浙江恒通風機有限公司
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礦用軸流式風機節能途徑探討
【發布時間:2017/9/22】
在煤礦生產中,礦井通風系統是重要的生產系統之一。礦井主要通風機是礦井通風系統中最重要的設備。由于我國礦井軸流式主通風機功率大、耗電量高,但在實際生產中卻存在運行效率低及能源浪費較大的現象[1] ,因此提高通風機機組的運行即工況效率,對節能降耗具有重要意義。
   GB/T13470-2008通風機系統經濟運行標準規定:機組實際運行效率與額定效率相比,其比值大于0.85,則認定機組運行經濟;其比值在0.70~0.85之間,則認定機組運行合理;其比值小于0.70,則認定機組運行不經濟。目前,我國生產的礦用軸流式通風機的最高靜壓效率約為85%,按經濟運行條件(在此只考慮通風機本身的效率,不考慮電動機等電器設備),通風機的運行效率即工況效率應不低于72.25%。據統計,我國煤礦軸流式主要通風機在整個服務年限內,運行效率達到經濟運行條件的較少,大多礦井軸流式主要通風機的運行效率遠低于國家規定的經濟運行標準。如2011年,從某省煤礦安全技術中心對該省煤礦軸流式主要通風機進行測試的結果看,大多數礦井達不到國家標準規定的經濟運行條件,其中兩個國有煤礦采用的FBCDZ型礦井主要通風機的運行效率分別為32.5%和60%,遠低于國家規定的不低于最高效率的85%,即運行效率不低于72.25%的經濟運行標準[2] 。
1 通風機經濟運行理論分析
  通風機的經濟運行條件為通風機的工況點效率不低于最高效率的85%(暫不考慮機組電氣設備效率),其效率不僅取決于通風機本身,還取決于礦井通風網絡的配置情況。礦井通風系統的經濟性取決于通風設備機組、通風網絡及通風機的運行狀況,是一個復雜的系統工程。在此,主要分析軸流式通風機的經濟性。 
  軸流式通風機的軸功率采用靜壓軸功率,計算公式為:
          。衧t=Pstqv/1000ηst    。1)
式中:Pst為靜壓軸功率,kW;pst為靜壓,Pa;qv為風量,m/s3;ηst為靜壓效率。根據礦井通風要求,必須保證礦井通風風量qv和礦井通風負壓(靜壓)pst。從式(1)中可以看出,在保證通風機的風量qv和靜壓pst的情況下,工況點靜壓效率ηst越小,通風機靜壓軸功率Pst越大,電動機的輸出功率越大,耗電量越大;反之,靜壓效率越大,耗電量越小。所以,要盡可能地提高通風機工況點的靜壓效率ηst,降低通風機的軸功率,以達到經濟運行和節能降耗的目的[3] 。
  在生產的礦井中,礦井通風機系統的風量和風壓隨開采階段的不同而不同,一般是礦井開采初期風量、風壓小,隨著開采深度的增加,風量、風壓不斷增大,開采末期風量、風壓最大。所以,在通風機運行中,需要不斷對工況點進行調節,工況點的變化會使通風機的工況(運行)效率發生變化,很多情況下還會使效率降低。所以,為保證通風機的經濟運行,滿足經濟工作條件,應采取合理的方法和措施,使通風機工況點在礦井通風的各個階段都處于經濟、高效運行區,以保證通風機的高效經濟運行。
2 礦用軸流式風機節能措施分析
  首先選擇高效通風機,并使通風機工況點始終處于高效經濟區。此外,電動機的功率因數對節能影響較大,應盡量提高通風機電動機的功率因數。通風機選型時,在選擇高效通風機的同時,必須結合通風礦井的實際情況,充分考慮通風機在運行中的調節方法,通過全面的對比分析,選擇在各個運行階段工況點通過綜合調節都處于高效運行的通風機,并采用變頻調速技術,選擇變頻調速電動機或原電動機加裝變頻器改造,提高電動機的功率因數[4] ,以提高有功功率。
