浙江恒通风机有限公司
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矿用轴流式风机节能途径探讨
【发布时间:2017/9/22】
在煤矿生产中,矿井通风系统是重要的生产系统之一。矿井主要通风机是矿井通风系统中最重要的设备。由于我国矿井轴流式主通风机功率大、耗电量高,但在实际生产中却存在运行效率低及能源浪费较大的现象[1] ,因此提高通风机机组的运行即工况效率,对节能降耗具有重要意义。
   GB/T13470-2008通风机系统经济运行标准规定:机组实际运行效率与额定效率相比,其比值大于0.85,则认定机组运行经济;其比值在0.70~0.85之间,则认定机组运行合理;其比值小于0.70,则认定机组运行不经济。目前,我国生产的矿用轴流式通风机的最高静压效率约为85%,按经济运行条件(在此只考虑通风机本身的效率,不考虑电动机等电器设备),通风机的运行效率即工况效率应不低于72.25%。据统计,我国煤矿轴流式主要通风机在整个服务年限内,运行效率达到经济运行条件的较少,大多矿井轴流式主要通风机的运行效率远低于国家规定的经济运行标准。如2011年,从某省煤矿安全技术中心对该省煤矿轴流式主要通风机进行测试的结果看,大多数矿井达不到国家标准规定的经济运行条件,其中两个国有煤矿采用的FBCDZ型矿井主要通风机的运行效率分别为32.5%和60%,远低于国家规定的不低于最高效率的85%,即运行效率不低于72.25%的经济运行标准[2] 。
1 通风机经济运行理论分析
  通风机的经济运行条件为通风机的工况点效率不低于最高效率的85%(暂不考虑机组电气设备效率),其效率不仅取决于通风机本身,还取决于矿井通风网络的配置情况。矿井通风系统的经济性取决于通风设备机组、通风网络及通风机的运行状况,是一个复杂的系统工程。在此,主要分析轴流式通风机的经济性。 
  轴流式通风机的轴功率采用静压轴功率,计算公式为:
           Pst=Pstqv/1000ηst     (1)
式中:Pst为静压轴功率,kW;pst为静压,Pa;qv为风量,m/s3;ηst为静压效率。根据矿井通风要求,必须保证矿井通风风量qv和矿井通风负压(静压)pst。从式(1)中可以看出,在保证通风机的风量qv和静压pst的情况下,工况点静压效率ηst越小,通风机静压轴功率Pst越大,电动机的输出功率越大,耗电量越大;反之,静压效率越大,耗电量越小。所以,要尽可能地提高通风机工况点的静压效率ηst,降低通风机的轴功率,以达到经济运行和节能降耗的目的[3] 。
  在生产的矿井中,矿井通风机系统的风量和风压随开采阶段的不同而不同,一般是矿井开采初期风量、风压小,随着开采深度的增加,风量、风压不断增大,开采末期风量、风压最大。所以,在通风机运行中,需要不断对工况点进行调节,工况点的变化会使通风机的工况(运行)效率发生变化,很多情况下还会使效率降低。所以,为保证通风机的经济运行,满足经济工作条件,应采取合理的方法和措施,使通风机工况点在矿井通风的各个阶段都处于经济、高效运行区,以保证通风机的高效经济运行。
2 矿用轴流式风机节能措施分析
  首先选择高效通风机,并使通风机工况点始终处于高效经济区。此外,电动机的功率因数对节能影响较大,应尽量提高通风机电动机的功率因数。通风机选型时,在选择高效通风机的同时,必须结合通风矿井的实际情况,充分考虑通风机在运行中的调节方法,通过全面的对比分析,选择在各个运行阶段工况点通过综合调节都处于高效运行的通风机,并采用变频调速技术,选择变频调速电动机或原电动机加装变频器改造,提高电动机的功率因数[4] ,以提高有功功率。
3 通风机的节能途径
3.1 合理选择高效风机
  在技术条件相同或接近的情况下,首先选择经济性好的通风机[5] 。由于矿井通风机在运行中工况点需要不断地进行调节,所以,在选择通风机时,必须认真分析所选通风机的调节方法,能够运用这些调节方法使通风机在运行中工况点效率满足经济运行条件,并尽可能使通风机的运行效率处于最高。目前,我国生产使用的高效矿用防爆轴流式主要通风机主要有FBC(D)Z型和2K型等,它们的最高静压效率都在85%左右[6] 。但是,矿井通风条件多种多样,复杂多变,现有产品有时难以满足具体矿井通风机的经济性要求,这是在矿井通风机选型中经常遇到的问题。因此,在现有产品或通过调节都不能满足经济性要求时,应根据矿井的具体情况,采用个性化设计,设计出同时满足矿井通风和经济性要求的通风机。据统计,通风机在整个服务年限内,电耗量约占通风机全部费用的80%以上,尽管采用个性化设计成本较高,但是,由于个性化设计的通风机在整个服务年限内效率高、耗电量低,大多情况下能降低整个通风的费用。
