局部通风机风量测试方法研究

2020-11-21武永胜刘云琰

华北科技学院学报 2020年4期

武永胜，刘云琰，李林

(1.中检集团公信安全科技有限公司，山东枣庄 277101；2.华北科技学院安全工程学院，北京东燕郊 065201)

0 引言

风量是煤矿进行通风管理的关键参数之一，风量参数决定着通风机性能的好坏[1，2]。《煤矿安全规程》第一百六十三条第一款规定“掘进巷道必须采用矿井全风压通风或者局部通风机通风。”局部通风机是地下开采矿山非常重要的安全生产设备。其主要作用是为未形成全风压通风系统的掘进工作面或通风困难的工作地点提供新鲜风量[3]。地下开采矿山局部通风机使用量大，一方面可以源源不断地向井下各用风地点提供质优量足的新鲜空气，保证工作人员的呼吸，另一方面能够稀释并排放粉尘等各种有毒有害物质，降低作业地点的环境温度，给井下工人创造良好的工作环境。在发生灾变时，还能有效、及时地控制风向及风量，并与其他措施相结合，防止灾害的扩大，进而预防事故，减少人员伤亡和财产损失。由于地下开采矿山的掘进巷道内作业环境十分复杂且作业条件较为恶劣，不易测得相应区域的工况参数，所以目前对于地下开采矿山局部通风机风量测试的研究相对较少[4]，大多数学者集中在煤矿主要通风机的风量测试研究上[13，14]。现有的风量测试方法有流速测定法[5，6]、速压测定法[6]和静压差法测风法[1，5-7]。流速测定法主要包括风速传感器法或者人工测风，根据所测结果结合断面积进行风量计算。风速传感器测风受人为因素影响较小，所测风量相对准确。在测风前需做大量准备工作，如在测风道内安设支撑架，将传感器固定等；安装时易受现场条件限制；测风过程中，风流携带的硬物可能损坏传感器；测风结束后传感器的多次清洗会对其精度产生影响，需要不断调试和校准[2，5]。该测风法要求矿方停止作业，尤其不适用于高瓦斯矿井。人工测风主要是对小型通风机的风量进行测量，测量大型通风机风量易受到断面高度和风流流场影响，不仅会导致测量误差较大，而且具有危险性[5]。速压测定中主要采用等面积平均速压测定法，通过直接“绑扎皮托管”固定或皮托管逐步插入到定点位置进行测定，该法容易受到风流扰动及涡流影响，导致测试数据不稳定[6]。流速测定法和速压测定法对现场测试条件要求较高，操作困难，所测结果误差较大，实际应用也会受限[5，6]。因此，本文提出采用一种对现场条件适应性强、测试数据稳定且误差较小的风量测定法——静压差法对FBD对旋局部通风机风量进行测试。

1 静压差法测定风量

1.1 测风装置

GB/T 2624.4-2006/ISO 5167-4：2003《用安装在圆形截面管道中的压差装置测量满管流体流量第4部分：文丘里管》[9]提供了测量局部通风机风量的设施——文丘里管。文丘里管主要分为4部分，如图1所示，分别是入口圆筒段、圆锥收缩段、圆筒喉部和圆锥扩散段，入口圆筒段和圆筒喉部之间存在静压差。当校准后的装置与该装置在几何上是相似的，且使用条件也相同时，可通过压差实际测量值和所具有的流体条件来确定流量。推广利用文丘里管检测局部通风机风量是创新检测方法。

图1 文丘里管

运用文丘里管原理[9]加工局部通风机测风装置。通过这一装置测量运行工况下的静压，精准测量局部通风机风量。加工局部通风机测风装置时，将文丘里管入口圆筒段简化成大气环境，圆筒扩散段与待测局部通风机部分共用，尺寸长度按标准文丘里管结构缩放，其结构示意图如图2所示。

