矿山在用主通风机机电性能测定与状态研究诊断

赫永峰

宁夏矿山安全监察局安全技术中心，宁夏银川，750000

通风机是矿山通风安全中不可替代的角色，如何保证其连续运转、稳定通风、高效运行是关乎矿山企业是否能够稳定生产的先决条件。当前矿山企业是采用安装2台通风机，2台通风机互为备用。当一台通风机出现问题时，则启动另一台通风机，以此来保证通风机的稳定运行。此举只能保证通风机的连续运行，但是对通风机的性能没有做科学的考量。基于上述问题，本文重点阐述了如何快速准确地对一台正在运行的通风机进行性能测定，并对其当前的状态是否满足矿山今后发展需要的问题进行研究诊断。

1.1 矿山企业未来蓬勃发展的经济意义

矿山企业作为基本生产资料的提供者，在国家经济发展中就起着中流砥柱的作用。国家“十四五”发展纲要指出，矿山企业要安全发展、绿色发展。那么在新的历史起点上，贯彻总体国家安全观，统筹发展和安全的问题就是未来矿山企业发展中要肩负的责任和重担[1]。

1.2 主通风机在矿山发展中的重要意义

虽然我国幅员辽阔，但与欧美发达国家比较，我国矿产资源相对贫乏，如若要最大限度地开采好现有资源，那么矿山企业的开采深度只能是越来越深，随着开采深度的不断加深，矿井通风阻力会越来越大；
随着深度的增加，瓦斯、一氧化碳、硫化氢等有毒有害气体也会增多，用风量也会越来越大。为了保证矿井的正常通风，保证井下氧气浓度不低于20%、二氧化碳浓度不超过0.5%、一氧化碳浓度不高于0.0024%、氧化氮浓度不高于0.00025%、二氧化硫浓度不高于0.0005%、硫化氢浓度不高于0.00066%、氨气浓度不超过0.004%的规定，并提供稳定及良好的矿井空气流通，保障矿工的生命安全，那对主通风机的性能要求也随之越来越高。出于安全考量，矿山在用主通风机是需要24小时不间断运行，而且还必须要配备一台同等性能的备用通风机且要在10分钟之内启动运行。所以通风机性能的优劣，在矿山企业的发展中起着举足轻重的作用。

2.1 矿山企业在用主通风机性能测定的要求

矿山主通风机在新安装到矿井中后，必须要进行首次性能测定。虽然按国家要求，每台通风机出厂时都必须要进行出厂性能测定检验，为客户提供本机的性能测定曲线图。但是，由于各个矿山企业各自开采的地域不同，同一地域开采的深度与广度也不同，这就导致每台通风机面临的气压、空气湿度、大气环境温度及矿井通风阻力不同，而这些都会最终导致该台通风机性能输出结果与原厂比较会发生很大变化。通风机在原厂出厂时，每一台通风机进行性能测定时，它面临的大气压力、空气湿度、环境温度基本变化是很小的，并且通风机测试风道也是极度规则，通风阻力基本恒定，所以测出的最小风量与最大风量是不能代表该台通风机在安装入矿井后在工况下所能提供的最低风量与最高风量值的。那么，对于矿山企业来说，新安装的主通风机必须要进行首次性能测定，随着开采深度与广度的变化，后续还需要继续对其进行性能测定，以此确保通风机在各个工况时期，在保证提供正常通风的情况下，电耗也始终能保持一个最优值。国家现规定，通风机性能测定周期最长不能超过五年。具体是几年，要根据自身矿山开采程度而定，如果矿山企业自身并不是产能落后企业，那么很显然，五年的性能测定检测要求是不适合自己的[2]。

2.2 矿山企业在用主通风机性能测定的方法

新形势下，通风机的性能考量不能只是单独评价风量够不够用，而要结合能耗要求整体考虑。那么通风机测定总体也就分为两部分，第一部分为输入，第二部分为输出。输入主要指主电机的输入功率，输出为通风机风量的输出功率。最终在风量满足要求的基础上，获得通风机的最大效率。

2.3 输入功率测定方法

矿山企业通风机多为交流异步电动机，测定交流异步电动机电参数时选用精度等级为0.5的测量仪器，测量值应该位于仪器量程范围20%～90%的测量区内。电参数测量时，记录每一个试验工况点的电压、电流、功率因数、有功功率。电机电源交流电压波动不应超过额定电压的5%（电源电压应在额定电压的95%～105%之间变化），输出功率不应超过电机铭牌额定值的5%，超过以上限定值，该试验值对试验结果分析并无实际意义。