3.2 矿井轴流式通风机的调节方法及应用
  目前,我国制造生产的矿用防爆轴流式风机的调节方法主要有:闸门节流法、改变叶片安装角调节法、变速调节法[7] 、去掉一级叶轮及去掉部分叶片等。最常用的是前三种。
3.2.1 闸门节流法及应用
  闸门节流法通过适当关闭引风道上的调节风门,增大通风网络的阻力,使通风网络的特性曲线向上移动,通风机工况点向左移动,以达到减小风量的目的。初期时通风机的风量较大,为减小风量,常采用此方法进行调节。此方法具有简单、方便的特点,但在调节风门处有附加损失,是一种不经济的调节方法[8] 。
  对于轴流式通风机,在同一叶片安装角度下,采用此方法进行调节不仅达不到节能的目的,还会造成能源浪费。一些文献和教科书在介绍此方法时,没有考虑轴流式通风机的节能问题,给使用者造成了一定的误解。图1为FBCDZN022B/160×2轴流式通风机的性能曲线,风机叶片安装角为49°/41°。图中曲线1为调节前通风网络的静阻力特性曲线,M1为调节前工况点,风量为85m3/s,静压轴功率(图中A点对应的功率)为225kW。图中曲线2为调节后通风网络的静阻力特性曲线,M2为调节后工况点,风量为75m3/s,静压轴功率(图中B点对应的功率)为240kW。调节后,风量减小了10m3/s,静压轴功率增大了15kW,造成了能源浪费。这是由轴流式风机的性能决定的,风量增加,风压下降较快;风量减小,风压上升较快,轴功率反而增大。

图1 FBCDZN022B/160×2轴流通风机性能曲线图
  所以,从节能的观点来看,在同一叶片安装角度下,轴流式通风机不宜采用减小风量的闸门节流法进行调节。
3.2.2 改变叶片安装角度调节法及应用
  轴流式通风机叶片安装角一般可调,在不同叶片安装角度下,通风机的性能曲线不同,厂家一般都给出了不同叶片安装角度下的性能曲线。把通风网络特性曲线画在通风机的性能曲线上,和不同角度下的静压性能曲线相交,根据矿井需要的风量,把叶片安装角调节到需要的角度[9] 。改变叶片安装角度可以对风机进行风压、风量的调节,但是,采用该调节方法,通风机的工况点随之发生变化,通风机的效率也会发生变化,调节后可能使通风机的效率下降,造成能源浪费。所以,选择该方法对通风机工况进行调节时,应考虑所选通风机的性能和矿井通风的具体情况。根据节能的要求,如果采用此方法调节后使通风机的效率下降,甚至下降较大,则不宜采用该方法调节工况。下面以图2说明这种调节方法的合理应用。
如图2,某矿井采用FBCDZNo26/355×2通风机通风,图中曲线1为该矿井某一时期的通风网络曲线,为增大风量,需要把工况点从M1调节到M2,采用改变叶片安装角度的方法,把叶片安装角从46°/38°调节到49°/41°,从图中可知,工况点M1的静压效率为82%, 工况点M2的静压效率为85%,静压效率提高约3%,达到一定的节能目的。图2中曲线2为另一矿井某一时期的通风网络曲线,为增大风量,需要把工况点从M3调节到M4,从图2可知,工况点M3的静压效率为82%,工况点M4的静压效率接近75%,调节后静压效率下降约7%,不仅达不到节能的目的,而且造成能源浪费,特别是对于大功率通风机将造成较大能源浪费,所以,不宜采用这种调节方法。

图2 FBCDZNo26/355×2改变叶片安装角度调节法图
  采用改变叶片安装角度调节法,应根据矿井所用通风机的性能和矿井通风的实际情况,认真的分析比较,在工况效率提高或不变的情况下,宜采用该调节方法,提高运行效率,以达到节能的目的。如果采用该方法使通风机的效率降低,特别是效率降低较大时,不宜采用该方法进行调节。
3.2.3 变速调节法及应用
  变速调节法即改变通风机叶轮转速调节法,其原理是比例定律。比例定律描述的是风机的风量、风压、轴功率以及效率与转速之间的关系。公式(2)为同一台通风机比例定律数学表达式。对于同一台风机,风量与转速的一次方成正比;风压与转速的平方成正比;轴功率与转速的三次方成正比;相似工况下效率不变(认为空气密度不变)。
          
式中:qv、qv′分别为调节前、后的风量,m3/s; p、p′分别为调节前、后的风压,Pa;Pa、Pa′分别为调节前、后的轴功率,kW;n、n′分别为调节前、后的转速,r/min;η、η′分别为调节前、后的效率[10] 。
  根据比例定律,在相似工况下,通风机的效率相等,实际上,对同一台通风机采用变速调节法的效率几乎不变。但是,采用该方法的前提条件是通风网络一定或网络阻力变化较小。从节能的角度讲,如果原工况处于高效运行区域,调节后的工况效率也处于高效区域,反之,如果原工况处于较低的运行效率,采用该方法调节后通风机运行效率依然较低。此外,如果通风网络变化较大,就应通过认真研究分析,确定该方法节能的合理性。