图2 局部通风机测风装置结构示意图

1.2 测风原理

静压差法测风依据了流体力学原理[12]。当流体流经通风机内部的变径管时，流体流速变化和对应的阻力大小受到影响[10]，内部能量出现相互转化的现象，其能量转化大小与流体风量、风流流速、变径管几何尺寸和形状有关[1，5，6]。通过确定上述关系便能够准确测定流体的风量。

在文丘里管入口圆筒段和圆筒喉部选择两个近距离断面测定静压差，然后计算风量。由于文丘里管入口圆筒段平直且有收缩均匀段，满足静压差测试风量的要求。根据能量方程和相近断面的能量转换关系，列出伯努利方程[9]和连续性方程：

(1)

V1S1=V2S2

(2)

式中，P1、P2为两断面的平均绝对静压；V1、V2为两断面的平均风速；H1、H2为两断面相对于基准面的标高；S1、S2为两断面的过流面积；ζ为两断面的局部阻力系数。

因为所选的两个断面间距相差很小，流场比较稳定，势能相等，所以两个断面间的局部阻力可以忽略，即ρ1≈ρ2=ρ，H1≈H2，ζ=0[1][8]。将入口圆筒简化成大气环境，由于断面无限大，故入口风速可以认为是“0”。同时考虑到局部通风机测风装置的校正系数k。将公式(1)和公式(2)及所述条件联立求解，所得的通风机风量计算公式为：

(3)

式中，Q为局部通风机的吸风量，m3/min；S为测风断面的断面积，m2；P为(P1-P2)，测风断面处相对静压差，Pa；ρ为风道内气体密度，kg/m3。

1.3 注意事项

在使用静压差法实际测定局部通风机风量时，准备工作简单，测试参数较少，操作简单，数据便于现场获取且较为稳定，但要特别注意测压计本身所存在的精度问题[10]、稳定性问题以及所选断面的面积问题等[2，5，6，11]。

(1) 在选择测风断面时，尽量保证所选的两个断面在引风道中，断面间距相差较小，断面面积相差30%～50%，最好大于50%，风流较为稳定，且能够很容易地引出静压管。

(2) 进行测量时要确保管道和两个邻近断面间没有出现堵塞或者漏气现象，防止作业人员踩踏胶管。

(3) 要妥善保管固定胶管，避免其在风流中随意摆动，引出胶管时要防止其受到风门的挤压。

(4) 进行局部通风机安全性能检测时，也应把基于文丘里管改进装置的静压差测风法纳入到相关标准中，推广利用文丘里管检测局部通风机风量这一创新检测方法。

2 测试实例

利用图2所示装置测定FBD№6.0/2×15[16]型局部通风机风量，检测数据如表1所示。经实验分析，局部通风机测风装置的修正系数k值为0.987，现场实测的风量计算结果如表2所示。只有将计算所得参数换算成标准状态下的参数才能够使实测数据更具有普遍性和代表性。

表1 FBD№6.0/2×15型局部通风机测试数据

表2 FBD№6.0/2×15型局部通风机数据分析结果

转速校正系数Kn、空气密度校正系数Kρ、标准状态下风机的风量Q和风压Htd转化公式如下：

Kn=n0/ni

(4)

式中，n0为风机额定转速，r/min；ni为风机在工况点时的实际转速，r/min。

由于风机额定转速和风机在各个工况点时的实际转速是基本相同的，故Kn取1。

Kρ=ρ0/ρi

(5)

式中，ρ0为矿井标准状态下空气密度，kg/m3；ρi为第i工况点时的空气密度，kg/m3。

Q=Kn·Q′

(6)

式中，Q′为计算所得风量值，m3/s。

(7)

经转化，标准状态值如表2所示。根据标准状态值，以风量为横坐标，以风压为纵坐标，绘制局部通风机在矿井标准状态下的实测特性曲线[13]，即将各工况点数据绘制在图中，并连成曲线。标准性能曲线见图3。FBD№6.0/2×15型通风机风量范围为4～7 m3/s，风压范围为350～5150 Pa，由图3可看出，利用通风机装置试验得到的标准性能曲线满足要求，通风机装置使用性能良好。