多风井通风动力联合运行分析及节能减排研究.pdf

收稿日期:2023 02 10作者简介:崔素宾(1988-),男,山西长治人,工程师,从事煤矿通风技术与管理工作。doi:10.3969/j.issn.1005-2798.2023.10.009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)摘 要:针对花垴风井投运后形成六进四回的多风井、复杂结构的通风网络进行研究,对全矿井多风井通风动力与通风阻力匹配进行优化。依据主要通风机性能特性曲线,通过合理变频控制调节进行多风井风机协同优化,达到各回风系统工况要求,实现多风井风机联合高效运行,最终达到节能减排的目的。关键词:节能减排;多风井;通风仿真;匹配度中图分类号:TD724 文献标识码:A 文章编号:1005 2798(2023)10 0034 05 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 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。图 1 常村煤矿全矿井通风系统简图 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.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 号回风实实用用技技术术 第第 3 32 2 卷卷 第第 1 10 0 期期 2 20 02 23 3 年年 1 10 0 月月下山S5 采区 2 号回风下山S5 采区 2 号回风巷西坡回风井。图 2 常村煤矿各风井通风 型网络图 3 常村煤矿近 型系统结构简化仿真图表 1 常村煤矿主要巷道风量及等效风阻风路名称阻力/Pa风量/(m3s-1)e1419.32366.48e2830.68255.14e373.42111.34e4569.01355.37e51 920.99450.12 e60.2316.59e7649.84356.28e81 993.16429.89e9233.6955.97e10460.38218.42e1130.38162.45e12490.76157.36e132437.24319.81图 4 主井到中央回风井的通风阻力累加图以 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 953第 10 期 崔素宾:多风井通风动力联合运行分析及节能减排研究 所示。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 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:Q1Q2=D1D2()3n1n2(1)Hf1Hf2=12D1D2()2n1n2()2(2)N1N2=12D1D2()5n1n2()3(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=D2,1=2.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:n1n2=f1f2=Q1Q2=Hf1Hf2()12=N1N2()13(4)63 第 32 卷从上式可得,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。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,73第 10 期 崔素宾:多风井通风动力联合运行分析及节能减排研究 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 2 常村煤矿各风井工况点数据回风立井风量 Q/(m3s-1)工作风压 HS/Pa最大风压 HS max/Pa效率/%最大效率 max/%匹配度中央风井429.892 6433 51259.027079西坡风井319.812 9283 49653.096464王村风井450.122 4903 93552.847570花垴风井255.141 2501 95427.217835表 3 2021 年各回风井主通风机参数通风机风量/(m3s-1)负压/Pa输出功率/kW输入功率/kW效率/%电流/A中央主通风机435.172 5901 127.09 1 954.01 57.68229西坡主通风机358.543 2091 150.55 2 173.65 52.93249王村主通风机465.572 5501 187.20 2 276.88 52.14260花垴主通风机235.011 560366.62 1 347.95 27.20160表 4 2022 年各回风井主通风机参数通风机风量/(m3s-1)负压/Pa输出功率/kW输入功率/kW效率/%电流/A中央主通风机429.892 6431 136.201 924.9959.02227西坡主通风机319.812 928936.401 763.6653.09203王村主通风机450.122 4901120.802 121.2852.84243花垴主通风机255.141 250318.931 172.2527.21141 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/kWh计算,每年通风可节约电费 430.25 万元。参考文献:1 刘 军.王庄煤矿+540 m 水平北栗回风井投运方案分析J.现代矿业,2019,35(5):116-119.2 曹学军.新投运主扇与矿井原役主扇间的适应性研究J.山西煤炭,2013,33(6):37-40.3 熊喆.在煤矿矿井通风机中变频调速的运用探讨J.现代工业经济和信息化,2021(8):170-171.4 马 恒,倪景峰,刘 剑.矿井通风管理信息系统开发及其应用J.华北科技学院学报,2014,11(8):67-71.5 邵良杉,张兴国,翁旭泽,等.塔山煤矿通风系统阻力测定与分析J.同煤科技,2018,(2):1-6.责任编辑:常丽芳(上接第 13 页)13 郭长恒,邢玉忠.顶板长钻孔替代高抽巷抽采控瓦斯与采空区注氮防火耦合治理研究J.中国矿业,2020,29(4):97-103.14 周西华,曾晓坤,白刚,等.基于响应曲面法的遗煤自燃分析与研究J.中国安全生产科学技术,2020,16(10):34-39.15 梁 成,任 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