程晉賢

（西山煤電集團(tuán)鎮(zhèn)城底礦通風(fēng)科， 山西 古交 030203）

引言

煤礦主風(fēng)機(jī)配套裝置是礦井通風(fēng)系統(tǒng)的主要組成部分，其包括擴(kuò)散塔、集流器、防爆門、風(fēng)硐、反風(fēng)門和擴(kuò)散器等[1]。主風(fēng)機(jī)配套裝置的設(shè)計(jì)是否合理和運(yùn)行質(zhì)量的高低都會(huì)影響到通風(fēng)系統(tǒng)的可靠性。因?yàn)橹黠L(fēng)機(jī)配套裝置可以在通風(fēng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)為井下供風(fēng)提供保障。而且主風(fēng)機(jī)配套裝置的通風(fēng)阻力是礦井通風(fēng)阻力的一部分，進(jìn)而會(huì)影響到礦井通風(fēng)電能的消耗。因此，對(duì)主風(fēng)機(jī)配套裝置進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，以保障礦井通風(fēng)系統(tǒng)的可靠性，降低多余的電能損耗。

1 問題概況及其分析

1.1 問題概況

某礦配有兩臺(tái)4-72No20B型離心式通風(fēng)機(jī)，一臺(tái)正常使用，另一臺(tái)備用。原配有75 kW的電機(jī)，因礦井向深部開采，提供的風(fēng)量不足，換成了150 kW的電機(jī)，額定轉(zhuǎn)速由389 r/min增長(zhǎng)到了605 r/min。經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，在更換電機(jī)后，風(fēng)量雖然得到了提高，但是低于更換電機(jī)時(shí)的設(shè)計(jì)風(fēng)量。在技術(shù)人員進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)考察后，發(fā)現(xiàn)由于主風(fēng)機(jī)配套裝置存在風(fēng)門漏風(fēng)、擴(kuò)散器設(shè)計(jì)不合理、風(fēng)機(jī)前盤與集流器連接間隙過大和集流器設(shè)計(jì)不合理的問題導(dǎo)致風(fēng)量不足。

1.2 問題分析

1）風(fēng)門漏風(fēng)。依靠固定在龍門架上的導(dǎo)向輪、鋼絲繩和垂直絞車完成垂直閘門的升降操作，進(jìn)而改變風(fēng)道的大小。由于垂直閘門的升降通道施工過于粗糙，導(dǎo)致風(fēng)門在閉合時(shí)存在缺口，無法完全密封[2]。而且由于漏風(fēng)口過大，即使使用軟性密封材料也無法密封。

2）擴(kuò)散器設(shè)計(jì)不合理。兩臺(tái)主風(fēng)機(jī)配備的擴(kuò)散器形狀與規(guī)格相同，擴(kuò)散角均為9°，在規(guī)定范圍內(nèi)。但是由于高度偏低導(dǎo)致擴(kuò)散度不足，從而使風(fēng)機(jī)運(yùn)行效率降低。

3）風(fēng)機(jī)前盤與集流器連接間隙過大。由于礦井的主風(fēng)機(jī)為抽出式通風(fēng)，經(jīng)過集流器的空氣較潮濕。集流器受空氣的腐蝕發(fā)生破損和形變，導(dǎo)致風(fēng)機(jī)前盤與集流器連接處出現(xiàn)間隙，并不斷擴(kuò)大，導(dǎo)致風(fēng)機(jī)的運(yùn)行效率降低。

4）集流器設(shè)計(jì)不合理。由于集流器的入口過小且與風(fēng)硐銜接質(zhì)量差，導(dǎo)致風(fēng)流從風(fēng)硐流入集流器時(shí)，風(fēng)道突然縮小，形成渦流區(qū)，造成風(fēng)流動(dòng)量損失，導(dǎo)致風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)口的風(fēng)流質(zhì)量降低，不利于風(fēng)機(jī)的運(yùn)行。

2 主風(fēng)機(jī)配套裝置的改進(jìn)

針對(duì)主風(fēng)機(jī)配套裝置存在風(fēng)門漏風(fēng)、擴(kuò)散器設(shè)計(jì)不合理、風(fēng)機(jī)前盤與集流器連接間隙過大和集流器設(shè)計(jì)不合理的問題可以通過對(duì)提升閘門、擴(kuò)散器、集流器和風(fēng)硐進(jìn)行改造來解決。

