矿井主要通风机选型设计指导书.doc

矿井主要通风机
选型设计指导书

河南理工大学机械系
2004.8

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矿井主要通风机选型设计

矿井主要通风机是煤矿生产中的重要固定设备，它担负着向井下输送新鲜空气、排除有害有毒气体、创造良好生产环境，确保矿井安全生产的重任。选型设计当否，对保证矿井正常通风，确保矿井安全生产，具有决定性意义。选型设计的主要任务，就是根据给定的原始资料，在已有的风机系列产品中，选择适合矿井需要的风机类别及型号，以及与之配套的电动机。主通风机功率大，耗能多，除要求其可靠之外，还应有较高的经济性。选型设计必须遵守《煤矿安全规程》（简称“规程”）和《煤矿工业设计规范》（简称“规范”）的有关规定。

第一节、必备资料和设计步骤
一、必备资料
选型设计时必须具备的原始资料有：
1.矿井通风方式及通风系统图；
2.各时期的通风量及负压的变化；
3.矿井沼气等级；
4.矿井供电电压；
5.矿井年产量及服务年限；
6.当地气候条件；
7.其它相关资料。
二、设计步骤
选型设计时，可以参考如下步骤，进行各方案计算；
1.计算通风机必须产生的风量和负压；
2.选择通风机的类型和型号；
3.求实际工况点及工况参数；
4.计算电动机的必须容量并选择电动机；
5.计算耗电量；
6.筛选并确定方案。

第二节 选型设计的预备知识
一、《煤矿安全规程》、《煤矿工业设计规范》的有关重要规定。
1.在一个井筒中应尽量采用单一风机工作制（仅用一台风机工作），确有困难时，采用两台并联，最好是采用同类型同型号的风机。这是因为：通风机串、并联运行时，若设计不当或原始资料不准确、或井下实际条件发生较大变化时，容易出现不稳定工况。
2.选择的风机应能满足第一水平各个时期的负压变化，并适当照顾下一水平的通风要求。负压变化较大时，可考虑分期选配电机，大型风机可分3～4期考虑，但初装电机的使用年限不宜少于10年。
3.选用轴流风机时，在最大负压和风量时，用的叶片安装角应比最大安装角小5°（如2K60风机，αmox=45°，选型设计时最多只能用到40°）。选用离心风机时，用的转速应比最大转速小10％，以留有余量。
4.选择的风机应有足够的调节范围，以满足使用年限内，工况不超出工业利用区的要求。工业利用区是指风机工况点合理的工作范围，合理的工作范围是指：从经济角度考虑，不论初期和末期，风机工况点的效率都必须大于70％；从安全角度考虑，风机使用的静压必须小于风机所能产生的最大静压的90％。
5.要优先选用效率高、高效区宽的风机，对风量风压变化大的矿井，进行方案比较时，应把风机可调性作为主要因素考虑。
6.为简化供电系统，避免中间变化，当电动机功率较大时，应优先选用高压电动机。

二、矿井常用通风机的种类及性能范围
矿井常用通风机的种类及性能范围见下表：
种类
型号
系列
风压
（Pa）
风量（m3/s）
转速（r.p.m）
功率（KW）
最高效率（％）
轴
流
式
BDK
系列
400~5000
15~450
490~980
37~2000
85
2K60
系列
290~5100
15~330
375~985
30~900
83
1K58
系列
500~3900
20~500
600~1500
50~2000
84.3
2K58
系列
200~3300
12~330
500~1500
10~600
84.3
GAF
系列
2452~6570
82~360
750~1000
560~2500
88
离
心
式
K4-73
系列
1270~6370
30~580
500~750
100~3000
85.5
G4-73
系列
180~6860
5~180
375~1450
7.5~1220
90
4-72
系列
300~3100
5~63
250~1450
3~210
91

