局阻来达到更好的节能效果。

3 多风机多级机站的节能实例
3.1 云南大红山铁矿初期100万吨通风规划实例
多风机多级机站节能可用文献[6]关于云南大红山铁矿通风系统的改造规划实例来说明。

大红山铁矿初期生产时规划建立了四级机站通风：一级机站1#、2#风机分别安装在两条主进风平巷中；二级机站3#至5#风机设于各中段进风巷中；三级机站6#至9#风机为各中段回风；四级机站10#、11#风机为全矿总回风，设于回风斜井口，各级机站选用FS系列节能风机，优选结果见表1。

为便于对比分析，同时进行了集中通风系统设计，全矿共设3台主扇压抽结合通风，主扇以2K60系列为主，优选结果见表2。

多级机站与集中通风系统主要技术指标汇总于表3。

从表1、表2和表3可以看出，多级机站通风各指标都优于集中通风。

集中通风总进风量稍高，但轴功率和装机容量比多级机站高出约40%，原因之一就是大功率主扇效率一般都低，与矿井等积孔亦不匹配，电能浪费严重，几十年来国内大部分矿山主扇通风的实践经验已证明了这一点[9]。

3.2 铜陵狮子山铜矿通风系统技术改造实例[7]
狮子山铜矿在改造前采用多翼对角式多井口、多风机联合作业抽出式通风，通风系统根据开拓系统的实际情况，分为三个分区式通风系统，即东山分区、西山分区和老鸭岭分区通风系统。

对狮子山铜矿进行通风系统改造后，仍分为东山、西山和老鸭岭三个分区通风系统，并对东山、西山两个分区采用多风机多级机站通风方法，全矿设16个装机地点，总共安装风机18台，装机总功率352.5 kW。

西山分区通风系统建立一级机站2个，二级机站1个，三级机站3个，四级机站
4个。

东山分区在动盲井-40 m建立一级机站；在-80 m、-120 m和-160 m建
立二级机站；东山回风井设置一个三级机站。

老鸭岭分别在-80 m，-120 m，-160m、-190 m和-220 m等回风中段安装风机，共建立五个机站，形成多风机
并联作业。

改造后的通风系统在部分进、回风井及主要中段进风道或回风道中都安装风机，这不仅保证了全矿的总进、回风量，而且也确保了各用风中段风量的按需分配。

此外还特别采取了防止采空区的漏风对风源污染的措施，这些都对提高有效风量极为有利，改造后的各项指标有了较大幅度的提高，通风效果明显改善。

同时，改造后通风系统的节能效果也较为明显。

改造前装机总容量是732.5 kW，实测电机输入功率439.79 kW，年电耗量303万kW·h。

改造后的装机总容量为352.5 kW，总轴功率为167.16 kW，装机总容量减少380 kW，占51.88%，年电耗155.76万kW·h，每年节电达147.24万kW·h。

表1 多风机多级机站通风系统风机优选结果Table 1 Fan selection of multi-fan and multi-stage ventilation system风机编号风机型号并联台数工作方式安装角/°风量/(m3/s)风压/Pa有效功率/kW轴功率/kW效率/%装机功率/kW1FSB35-172压入3099.5721.371.577.892.3110.02FSB35-181压入
3463.8399.825.528.190.737.03FSB35-181压入
2445.8417.511.012.786.518.54FSB35-181压入
2449.8159.78.09.980.018.55FSB35-181压入
2446.8176.48.310.082.318.56FSB35-181抽出
3046.4462.621.523.292.230.07FSB35-171抽出
3339.3474.318.720.391.830.08FSB35-161抽出
2828.9359.610.411.292.715.09FSB35-141抽出
2738.018.60.71.163.015.010FSB35-162抽出
3192.5615.457.062.391.474.011FSB35-181抽出
3153.6421.422.625.189.930.0
表2 集中通风系统各主扇优选参数Table 2 Parameter optimized of main fan in central ventilation system风机编号风机型号并联台数工作方式安装角/°风量/(m3/s)风压/Pa有效功率/kW轴功率/kW效率/%装机功率/kW12K60N36-7/71压入25136.01467.1199.6251.479.4333.92FSB40-181压入
1840.0870.234.940.586.155.032K60N36-14/71抽出
25159.01320.1210.0271.477.4376.6
表3 通风系统主要技术总指标对比Table 3 Comparison of the key technical indexes of ventilation system通风方法风量/(m3/s)风压/Pa轴功率/kW风机效率/%装机功率/kW多级机站163.21563.1282.090.5396.0集中通风
176.12651.6563.478.9765.5
4 结语
实践证明：较之大主扇通风，多风机多级机站具有提高矿井有效风量率、风量调节灵活的优点，能有效解决大多数金属矿山通风系统中普遍存在的风机运转效率低、风机等积孔与网络等积孔不匹配、漏风严重、有效风量率低等弊端，并实现了节能降耗和满足矿山经济效益的要求。

然而，多级机站虽然有很多优点，但仍存在一些问题，不是任何矿山都使用，需要对各通风方案进行经济技术对比后择优选用。

为了使节能技术得到进一步推广和应用，今后仍需对多风机多级机站的局阻、压力平衡和有效监控管理等问题进行深入研究，更大程度地实现节能降耗。

参考文献
[1]王英敏.矿内空气动力学与矿井通风系统[M].北京:冶金工业出版社,1994: 415-425.
[2]“十五”期间冶金行业重点推进 40 项技术[J].矿业快报,2001,(12): 50-51.
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[4]赵梓成,谢贤平.矿井通风理论与技术进展评述[J].云南冶金,2002 ,31(3):24-25.
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[6]谢贤平,赵梓成.矿井通风节能新技术的研究与应用[J].有色冶金设计与研
究,1996,17(2):20-21.
[7]赵梓成.多风机多级机站通风方法研究应用与推广成果报告[R].昆明工学
院,1991:146-148.
[8]王英敏.矿井通风与防尘[M].北京:冶金工业出版社,1993.
[9]赵梓成.矿井通风计算及程序设计[M].昆明:云南科技出版社,1992: 150-151.。