2.1 改造提升閘門

將兩根導(dǎo)軌固定在龍門架兩根立柱的內(nèi)側(cè)，作為垂直閘門的導(dǎo)軌。并在垂直閘門上端兩側(cè)均焊接一個(gè)滾輪架，每個(gè)滾輪架上配有兩個(gè)滾輪。通過導(dǎo)軌和滾輪限制垂直閘門，避免垂直閘門在上下移動(dòng)時(shí)出現(xiàn)傾斜而卡住，并且可以提高垂直閥門垂直升降的速度，在閉合時(shí)縮小空隙。

2.2 改造擴(kuò)散器

為降低主風(fēng)機(jī)出口壓的損失，通過在風(fēng)機(jī)的出口連接擴(kuò)散器，使風(fēng)機(jī)流出的風(fēng)流速度逐漸減小，提高風(fēng)機(jī)的靜壓。擴(kuò)散器若設(shè)計(jì)不合理，就會(huì)使通風(fēng)機(jī)的工作風(fēng)壓和效率降低，從而損失更多的電能。一般來講離心式通風(fēng)機(jī)的立式擴(kuò)散塔設(shè)計(jì)成方形，以降低施工難度。擴(kuò)散器的兩項(xiàng)重要參數(shù)決定著擴(kuò)散器的合理性，這兩項(xiàng)參數(shù)分別：擴(kuò)散器的擴(kuò)散角α（一般取8°～10°）；擴(kuò)散器的擴(kuò)散度β（擴(kuò)散器的出口面積A1與進(jìn)口面積A2之比，一般取2.5～4.0）。

原擴(kuò)散器進(jìn)風(fēng)口邊長(zhǎng)1.8 m，出風(fēng)口邊長(zhǎng)2.2 m，高度為2.5 m，擴(kuò)散器的擴(kuò)散角8.4°，擴(kuò)散度擴(kuò)散角在合理范圍內(nèi)，但是擴(kuò)散度低于合理值，使得出口轉(zhuǎn)化為靜壓的動(dòng)壓過少，導(dǎo)致動(dòng)壓損失過大，不利于通風(fēng)機(jī)效率的提高。

因此可提高擴(kuò)散器的擴(kuò)散角來提高通風(fēng)機(jī)的工作效率。不對(duì)擴(kuò)散器的進(jìn)風(fēng)口進(jìn)行改變，將出風(fēng)口的邊長(zhǎng)擴(kuò)大為3.2 m，高度增加為5 m。則擴(kuò)散角，擴(kuò)散度經(jīng)過改進(jìn)，擴(kuò)散器的擴(kuò)散度與擴(kuò)散角均在合理范圍內(nèi)。因此對(duì)擴(kuò)散器的改造合理。

2.3 改造集流器和風(fēng)硐

一般將集流器與風(fēng)機(jī)前盤之間的空隙設(shè)置為葉輪直徑的3%～4%。4-72No20B型離心式通風(fēng)機(jī)的葉輪直徑為167 cm，因此應(yīng)將間隙控制在5～6mm。而風(fēng)機(jī)集流器與風(fēng)機(jī)前盤實(shí)際對(duì)接間隙為12～20mm，間隙極不均勻。而且在風(fēng)硐矩形斷面與集流器圓形端面連接處留有臺(tái)階，這會(huì)導(dǎo)致風(fēng)流突然收縮，造成局部損失。因此需要將已銹蝕的集流器進(jìn)行更換，將原有的臺(tái)階進(jìn)行平整處理，改造成光滑的曲線。新集流器在安裝前需先進(jìn)行檢查，保證圓周的高度差不大于10mm，檢驗(yàn)合格后均勻涂上防銹漆。兩種措施共同作用，改善風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)口的風(fēng)道阻力。

3 改進(jìn)效果分析

3.1 外部漏風(fēng)率

外部漏風(fēng)率μ為：

式中：θ1為改進(jìn)前漏風(fēng)量，取 15.69 m3/s；θ2為改進(jìn)前漏風(fēng)量，取11.22 m3/s。則外部漏風(fēng)率μ=28%，降低了28%。