型号含义：
G A F 25
叶轮直径为φ2500
动叶可调
轴流式
矿井风机

B D K 618(65)-8-№28

机号（表示叶轮直径为φ2800）

配用电机极数为8级
轮毂比=＝0.618（0.65）
矿用

对旋

隔爆

2 K 60 - 4 -№24

机号（表示叶轮直径为中2400）

配用电机级数为4级

轮毂比为0.6

矿用

2级叶轮

G 4 - 73 - 11 №28 D

传动方式，弹性联轴器直接传动

机号（表示叶轮直径为φ2800）

前“1”表示单侧进风，后“1”第一次设计

比转数

最高效率点的全压系数为0.4

锅炉送风机（也可用于矿井通风）

K 4 -73 - 01 №32
机号（表示叶轮直径为φ3200）

“0”双侧进风，“1”第一次设计

比转数

风压系数乘10取整

矿用

三.选型设计注意事项
1.应优先选用轴流式风机，这是因为轴流式风机具有以下优点：
①调节方便：改变叶片的安装角度即可改变风机的风量和风压；
②体积小，结构紧凑；
③可反转反风，不必设置反风道，可减少基建费用。
2.应根据已有的特性曲线进行选择。
3.课程设计说明书中必须附特性曲线。

第三节 选型设计的具体内容
一、原始资料
1.通风系统：中央边界式（进风井位于井田中央，出风井位于井田上部边界）。
2.通风方式：抽出式。
3.矿井所需风量Q：（见原始资料附页）。
4.矿井通风阻力h:
初期（投产时）最小负压：hmm (见原始资料附页)。
末期（达产时）最大负压：hmox (见原始资料附页)。
5.沼气等级：低诏气矿井。
6.供电电压：6000V.（或1140V、660V、380V）。
7.服务年限：50年。
8.进出风井口标高基本相同，自然风压忽略不计。
9.风井不作提升之用。