3 通風機的節能途徑
3.1 合理選擇高效風機
  在技術條件相同或接近的情況下,首先選擇經濟性好的通風機[5] 。由于礦井通風機在運行中工況點需要不斷地進行調節,所以,在選擇通風機時,必須認真分析所選通風機的調節方法,能夠運用這些調節方法使通風機在運行中工況點效率滿足經濟運行條件,并盡可能使通風機的運行效率處于最高。目前,我國生產使用的高效礦用防爆軸流式主要通風機主要有FBC(D)Z型和2K型等,它們的最高靜壓效率都在85%左右[6] 。但是,礦井通風條件多種多樣,復雜多變,現有產品有時難以滿足具體礦井通風機的經濟性要求,這是在礦井通風機選型中經常遇到的問題。因此,在現有產品或通過調節都不能滿足經濟性要求時,應根據礦井的具體情況,采用個性化設計,設計出同時滿足礦井通風和經濟性要求的通風機。據統計,通風機在整個服務年限內,電耗量約占通風機全部費用的80%以上,盡管采用個性化設計成本較高,但是,由于個性化設計的通風機在整個服務年限內效率高、耗電量低,大多情況下能降低整個通風的費用。
3.2 礦井軸流式通風機的調節方法及應用
  目前,我國制造生產的礦用防爆軸流式風機的調節方法主要有:閘門節流法、改變葉片安裝角調節法、變速調節法[7] 、去掉一級葉輪及去掉部分葉片等。最常用的是前三種。
3.2.1 閘門節流法及應用
  閘門節流法通過適當關閉引風道上的調節風門,增大通風網絡的阻力,使通風網絡的特性曲線向上移動,通風機工況點向左移動,以達到減小風量的目的。初期時通風機的風量較大,為減小風量,常采用此方法進行調節。此方法具有簡單、方便的特點,但在調節風門處有附加損失,是一種不經濟的調節方法[8] 。
  對于軸流式通風機,在同一葉片安裝角度下,采用此方法進行調節不僅達不到節能的目的,還會造成能源浪費。一些文獻和教科書在介紹此方法時,沒有考慮軸流式通風機的節能問題,給使用者造成了一定的誤解。圖1為FBCDZN022B/160×2軸流式通風機的性能曲線,風機葉片安裝角為49°/41°。圖中曲線1為調節前通風網絡的靜阻力特性曲線,M1為調節前工況點,風量為85m3/s,靜壓軸功率(圖中A點對應的功率)為225kW。圖中曲線2為調節后通風網絡的靜阻力特性曲線,M2為調節后工況點,風量為75m3/s,靜壓軸功率(圖中B點對應的功率)為240kW。調節后,風量減小了10m3/s,靜壓軸功率增大了15kW,造成了能源浪費。這是由軸流式風機的性能決定的,風量增加,風壓下降較快;風量減小,風壓上升較快,軸功率反而增大。

圖1 FBCDZN022B/160×2軸流通風機性能曲線圖
  所以,從節能的觀點來看,在同一葉片安裝角度下,軸流式通風機不宜采用減小風量的閘門節流法進行調節。
3.2.2 改變葉片安裝角度調節法及應用
  軸流式通風機葉片安裝角一般可調,在不同葉片安裝角度下,通風機的性能曲線不同,廠家一般都給出了不同葉片安裝角度下的性能曲線。把通風網絡特性曲線畫在通風機的性能曲線上,和不同角度下的靜壓性能曲線相交,根據礦井需要的風量,把葉片安裝角調節到需要的角度[9] 。改變葉片安裝角度可以對風機進行風壓、風量的調節,但是,采用該調節方法,通風機的工況點隨之發生變化,通風機的效率也會發生變化,調節后可能使通風機的效率下降,造成能源浪費。所以,選擇該方法對通風機工況進行調節時,應考慮所選通風機的性能和礦井通風的具體情況。根據節能的要求,如果采用此方法調節后使通風機的效率下降,甚至下降較大,則不宜采用該方法調節工況。下面以圖2說明這種調節方法的合理應用。
