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煤矿离心式风机改造及应用

发表时间:2020-07-02 16:07:20

煤矿离心式风机改造及应用

摘 要:山西某矿采用2台离心式通风机对矿井进行供风,一备一用,但通风机所提供的风量小于矿井实际所需风量,井下供风量不足导致工作面瓦斯超限情况时有发生,严重影响矿井安全生产,威胁工人的生命安全。针对这一问题,为满足井下正常通风需求,经分析提出了4种增加风量的方案。综合考虑通风效果、使用周期、可操作性和时间经济成本投入,最终确定将增大通风机的电机功率作为最佳改造方案,并在现场进行了实际改造应用,运行效果良好,所提供的风量能满足生产要求。

关键词:离心式通风机 改造 电机功率

引言

煤矿主通风机是整个井下通风系统的核心,也是矿井安全生产的关键设备,其运行效率直接关系到煤矿的生产效益和井下生产的安全性。近年来,随着井下通风技术的快速发展,安全高效、节能环保的通风机在多数矿井得到了普遍应用。基于电子技术的不断发展,通风机变频调节和PLC实时监控技术也愈加成熟,这为矿井主通风机的安全稳定运行奠定了坚实的技术基础[1]

山西某矿井于2000年投入生产,年设计生产能力80万t/a,采用斜井开拓方式,单水平开采3号煤层,布置有主斜井、进风立井和回风立井3个井筒,主斜井用于提煤、下料、行人、进风,作为矿井的一个安全出口;进风立井担负矿井部分进风任务;回风立井安装有折返式梯子间,为专用回风井兼作矿井的另一个安全出口。矿井主要通风机为2台离心式风机,1备1用,其中通风机全压为600 Pa,转速为600 r/min,皮带轮直径为630 mm,所配用的电动机额定功率为40 kW,转速可达1 000 r/min。经过现场测定,矿井实际通风量为13.30 m3/min,负压为450 Pa,负压效率为75%。由于目前主通风机所提供的实际风量要小于井下正常生产所需风量,工作面瓦斯超限情况时有发生。为了降低工作面瓦斯浓度,满足井下通风要求,根据《煤矿安全规程》规定,井下最小风量需大于22 m3/s。

1 矿井通风系统

由于矿井开采深度可达600 m,地应力较大,导致部分巷道断面减小不足5 m2。而根据通风网络分布情况,该矿井通风网络的全阻力系数为4 N·S2/m8,远大于普通矿井的通风阻力系数,因此初步判定该矿井井下风量不足的原因主要是由于通风网络阻力较大。该矿井所用通风机的最高负压效率为93%,根据国家相关法律规定,该通风机的运行效率最少为79%,由此可知,该矿井所用的离心式通风机远低于标准规定,通风效率不高。另外,对比矿井通风系统并进行分析可知,除通风机选型不合理之外,该煤矿的通风系统布置也并不合理。

2 主通风机技术改造方案

在改造和选择主通风机之前,应首先对通风系统进行改进,但由于改造通风系统,不仅需要改变巷道断面大小,而且时间、经济成本投入大,所以综合考虑下,先对通风机进行技术改造。基于此,经过分析研究,提出了四种较为可行的试验方案:

1)更换电机皮带轮大小提高电机转动速度;

2)增大通风机的电机功率以提高转速;

3)将离心式风机更换为对旋轴流式风机;

4)增加通风机的叶片数量。

2.1 更换电机皮带轮大小以提高电机转速

当通风机转速增大时,其给井下通风系统所提供的风量将相应增大。而通风机转速是由和其直接相连的电机转速决定的,如果增大电机的皮带轮直径大小,而并不改变叶轮叶片大小,这将显著提高通风机扇叶的转速,从而增大通风机的风量大小。但是,电动机的皮带轮直径不能随意增大,关键要确定电机的功率是否能够满足通风机的工作强度[2]

由前述可知,当满足该矿井的正常通风需求时,风量需要提高到22 m3/s,全压应提高到1 450 Pa,此时通风机的全压有效功率P1=22×1 450/1 000=31.9 kW。假设提高效率后通风机的全压效率仍为75%,通风机的轴功率需达到P0=31.9/0.75=42.6 kW,而原通风机的额定功率为40 kW,由于原通风机的额定功率要显著小于通风机的轴功率,出于安全运行考虑,此方案应该予以排除。