  采用改变叶轮转速调节法调节通风机的工况,应根据通风机的性能、矿井通风的具体情况、每个阶段通风机的运行状况及网络的变化情况,在效率提高或不变的情况下,采用改变叶轮转速调节法调节通风机工况,以达到节能的目的。采用改变叶轮转速法,电动机应能进行调速,现在应用最广泛的是变频调速技术,采用变频调速电动机,或对电动机进行改造,加装变频器。
  采用该方法的分析计算较繁琐,建议通风机生产厂家给出不同叶片安装角度和不同转速下的风机性能曲线,以便用户使用。
3.2.4 综合调节方法及应用
  由上所述,很多情况下,采用单一改变叶片安装角度或变速调节法,难以保证通风机始终处于高效运用区域,采用改变叶片安装角度和变速法来综合调节,常常可以达到较好的效果[11] 。下面以一实例分析综合调节方法的应用。
  某矿井采用FBCDZNo22/160×2通风机,图3为该通风机的性能曲线(图中静压轴功率没有绘出),图中曲线1为初期某一时期通风网络特性曲线,采用43°/35°叶片安装角,工况点M1,满足该时期矿井的通风要求。从图3中可以看出,通风机的运行效率即工况效率约为77%。为进一步提高通风机的运行效率,采用改变叶片安装角度和变速的综合方法调节工况,提高通风机的效率。调节方法是:先把叶片安装角调节到49°/41°,此时通风机的工况点为M,M点的静压效率约为85%,但此时风量、风压都大于矿井所需的风量和风压。然后用变速调节法使通风机转速降低,把工况点从M调节到M1。根据比例定律,在同一网络下,改变转速调节,通风机的效率几乎不变,调节后通风机的静压效率为85%,效率将提高约8%。该通风机配备两台电动机,单台电动机的额定功率为160kW,节能效果显著。


图3 FBCDZNo22B/160×2综合调节方法图
  具体调节、计算方法为:先把通风机的叶片安装角度从43°/35°调到49°/41°,即把工况点从M1调节到M,并确定出M1和M的工况参数,然后根据比例定律(式(2)),计算出从M调节到M1的转速,把通风机转速调节到需要的转速。
  采用改变叶片安装角和变速综合调节法,应根据所选通风机的性能和矿井通风的具体情况(网络的情况),进行综合分析研究。一般是先调节叶片安装角度,把该时期通风机的效率调节到高效区域,然后再采用改变转速调节法,通过减小或增大转速,满足通风需要,并提高通风机的效率,达到节能的目的。
4 变频调速技术及应用
  变频调速技术发展迅速,在工业生产中节能效果越发显著。变频调速技术即采用变频调速电机或原电动机加装变频器,适合在负荷变化的情况下使用,而在矿井通风中,风量、风压需不断地进行调节,通风机负荷不断地变化,在合理应用变频调速技术的情况下,通风机节能效果显著[12] 。
  从节能的角度看,通风机变频调速主要有两个方面:一是能显著提高电动机的功率因数,通风机采用的异步电动机功率因数一般在0.85左右,如果达不到额定效率,功率因数还会降低。通风机电动机加装变频器后,可显著提高电动机的功率因数,据一些厂家的说明书介绍,加装变频器后电动机的功率因数可提高到0.99。电动机输入功率计算公式为Nd=31/2 UI cosφ,式中cosφ为电动机的功率因数[13] 。矿井通风机功率大,耗电量高,如把电动机的功率因数cosφ从0.85提高到0.99,功率因数将提高14%,节能效果十分明显;二是合理采用变频调速(变速调节法、综合调节法),达到节能的目的。
  所以,运用变频技术,采用变频电机或原电动机加装变频器,可以达到节能的目的。但是,采用变频技术应进行认真研究分析,根据电气设备的性能特点和通风机的运行情况,合理选择变频电机或变频器。 
5 结论
  从全国矿井风机的运行状况来看,存在较大的能源浪费,风机运行中的节能潜力巨大,采取有效措施,做好风机节能工作,对降低生产成本,减少能源浪费,保证国民经济可持续发展,都具有重要意义。风机节能也是一个系统工程,不仅仅要考虑通风机的选型、调节及采用变频技术等措施,还应优化通风网络,减小通风阻力。从通风机本身来看,应着重考虑以下几个方面:
  1) 合理选择高效通风机,并尽可能地把初期、末期工况点设计在通风机运行的高效区域。在现有通风机产品不能满足要求时,应考虑采用个性化设计,使通风机在整个服务年限内经济高效运行,达到节能降耗的目的;
  2) 合理采用改变叶片安装角度、变速调节或综合运用两种调节方法,使通风机始终高效经济运行,达到节能降耗的目的;
  3) 合理运用变频技术,提高通风机电动机的功率因数,提高电动机的效率,并通过变频调速调节工况,达到节能降耗的目的。