如圖2,某礦井采用FBCDZNo26/355×2通風機通風,圖中曲線1為該礦井某一時期的通風網絡曲線,為增大風量,需要把工況點從M1調節到M2,采用改變葉片安裝角度的方法,把葉片安裝角從46°/38°調節到49°/41°,從圖中可知,工況點M1的靜壓效率為82%, 工況點M2的靜壓效率為85%,靜壓效率提高約3%,達到一定的節能目的。圖2中曲線2為另一礦井某一時期的通風網絡曲線,為增大風量,需要把工況點從M3調節到M4,從圖2可知,工況點M3的靜壓效率為82%,工況點M4的靜壓效率接近75%,調節后靜壓效率下降約7%,不僅達不到節能的目的,而且造成能源浪費,特別是對于大功率通風機將造成較大能源浪費,所以,不宜采用這種調節方法。

圖2 FBCDZNo26/355×2改變葉片安裝角度調節法圖
  采用改變葉片安裝角度調節法,應根據礦井所用通風機的性能和礦井通風的實際情況,認真的分析比較,在工況效率提高或不變的情況下,宜采用該調節方法,提高運行效率,以達到節能的目的。如果采用該方法使通風機的效率降低,特別是效率降低較大時,不宜采用該方法進行調節。
3.2.3 變速調節法及應用
  變速調節法即改變通風機葉輪轉速調節法,其原理是比例定律。比例定律描述的是風機的風量、風壓、軸功率以及效率與轉速之間的關系。公式(2)為同一臺通風機比例定律數學表達式。對于同一臺風機,風量與轉速的一次方成正比;風壓與轉速的平方成正比;軸功率與轉速的三次方成正比;相似工況下效率不變(認為空氣密度不變)。
          
式中:qv、qv′分別為調節前、后的風量,m3/s; p、p′分別為調節前、后的風壓,Pa;Pa、Pa′分別為調節前、后的軸功率,kW;n、n′分別為調節前、后的轉速,r/min;η、η′分別為調節前、后的效率[10] 。
  根據比例定律,在相似工況下,通風機的效率相等,實際上,對同一臺通風機采用變速調節法的效率幾乎不變。但是,采用該方法的前提條件是通風網絡一定或網絡阻力變化較小。從節能的角度講,如果原工況處于高效運行區域,調節后的工況效率也處于高效區域,反之,如果原工況處于較低的運行效率,采用該方法調節后通風機運行效率依然較低。此外,如果通風網絡變化較大,就應通過認真研究分析,確定該方法節能的合理性。
  采用改變葉輪轉速調節法調節通風機的工況,應根據通風機的性能、礦井通風的具體情況、每個階段通風機的運行狀況及網絡的變化情況,在效率提高或不變的情況下,采用改變葉輪轉速調節法調節通風機工況,以達到節能的目的。采用改變葉輪轉速法,電動機應能進行調速,現在應用最廣泛的是變頻調速技術,采用變頻調速電動機,或對電動機進行改造,加裝變頻器。
  采用該方法的分析計算較繁瑣,建議通風機生產廠家給出不同葉片安裝角度和不同轉速下的風機性能曲線,以便用戶使用。
3.2.4 綜合調節方法及應用
  由上所述,很多情況下,采用單一改變葉片安裝角度或變速調節法,難以保證通風機始終處于高效運用區域,采用改變葉片安裝角度和變速法來綜合調節,常?梢赃_到較好的效果[11] 。下面以一實例分析綜合調節方法的應用。
