王從陸吳國(guó)珉王 根

（1.中南大學(xué)資源與安全工程學(xué)院；2.大冶有色控股集團(tuán)有限公司）

風(fēng)機(jī)并聯(lián)運(yùn)轉(zhuǎn)效能分析及工況優(yōu)化*

王從陸1，2吳國(guó)珉2王 根2

（1.中南大學(xué)資源與安全工程學(xué)院；2.大冶有色控股集團(tuán)有限公司）

在構(gòu)建風(fēng)機(jī)并聯(lián)運(yùn)轉(zhuǎn)數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，分析了風(fēng)機(jī)并聯(lián)運(yùn)轉(zhuǎn)的等效風(fēng)阻變化規(guī)律。從節(jié)能的角度分析了風(fēng)機(jī)總能耗最小的條件。以銅綠山礦井通風(fēng)系統(tǒng)作為實(shí)例，分析了風(fēng)機(jī)工況點(diǎn)變化的規(guī)律。研究表明：并聯(lián)風(fēng)機(jī)的選擇需要綜合考慮風(fēng)量、風(fēng)壓和風(fēng)機(jī)之間的匹配關(guān)系；并聯(lián)通風(fēng)系統(tǒng)中風(fēng)量調(diào)節(jié)的難度大；風(fēng)門(mén)或風(fēng)墻對(duì)風(fēng)流分配的影響巨大；日常通風(fēng)管理的關(guān)鍵在于風(fēng)門(mén)管理和均衡需風(fēng)量。

風(fēng)機(jī)并聯(lián) 聯(lián)合運(yùn)轉(zhuǎn) 效能分析 工況優(yōu)化

礦井通風(fēng)系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的非線(xiàn)性系統(tǒng)，具有隨機(jī)性、模糊性和不確定性特征［1-4］。對(duì)于老的金屬礦山來(lái)說(shuō)，由于歷史或現(xiàn)實(shí)的原因，礦井通風(fēng)系統(tǒng)不能有效地為生產(chǎn)服務(wù)，采用更換風(fēng)機(jī)或增加開(kāi)拓工程的方法來(lái)改變通風(fēng)效果不佳的問(wèn)題，從經(jīng)濟(jì)上和生產(chǎn)安排上都難以接受［5-6］，因此，通常采用多中段并聯(lián)分區(qū)通風(fēng)或多級(jí)機(jī)站接力通風(fēng)的方式［7-9］。從本質(zhì)上講，這是多風(fēng)機(jī)并聯(lián)聯(lián)合運(yùn)轉(zhuǎn)的問(wèn)題。大冶有色金屬控股集團(tuán)的銅綠山礦根據(jù)礦山的實(shí)際情況，采用多風(fēng)機(jī)并聯(lián)作業(yè)解決井下風(fēng)量不足的問(wèn)題。本研究將構(gòu)建銅綠山礦兩風(fēng)機(jī)并聯(lián)作業(yè)的模型，從等效風(fēng)阻和風(fēng)機(jī)能耗等方面，結(jié)合礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)值解算，提出優(yōu)化風(fēng)機(jī)并聯(lián)運(yùn)行的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，達(dá)到礦井通風(fēng)高效、節(jié)能的通風(fēng)目標(biāo)。

1 分析模型

對(duì)于中段多風(fēng)機(jī)并聯(lián)作業(yè)，基本模型如圖1。通過(guò)通風(fēng)圖的等效拓?fù)渥兓?，圖1可以轉(zhuǎn)化集中并聯(lián)，如圖2。由于A→B和E→F的風(fēng)量相等，可以把AB和EF看成1條風(fēng)路，其風(fēng)阻等效為R0。

圖1 風(fēng)機(jī)并聯(lián)作業(yè)

2 等效風(fēng)阻分析

風(fēng)機(jī)1＃和風(fēng)機(jī)2＃聯(lián)合運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，風(fēng)機(jī)的風(fēng)量分別為Q1和Q2。假設(shè)風(fēng)機(jī)1＃服務(wù)的A→B→E→F風(fēng)網(wǎng)的等效風(fēng)阻為RF1，根據(jù)通風(fēng)阻力定律有

圖2 風(fēng)機(jī)等效集中并聯(lián)作業(yè)

