刘 强

（山西宁武大运华盛庄旺煤业有限公司，山西 忻州 036700）

引言

矿井通风系统在地下煤矿中对于保障作业人员安全起着至关重要的作用，矿井中甲烷和煤尘存在爆炸的危险。通风系统的合理规划、设计、实施和维护是实现煤矿井下安全开采的必要条件。然而，随着矿井作业的不断扩大，对通风系统的要求也发生了变化。传统的矿井通风系统在开采过程中一直处于运行状态，消耗更多的电能，使矿山生产花费较多[1]。因此，随着电能成本的日益增加，应用具有成本效益、可靠、免维护和节能的技术至关重要。整个煤矿通风系统的性能取决于3个因素:矿井内的大气条件、风扇的设计、功耗。通过考虑上述因素，可以优化能耗和成本。本文基于实际工况条件，针对通风机的节能问题进行了深入研究，综述了目前所提出的方法和算法，以及目前煤矿井下通风机的改进趋势。研究成果为矿井通风机节能改进提供了依据。

1 应用工况分析

本文研究矿井属于双突矿井，矿井中瓦斯含量较高，建设规模为每年650万t。该矿井中的通风方式为对角式通风，对角中的两台风机送风，中央处的风机抽风。根据计算，该矿井主通风机所产生的风量为95 m3/s；矿井空气质量较好时，风机所产生的平均负压为830 Pa；空气质量较差时的风压为2 100 Pa。为满足该矿井的通风以及应用变频节能技术的需求，为该矿井选择了型号为FBCD4B-233型风机共两台，其中一台为备用风机，该型号风机的工作电压为10 kV，额定功率为240 kW，最大转速为760 r/min。

2 节能技术探讨

2.1 风扇叶片的优化设计

长期运行后，矿井通风主扇风机叶轮、进风口、风机外壳腐蚀严重[2]，从而威胁着主风机的安全运行，增加了运行阻力，降低了效率。这种设计侧重于能源效率，在矿山显示出可观的经济效益。叶轮腐蚀结构一般分为三层，即界面缓冲层、结构强度层和表面层。各层厚度和理化性能指标的控制因情况要求而异。要求防腐层与金属基体表面的结合强度大于层间的热诱导剥离强度。本设计采用富锌底漆，选用环氧树脂作为成膜物质，防止生锈和腐蚀[3]。富锌底漆涂层也称为电化学防腐蚀涂料，因为它对锌和钢具有电化学保护作用。经过防腐表面处理后，风量增加，满足了更高的矿井生产要求，保证了矿井安全。防腐处理后，进行现场测量，相关数据如表1所示。

表1 采用表面处理和不采用表面处理的主要参数比较

通过将叶片的俯仰角分别改为44°、54°、59°、64°，气流值分别为1 175 m3/h、1 270 m3/h、1 340 m3/h和800 m3/h。因此，经过测试显示，为了增加流量，叶片俯仰角应保持在59°左右。将叶片数量从1个增加到2个，会使空气动力效率提高6%。同样，通过减少转子顶端和外壳之间的空气间隙，它减少了空气损失并提高了风扇性能。但本文在没有任何数学计算的情况下，给出了影响轴流风机的因素。

2.2 电气系统的改造

本文采用了一种新型的先进诊断系统，具有通气需求能力采取泄漏的馈线增强的方式。由于矿山的特殊性质，设计一个可靠强大的地下网络有难度。通过考虑矿山条件中的危险和关键因素，添加两种诊断系统（DS），一种是连接到地面上方控制室LF头端的诊断接收单元（DRU）；第二种是诊断应答器单元（DTU），即放大器、电源单元（PSU）、传感器、风扇[4]，如图1所示。泄漏馈线有三种模式，即自配置模式、正常模式和中断模式。

图1 馈线诊断系统

按需通风在矿井中具有优势，它根据从连接到泄漏馈线上的传感器中收集到的数据来操控矿井通风风扇。传感器安装在地下，可以跟踪空气中的污染物水平，当它达到一定的阈值时，传感器就会中断DRU，导致风扇被打开[5]。然后在正常模式下，当DRU读取低于正常污染物水平时，风扇可以关闭。它实现了巨大的节能效益，这将反映在矿山的运营成本上，本节阐述了通信在矿井中的重要性，并明确说明了漏式馈线在不同模式下的性能。

3 工程节能经济效益分析

国外SIMSMART公司提供了煤矿行业的通风机节能的实时解决方案，一个名为Smart EXEC（可扩展能源控制）的完整SCADA系统，完全支持按需通风[6]。图2显示了smart EXEC的基本结构，它具有通风节能、健康和安全优势，增强了生产以及减少了未来通风基础设施的建设成本。其电费为0.5元/kWh。根据改造后的年平均节电量，每年可节约电费约39万元。而风机安装的价格为50万元，总安装费用为105万元。在第三年，安装成本可以通过节电成本回收，SCADA系统的实际使用寿命比这一时间要长得多，因此，安装SCADA系统经济效益可观。在其他经济效益方面，可扩展能源控制的完整SCADA系统安装后，可通过实时调整技术对风机功率进行调整，避免因始终以最大功率工作而导致风机使用寿命缩短。预计其使用寿命将延长约30%。同时，风机的稳定运行大大降低了维护和保养成本，同时也降低了风机停机期间产生的成本。虽然这些成本无法衡量，但也非常庞大。

图2 可扩展能源控制的基本架构

4 结语

通风系统在煤矿井下一直起着非常关键的作用。矿井全年的通风要求有所不同，因此在大多数地下矿井中，考虑到设计中的所有现实方面的困难，设计高效的通风系统是必需的。在大多数情况下，研究人员没有在地下矿井中测试他们的通风系统。虽然有技术人员对通风节能开展了研究，但是都存在一定缺陷，本文采用变速驱动的按需控制通风（按需通风）的实施是有能力和有前途的节能方法，满足了地下矿井的气流要求。在煤矿井下，大气条件随着矿井面积和风机转速的变化而不断变化。通风机速度被认为是在矿井中创造和保持健康气体环境的主要因素。因此，通过改变通风风扇的运行速度来维持特定矿井中的最佳气流分布，是管理节能成本未来的研究方向。