二、计算风源必须产生的风量和负压
原始资料仅提供矿井通风的风量和负压，并不包括通风设备中风源以外的风道及装置漏风和阻力损失。因此，应求出风源必须产生的风量和负压。
1.风源必须产生的风量
风源必须产生的风量按下式计算：
Qy=KQ(m3/s)
式中：Q－矿井所需风量（即原始资料提供的风量）（m3/s）
K－设备漏风系数。
依《规范》第2-113条的规定：
当风井不作提升用途时，K＝1.1～1.15；
兼作箕斗井时，K＝1.15～1.20；罐笼时，K＝1.25～130。
2.风源必须产生的负压
风机制造厂提供轴流风机的同时，一般都随机提供扩散器；而离心风机则不带扩散器。各制造厂提供的特性曲线也不统一，对于轴流风机装置，通常提供的是静压特性；对于离心式风机，通常提供的是风机的全压特性因此，在进行选型设计时，应根据已知风源的不同特性，选用不同的计算方法。当已知风源静压特性的情况下，应计算风源必须产生的静压，其计算公式如下：
在通风容易时期：H′y.st=hmin+（Pa）
在通风困难时期：H″y.st=hmax+（Pa）
当已知风源的全压特性时，应计算风源必须产生的全压，其计算公式如下：
在通风容易时期：H′y=hmin++()Q (Pa)
在困难容易时期：H″y=hmax++()Q (Pa)
式中：hmin和hmax－通风容易时期和通风困难时期矿井负压（Pa）；
和－通风设备中，除风源以外的风道和辅助装置中风压损失。其值随风道和辅助装置的类型、流型、尺寸及工况的不同而改变。作为估计，可取100～200Pa，当工况流量接近风机工业利用区最大风量时取小值，反之取较大值。若设备中有消音器，另加50～80a；
（）Q－扩散器出口动压损失。（Pa）；
FK－扩散器出口截面积（m2）；
ρ－气流密度（kg/m3）。
三、选择风机
选择风机有两种方法。其一，利用风源类型特性选择；其二，利用风源个别特性选择。目前，各风机厂家均提供有风源的个别特性曲线，故在风机选型时，广泛应用第二种方法。下面仅对第二种方法予以介绍。因新型矿井均选用轴流式风机，故仅介绍轴流式风机的选型方法。
利用风源个别特性进行选型时，仅需根据前面计算的设计工况
K′(Qy, H′y.st)和K″（Qy, H″y.st）直接在特性曲线中查找即可。查找时，必须遵循以下两条原则：
①两个设计工况点K′（通风容易时期的工况点）和K″（通风困难时期的工况点）均应落在工业利用区内，即效率≥70％，通风困难时期的最大静压H″y st应小于风源装置最大静压Hy st max的90％；
②通风困难时期使用的叶片安装角应比叶片的最大安装角大
3°～5°。
风机的个体特性曲线很多，应根据上述二条原则耐心查找，找出效率最高、最合适的风机。
为进行方案比较、选取最佳方案，应选择2～3种风机。
四、求实际工况点及工况参数
实际工况点为等效网路静压特性曲线与风机装置静压特性曲线的交点。风机装置静压特性曲线是风机厂家提供的特性曲线，是已知曲线。等效网路静压特性曲线是根据矿井的通风参数需要求作的曲线，求作方法如下：
1.计算等效网路静压阻力系数R
R=
式中: Hy.st－矿井负压，在两曲线的交点处，等于风源必须产生的静压（Pa）；
Qy－网路风量，在两曲线的交点处，等于风源必须产生的风量（m3/s）。
将通风容易时期和通风困难时期的静压和风量分别代入，即可得出不同时期的等效网路阻力系数R′和R″。
2.求等效网路静压特性方程
等效网路静压特性方程如下：
通风容易时期：h′=R′Q (Pa)；
通风困难时期：h″=R″Q (Pa)。
3.作等效网路静压特性曲线
以适当的Qy值分别代入上二式，求出等效网路静压特性曲线上各坐标的参数，然后求点描迹，即可求出通风容易时期和通风困难时期的等效网路静压特性曲线。该两条曲线与风机静压特性曲的交点，即为实际工况点，该点所对应的参数即为实际工况点参数。通风机选型正确，工况点应位于工业利用区内。
五、确定调节方法
对轴流式通风机，均采用改变叶片安装角度的方法对工况进行调节。初期安装角运行一定时期后，随着井下巷道的延伸，通风阻力会逐渐增大，风量会逐渐减小，当风量减小到不能满足通风要求时，就必须将风机叶片的角度向大一挡的方向调整。如BDK系列，初期安装角若为“0”度，则应调至“＋3°”，对2K60系列，初期安装角若为25°，则应调至30°。
六、选择电动机
在通风容易时期和通风困难时期，电动机必须输出的功率分别为：
通风容易时期：N′＝（kW）
通风困难时期：N″＝（kW）
式中：′y.st和″y.st－通风容易时期和通风困难时期的风机效率；
c－电机与风机之间的传动效率;
BKD系列为直接传动，c＝1；
其余系列均为联轴器传动. c＝0.98。
在根据各时期必须输出的功率，决定电机容量时，应考虑到由于矿井网路特性不够精确，所需功率有可能不足的情况，增加10~20％的备用量。除此之外，还应考虑由于电机负载小，对功率因数（cosφ）的不良影响。
若采用同步电动机，则应按同步电机服务年限内最大功率选择，以改善功率因数。假若通风困难时期发生在电机服务年限内，则电机功率为Nd=(1.1~1.2)N″。
采用感应电动机时，若通风困难时期发生在电机服务年限内，而
N′对N″之比大于0.6时，也可以选用一台功率为Nd=(1.1~1.2)N″电机。若N′对V″之比小于0.6，为了减少由于负载小而产生的对功率因数不利的影响，可以考虑选用两台，后期采用Nd=(1.1~1.2)N″，前期采用Nd=(1.1~1.2)的电机。
据《煤矿安全手册》第一篇“矿井通风安全”的推荐：
N<200kW时，宜选用低压鼠笼式（JS系列）电动机；
N>250kW时，宜选用高压鼠笼式（JS系列）电动机；
N>400kW时，可选用同步电动机；
当可以用高压电动机时，应优先选用高压电动机；
当风机有调速要求时，宜选用绕线式（JR系列）异步电动机。
七．平均年电耗
由于通风网路阻力系数随着开采工作的推移而变化，工况点和电耗也随之而变。因此，难以非常精确地计算能耗。
对于通风网路阻力系数变化不大，而且中期无需进行调节的通风机，可按下式计算电耗：
E=﹒r﹒T (kW﹒h)
式中：d－电机效率；
w－电网效率；
r－每天工作小时数；
T－每年工作昼夜数。
对于通风网路阻力系数变化较大，中期需要进行调节的通风机，可分别计算电耗，而后求平均值。为了便于叙述，用下图进行说明，图中曲线1和曲线2，分别为通风容易时期和困难时期等效网路特性曲线，需要风机产生和风量为Qc(300m3/s)，通风容易时期采用35°安装角，工况为d。运转一定时期（TQ1）后，网路特性逐渐变化为曲线3，此时需调节安装角到40°，否则将不能满足风量Qc。调节后，工况点转移到e，再运转一定时期（TQ2）后，网路特性变化到曲线2，工况点为f。
通常情况下，通风容易时期出现在开采初期，困难时期发生在末期。近似地认为，由初期到末期通风所需风压与运转期成线性关系，则各运转期占整个运转期TQ的比值为：