若風(fēng)機(jī)2＃服務(wù)的A→B→C→E→F風(fēng)網(wǎng)的等效風(fēng)阻為RF2，根據(jù)通風(fēng)阻力定律有

由于風(fēng)機(jī)1＃和風(fēng)機(jī)2＃同時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)，E→F，A→B段的風(fēng)量是相同的，有

對(duì)式（1）、式（2）和式（3）做處理，可以得到

由式（4）和式（5）可以看出，每臺(tái)風(fēng)機(jī)的實(shí)際工作風(fēng)阻除與各自的風(fēng)路的風(fēng)阻R1和公共風(fēng)路的風(fēng)阻R0有關(guān)外，還與2臺(tái)風(fēng)機(jī)的實(shí)際風(fēng)量的比例有關(guān)。同樣每臺(tái)風(fēng)機(jī)的實(shí)際工況點(diǎn)取決于各自的風(fēng)路的風(fēng)阻R1和公共風(fēng)路的風(fēng)阻R0有關(guān)外，還取決于2臺(tái)風(fēng)機(jī)實(shí)際風(fēng)量的比例。

對(duì)風(fēng)機(jī)而言，其風(fēng)機(jī)特性曲線(xiàn)是固定的。若風(fēng)機(jī)1＃單獨(dú)為對(duì)應(yīng)中段服務(wù)，風(fēng)網(wǎng)的風(fēng)阻為R1＋R0，若風(fēng)機(jī)2＃單獨(dú)為對(duì)應(yīng)中段服務(wù)，風(fēng)網(wǎng)的風(fēng)阻為R2＋R0。由于

所以，風(fēng)機(jī)聯(lián)合運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)風(fēng)網(wǎng)的等效風(fēng)阻比風(fēng)機(jī)單獨(dú)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)風(fēng)網(wǎng)的風(fēng)阻大。

對(duì)金屬礦山而已，一般進(jìn)、回風(fēng)段的阻力占全礦阻力的50%～70%，有的礦山甚至更高，因此，風(fēng)機(jī)并聯(lián)運(yùn)轉(zhuǎn)，對(duì)風(fēng)機(jī)有效工況點(diǎn)的影響是明顯的。

假設(shè)

單獨(dú)工作時(shí)風(fēng)阻為3 R1，分析不同的風(fēng)量比例對(duì)風(fēng)網(wǎng)的等效風(fēng)阻的影響，分析結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 不同風(fēng)量比例情況下風(fēng)網(wǎng)等效風(fēng)阻變化曲線(xiàn)

從圖3可以看出，隨著Q1／Q2比值的變大，風(fēng)量小的分支上安裝的風(fēng)機(jī)，其等效風(fēng)阻快速增大，風(fēng)機(jī)工況點(diǎn)向左邊偏移，落在大風(fēng)壓小風(fēng)量的區(qū)域。風(fēng)量相對(duì)較大的風(fēng)機(jī)，其通風(fēng)區(qū)域的等效風(fēng)阻出現(xiàn)緩慢增大。風(fēng)機(jī)工況點(diǎn)向左邊偏移，落在大風(fēng)壓小風(fēng)量的區(qū)域。其變化規(guī)律參見(jiàn)圖4。由此可見(jiàn)，給礦井通風(fēng)系統(tǒng)增加1臺(tái)并聯(lián)風(fēng)機(jī)，原工作風(fēng)機(jī)的工況會(huì)有較大的改變。

圖4 風(fēng)網(wǎng)等效風(fēng)阻變化對(duì)風(fēng)機(jī)工況的影響

3 并聯(lián)風(fēng)機(jī)能量分析

假設(shè)2風(fēng)機(jī)在不同中段并聯(lián)工作，風(fēng)機(jī)風(fēng)量分別為Q1和Q2，有

1＃風(fēng)機(jī)的總能量

2＃風(fēng)機(jī)的總能量總的風(fēng)機(jī)能耗最小。其含義為1＃風(fēng)機(jī)的能量?jī)H用于克服R1段和公共段的阻力；2＃風(fēng)機(jī)的能量?jī)H用于克服R2段和公共段的阻力。2風(fēng)機(jī)之間沒(méi)有由于風(fēng)機(jī)不匹配而產(chǎn)生循環(huán)風(fēng)。