2.2 增大通风机电机功率

2.2.1 电动机选型

由于原电机不能提供足够的功率满足矿井通风需要,而更换大功率电机能提供更大的风流和风量,因此在对主通风机的电机进行选型时,主要应该考虑电机的额定功率大小和转速快慢。

电动机的输出功率N1=P0/m=42.6/0.95=44.85 kW。式中:m为皮带传动效率,取0.95。

电机额定功率大小N=1.3P0/n=1.3×42.6/0.9=61.54 kW。式中:1.3为电机的备用参数,n为电机效率大小。

根据计算结果,可选用的防爆电机参数为额定功率70 kW,额定转速3 000 r/min。当然也可以选用更大功率的防爆电机,这样能为以后提高井下供风量提供更大的可操作性,比如:不需要更换电机而直接更换电机的皮带轮。但是如果选用的电机功率过大,会造成功率利用率较低,耗电增多,因此,需要综合考虑进行合理选型[3]。在此基础上,可在电机接口处安装变频器,这样不仅能合理调速,而且还能降低功耗。

2.2.2 电机皮带轮直径校验

当选用额定功率70 kW,额定转速3 000 r/min的防爆电机时,电机皮带轮直径为210 mm,而在实际操作中,为保证井下通风安全,主通风机供风量往往要大于矿井实际所需风量,因此电机可以选择较大直径的皮带轮以提高通风机的转速。

2.3 将离心式风机更换为对旋轴流式风机

经过通风阻力测定后发现,该矿通风阻力大,风量小,但现在使用的离心式通风机占体积大且转速低,而轴流式风机安装简单、结构紧凑、安全高效,因此可考虑用对旋轴流式风机代替离心式风机。由上述分析可知,该矿井井下所需风量为22 m3/s,另外,由于该矿井通风阻力较大,对比现有对旋轴流式风机的特性曲线,确定选用FB132型风机,其工况点如图1所示。

若选用该型号的风机,当以28°的安装角进行叶片安装时,主通风机的供风量能达到25 m3/min,可以符合目前矿井的风量需求。

2.4 增加通风机的叶片数量

矿井仍采用目前使用的离心式通风机,仅改变通风机叶片数量而不改变其他影响因素,原通风机叶片数为24片,现结合矿井的需风量和通风机的实际情况,将叶片数量增加10片,总共34片,同时调整通风机运行角度至合适位置[4]。由于叶片增多,风速增大,单位时间内所能提供的风量也相应增多,因此该方案也能满足矿井通风需求。

图1 FB132型风机的工况点

3 最终方案的确定

综合上述分析可知,第1种方案所提及的是更换电机皮带轮大小以提高通风机供风量,由于目前电机的功率所限,不能达到要求,因此该方案不能实施。第2种方案采用增大通风机电机功率,经过分析,该方案所更换的电机额定功率为70 kW,相比较而言该方案投资较小,改造速度快,对现有通风系统的影响也较小。若采用更大功率的电机,比如90 kW电动机,可保证电机功率具有一定余量,叶轮强度也能完全达到规定要求,也为今后在不更换电机的前提下,仅通过改变叶轮大小来增加风量奠定了基础。第3种方案是将离心式风机更换为对旋轴流式风机,并通过对比现有对旋轴流式风机的特性曲线,最终确定选用FB132型风机。尽管该方案能满足该矿井的井下通风需求,但是功耗大,耗电也大,而且需要购买安装通风机,投资大,安装试运行时间长,严重影响矿井正常安全生产。而第4种方案虽然经济成本较低,但操作难度大,运行噪声大,功耗增加,服务周期短,在运行初期效果较好,但运行后期故障增加且难维修。对比分析可知,第2种方案既能有效解决井下通风量不足的问题,同时也能最小程度地影响矿井安全生产,投资也较小,因此第2种改造方案可实施性更强。

4 结论

煤矿最终选择第2种方案进行实施,另外,为了提升井下通风效果,针对井下局部截面积较小巷道,进行了施工扩建,这样能够相对降低通风阻力。经过改造测试后,发现巷道断面风量可达23 m3/min,第2种方案能满足井下通风需求。改造后每年可节约电能50万度,电费若按0.7元/kWh计算,年节约资金可达35万元。目前为止,风机运行已达一年,运行状况良好,性能稳定,各项指标参数能达到设计规定要求,所提供的风量能满足生产要求,工作面的瓦斯浓度超限情况大为改善。


信息来源:离心式风机  煤矿配套风机

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