式中：Ha, Hb, Hc－初期，末期和转折期产生风量Qc所需的风压。
各时期平均年电耗可按下式计算：
Ei＝
式中：Qpi－该运转时期平均风量（m3/s），
如：TQ1运转期，Qp1=；TQ2运转期, Qp2=；
Hpi－该运转时期平均风压（Pa），
如: TQ1运转期,Hp1=；TQ2运转期，Hp2= ；
pi－该运转时期平均效率，
如: TQ1运转期，p1=；TQ2运转期p2=；
c－传动效率；
d－电动机效率；
w－电网效率；
ri－该运转期每天工作小时数（h）；
Ti－该运转期每天工作昼夜数（d）；
i－运转期号，i＝1，2
在整个运转期限内，平均年耗电量为：
E＝(kw﹒h)

(附图：略)

八、方案的比较与确定
进行方案比较时，可从安全可靠和经济性两方面进行比较，安全可靠的主要指标是角度余量和风压余量，即在通风困难时期使用的叶片安装角度是否满足比最大安装角小3°～5°和使用的风压是否小于最大风压的90％。经济性的主要指标是平均效率，最低效率和平均年电耗。显而易见：在保证安全可靠的前提下，效率越高，年电耗越小，方案就越合理。
经过上述的分析比较后，即可确定最佳的方案。
九、风机及配套电机数量的确定
据《规范》第2—131条，低沼气大中型矿井主要通风机设备必须有两套，一套工作，一套备用的规定，应选用二台风机和二台电动机。

附　录
1. BDK系列风机特性曲线汇编（设计时提供）
2. 2K60系列、1K58系列、2K58系列风机特性曲线汇编（设计时提供）
3. 通风选型设计原始资料（题库）（设计时提供）。
参考书
1.《煤炭工业设备手册》上册，中国矿业大学出版社1992。
2.《采矿设计手册》4，矿山机械篇，中国建筑工业出版社，1986
3.《机械设计手册》第五册，化学工业出版社，第三版2001，第四版2002
4.《煤矿电工手册》第一分册，（新版精装）
《矿井主要通风机选型设计说明书》质量要求
1. 方案要合理，计算要准确，步骤要清淅，内容要丰富。
2. 书写要干净整齐，字体要公正美观，不准使用除自己外谁也不认识的草书和行书字体。
3. 要独立完成选型设计的任务，不准相互抄袭，不准两人合作一题，若发现有两份完全相同的说明书，该两份说明书一律按不及格处理。