  某礦井采用FBCDZNo22/160×2通風機,圖3為該通風機的性能曲線(圖中靜壓軸功率沒有繪出),圖中曲線1為初期某一時期通風網絡特性曲線,采用43°/35°葉片安裝角,工況點M1,滿足該時期礦井的通風要求。從圖3中可以看出,通風機的運行效率即工況效率約為77%。為進一步提高通風機的運行效率,采用改變葉片安裝角度和變速的綜合方法調節工況,提高通風機的效率。調節方法是:先把葉片安裝角調節到49°/41°,此時通風機的工況點為M,M點的靜壓效率約為85%,但此時風量、風壓都大于礦井所需的風量和風壓。然后用變速調節法使通風機轉速降低,把工況點從M調節到M1。根據比例定律,在同一網絡下,改變轉速調節,通風機的效率幾乎不變,調節后通風機的靜壓效率為85%,效率將提高約8%。該通風機配備兩臺電動機,單臺電動機的額定功率為160kW,節能效果顯著。


圖3 FBCDZNo22B/160×2綜合調節方法圖
  具體調節、計算方法為:先把通風機的葉片安裝角度從43°/35°調到49°/41°,即把工況點從M1調節到M,并確定出M1和M的工況參數,然后根據比例定律(式(2)),計算出從M調節到M1的轉速,把通風機轉速調節到需要的轉速。
  采用改變葉片安裝角和變速綜合調節法,應根據所選通風機的性能和礦井通風的具體情況(網絡的情況),進行綜合分析研究。一般是先調節葉片安裝角度,把該時期通風機的效率調節到高效區域,然后再采用改變轉速調節法,通過減小或增大轉速,滿足通風需要,并提高通風機的效率,達到節能的目的。
4 變頻調速技術及應用
  變頻調速技術發展迅速,在工業生產中節能效果越發顯著。變頻調速技術即采用變頻調速電機或原電動機加裝變頻器,適合在負荷變化的情況下使用,而在礦井通風中,風量、風壓需不斷地進行調節,通風機負荷不斷地變化,在合理應用變頻調速技術的情況下,通風機節能效果顯著[12] 。
  從節能的角度看,通風機變頻調速主要有兩個方面:一是能顯著提高電動機的功率因數,通風機采用的異步電動機功率因數一般在0.85左右,如果達不到額定效率,功率因數還會降低。通風機電動機加裝變頻器后,可顯著提高電動機的功率因數,據一些廠家的說明書介紹,加裝變頻器后電動機的功率因數可提高到0.99。電動機輸入功率計算公式為Nd=31/2 UI cosφ,式中cosφ為電動機的功率因數[13] 。礦井通風機功率大,耗電量高,如把電動機的功率因數cosφ從0.85提高到0.99,功率因數將提高14%,節能效果十分明顯;二是合理采用變頻調速(變速調節法、綜合調節法),達到節能的目的。
  所以,運用變頻技術,采用變頻電機或原電動機加裝變頻器,可以達到節能的目的。但是,采用變頻技術應進行認真研究分析,根據電氣設備的性能特點和通風機的運行情況,合理選擇變頻電機或變頻器。 
5 結論
  從全國礦井風機的運行狀況來看,存在較大的能源浪費,風機運行中的節能潛力巨大,采取有效措施,做好風機節能工作,對降低生產成本,減少能源浪費,保證國民經濟可持續發展,都具有重要意義。風機節能也是一個系統工程,不僅僅要考慮通風機的選型、調節及采用變頻技術等措施,還應優化通風網絡,減小通風阻力。從通風機本身來看,應著重考慮以下幾個方面:
  1) 合理選擇高效通風機,并盡可能地把初期、末期工況點設計在通風機運行的高效區域。在現有通風機產品不能滿足要求時,應考慮采用個性化設計,使通風機在整個服務年限內經濟高效運行,達到節能降耗的目的;
  2) 合理采用改變葉片安裝角度、變速調節或綜合運用兩種調節方法,使通風機始終高效經濟運行,達到節能降耗的目的;
  3) 合理運用變頻技術,提高通風機電動機的功率因數,提高電動機的效率,并通過變頻調速調節工況,達到節能降耗的目的。