兩風(fēng)機(jī)的總能量

求解得到

要使風(fēng)機(jī)的總能量最小，令

考慮式（6），當(dāng)

4 實(shí)例分析

為研究多風(fēng)機(jī)聯(lián)合作業(yè)時(shí)，風(fēng)機(jī)工況之間的耦合情況，參照銅綠山礦井通風(fēng)系統(tǒng)模型，見(jiàn)圖5。風(fēng)流的方向通過(guò)風(fēng)門(mén)或風(fēng)墻進(jìn)行控制。通風(fēng)模型系統(tǒng)中布置2個(gè)風(fēng)機(jī)，分別為1＃風(fēng)機(jī)和2＃風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)運(yùn)行參數(shù)見(jiàn)表1。

圖5 銅綠山礦井通風(fēng)系統(tǒng)局部網(wǎng)絡(luò)

表1 風(fēng)機(jī)工況點(diǎn)參數(shù)

從表1中可知，2風(fēng)機(jī)并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，1＃風(fēng)機(jī)風(fēng)量減少9.7 m3，風(fēng)壓增加571 Pa；2＃風(fēng)機(jī)風(fēng)量減少6.6 m3，風(fēng)壓增加421 Pa。說(shuō)明聯(lián)合運(yùn)轉(zhuǎn)后，2＃風(fēng)機(jī)的風(fēng)壓都增大了，風(fēng)量都減少了。由于2＃風(fēng)機(jī)的風(fēng)量大于1＃風(fēng)機(jī)的風(fēng)量，因此，并聯(lián)運(yùn)轉(zhuǎn)后，1＃風(fēng)機(jī)的工況點(diǎn)變化大于風(fēng)機(jī)2的，與理論分析吻合。

5 結(jié) 論

（1）在多風(fēng)機(jī)并聯(lián)運(yùn)行通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)中，風(fēng)門(mén)的調(diào)節(jié)對(duì)于各中段的風(fēng)流分配的影響巨大，日常通風(fēng)管理的關(guān)鍵在于風(fēng)門(mén)管理。

（2）風(fēng)機(jī)進(jìn)行多中段并聯(lián)作業(yè)時(shí)，中段風(fēng)機(jī)的選擇不能僅根據(jù)本中段的風(fēng)量和風(fēng)壓來(lái)選擇，而要考慮其他相關(guān)中段和各風(fēng)機(jī)之間的耦合作用。

（3）風(fēng)機(jī)多中段并聯(lián)作業(yè)，中段風(fēng)量調(diào)節(jié)的難度非常大。風(fēng)量調(diào)節(jié)通常采用風(fēng)門(mén)調(diào)節(jié)，增加了系統(tǒng)阻力，以有效風(fēng)量的減少為代價(jià)。

（4）風(fēng)機(jī)進(jìn)行多中段并聯(lián)作業(yè)時(shí)，需要均衡生產(chǎn)，使上下中段的需風(fēng)量大致相等，實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)節(jié)能。

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Operating Point Optim ization and Effectiveness Analysis of Parallel Fan

Wang Conglu1，2Wu Guomin2Wang Gen2
（1.School of Resources and Safety Engineering，Central South University；2.Daye Non-FerrousMetals Group Holdings Co.，Ltd.）

Based on themathematicalmodel of parallel fan operating，the change law of equivalentwind resistance of parallel fan was analyzed.Condition ofminimum fan total energy consumption can be drawn from the point of energy-saving.Taking themine ventilation system of Tonglushan as an example，the operating point change law of parallel fan is studied.Studies show that：Selection of parallel fan needs to comprehensively consider thematching relationship among the air pressure，the air volume and the parallel fan；It is very difficult to control air volume in amine ventilation system of parallel fan；The air door and air partition play an important role in air flow distribution.The key in routine ventilationmanagement lies in the air door and the balanced demand air volume.

Parallel fan，Joint operation，Effectiveness analysis，Operating point optimization

2013-06-24）

*國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（編號(hào)：50974132）。

王從陸（1972—），男，講師，博士，430074湖南省長(zhǎng)沙市麓山南路605號(hào)。