3.2 擴(kuò)散器效率

從阻力、靜壓和損失比三個(gè)方面比較擴(kuò)散器改造前后的效率[3]。

1）阻力。由于改造后擴(kuò)流器的尺寸較大，因此其過流斷面也增大，風(fēng)流經(jīng)過擴(kuò)散器的阻力也會(huì)縮小。經(jīng)技術(shù)人員實(shí)測(cè)改進(jìn)前擴(kuò)散器的阻力為128 Pa，改進(jìn)后擴(kuò)散器的阻力為98 Pa，因此經(jīng)過改進(jìn)，擴(kuò)散器的阻力降低了30 Pa。

2）靜壓。擴(kuò)散器出口氣流的速度V1為：

式中：Q為擴(kuò)散器的流量，取2450 m3/s；S1為擴(kuò)散器出口面積，取10.2 m2。則，擴(kuò)散器出口氣流的速度V1=3.9 m/s。

動(dòng)壓損失ΔPm為：

式中：ρ為空氣密度，取1.21 m3/s；V1為擴(kuò)散器出口氣流的速度，取3.9 m/s。則動(dòng)壓損失ΔPm=9.2 Pa。

靜壓增量ΔPs為：

式中：P'm為擴(kuò)散器改造前風(fēng)機(jī)動(dòng)壓，取192.09 Pa；ΔPm為擴(kuò)散器改進(jìn)后動(dòng)壓損失，取9.2 Pa；δ'為改造前擴(kuò)散器阻力，取128 Pa；δ為改造后擴(kuò)散器阻力，取98 Pa。則靜壓增量ΔPs=210.89 Pa。

3）損失比。擴(kuò)散器經(jīng)過改進(jìn)，損失比ε為：

式中：δ為改造后擴(kuò)散器阻力，取98 Pa；δ'為改造前擴(kuò)散器阻力，取128 Pa；ΔPm為擴(kuò)散器改進(jìn)后動(dòng)壓損失，取9.2 Pa；P'm為擴(kuò)散器改造前風(fēng)機(jī)動(dòng)壓，取192.09 Pa。則損失比ε=33.5%。

3.3 效率分析

舊擴(kuò)散器的效率λ1為：

式中：Psro為擴(kuò)散器改造前靜壓回收量，Pa；ρ為空氣密度，kg/m3；Vz2為風(fēng)機(jī)主軸向氣流速度，m/s。

改造后擴(kuò)散器的效率λ2為：

式中：Psrn為擴(kuò)散器改造后前靜壓回收量，Pa；ρ為空氣密度，kg/m3；Vz2為風(fēng)機(jī)主軸向氣流速度，m/s。

則改進(jìn)后擴(kuò)散器的效率與改進(jìn)前效率之比λ為：

式中：Psrn=1368.89 Pa；Psro=1158 Pa。則改進(jìn)后擴(kuò)散器的效率與改進(jìn)前效率之比λ=1.2。

3.4 經(jīng)濟(jì)效益

對(duì)風(fēng)機(jī)的配套裝置進(jìn)行改進(jìn)可以降低主風(fēng)機(jī)的動(dòng)壓損失，進(jìn)而節(jié)省電能。主風(fēng)機(jī)的配套裝置在進(jìn)行改進(jìn)后每年可節(jié)省的通風(fēng)電能W為：

式中：ΔPs為靜壓增量，取210.89 Pa；Q為擴(kuò)散器的流量，取2450 m3/s；σ1為改進(jìn)后風(fēng)機(jī)的靜壓效率，取0.259；σ2為傳動(dòng)效率，取 0.9；σ3為電動(dòng)機(jī)效率，取0.8。則主風(fēng)機(jī)的配套裝置在進(jìn)行改進(jìn)后每年可節(jié)省的通風(fēng)電能W=2.43×104kW·h。

4 結(jié)論

通過對(duì)離心式主風(fēng)機(jī)配套的提升閘門、擴(kuò)散器、集流器和風(fēng)硐進(jìn)行改造，有效解決了由于配套裝置設(shè)計(jì)與使用不合理導(dǎo)致風(fēng)量不足的問題。離心式主風(fēng)機(jī)配套裝置的改造不僅提高了通風(fēng)系統(tǒng)的可靠性還為煤礦企業(yè)每年節(jié)省通風(fēng)電能達(dá)2.43×104kW·h。