为保证测量结果的准确性与可靠性，现阶段矿山企业大型电机电气参数测量主要方法有两种：一种是在测试条件允许时，采用矿山电机综合参数测试仪测量，另一种是如果测量仪器受限，可以采用二瓦特法进行测量。测量结果也可保证较高准确度，原理分析见下式[3]。

在三相三线制情况下采用二瓦特表法测量，接线如图1，计算公式见公式2。

图1 二瓦特表法测量接线法

二瓦特表法总有功功率计算公式：

公式推导原来：三相功率二瓦特表法测量电路，则总功率为:

根据基尔霍夫电流定律：“电路中任一个节点上，在任一时刻，流入节点的电流之和等于流出节点的电流之和”。那么在一个固定的三项电路中，同一时刻，任意两根火线的流入电流恒等于第三根火线的流出电流，及电路中三根火线电流矢量和恒等于零，即：

将式（1）代入公式3中可得：

COSφAC与COSφBC分别是UAC与IA、UBC与IB的向位差角。

2.4 通风机输出流量的测定方法

现阶段去采集某一截面的流量较为通用的方法有两种，一种是采用速度场法，用多组电子风速表，将该截面按照该界面形状，平均分成若干等分，截面分割数越多，采集结果越有代表意义（实际测量中不得低于8个），运用电子风速表同时采集该截面上各个点的速度，再计算出平均速度。该方法的优点是方法适用性广，对截面形状无要求。缺点是该方法测量时间长，且结果需要精确处理。实践当中，使用该方法在布置好电子风速表后进行测量时，发现由于风流涡流等问题，会出现部分风速表风速极低的情况，这时就需要重新加倍加装风速表再次进行采集。所以在采用该方法时，必须进行初始试验，确定风速表安装的数量与每次采集所需要观测的时间长度。第二种办法是静压差法，用压差仪采集。该方法的优点是，采集用时短，数据采集精准。即使由不同的人在不同的时间进行参数读取，其结果也有很好的精准性。缺点是该方法要求采集截面必须是圆截面，风管有一定的直线长度。现阶段，随着矿山老旧通风机的换代，实践采集过程中发现，该方法适用性正在逐步变广，且会成为未来通风机性能测定的主流方法，部分大型矿山在用主通风机在线监测装置也是采用的该方法来实时对风机运行情况进行在线监测。

案例中为某国企大型煤矿，一号立风井安装2台FBCDZ№30/2×450型对旋轴流式通风机，配备YBF630-8电机，电机功率2×450kW，额定电流34.5A、额定电压10000V。额定风量为100～295m3/s，即6000～17700m3/min，额定风压230～4850Pa，工作方式为一台风机工作，一台风机备用。同时装备有在线监控系统，能随时对矿井通风能力及设备运转状况进行监控。接下来我们就这台通风机展开性能测定。

首先应与使用者沟通，制定此次性能测定的目的。该案例中通过与矿方沟通，根据矿井5年内采掘接续计划预测矿井需风量、矿井通风阻力，并预计主通风机在近5年内可能运行的叶片安装角度及运行频率。通过与矿方沟通，最终决定对该矿两台主通风机6°叶片角度进行性能测定。测定风机叶片在6°叶片角度不同频率下（34Hz、36Hz、38Hz、41Hz）的风压、功率、效率与风量之间变化关系，并绘制主通风机性能曲线[4]。

4.1 通风机1号性能曲线图

图2 主通风机6°工况下性能曲线（静压、风量曲线）

图3 主通风机6°工况下性能曲线（功率、风量曲线）

4.2 通风机1号性能曲线图性能结果状态诊断

根据整理后的测定数据绘制主通风机的静压曲线、功率曲线和效率曲线，所测绘的特性曲线相对较为平滑，根据实际测定数据绘制实际特性曲线，所测数据误差均在允许范围之内。依据实测数据分析认为，测试方法正确，测试过程读取数据准确，数据处理科学合理、真实可靠，所测得的风机特性曲线真实地反映了该风机的性能，测试效果好，数据真实可靠[5]。

主通风机在经济合理状况下运行，其静压效率不应低于最高效率的70%（两台风机的最高效率为85%），即主通风机的经济合理运行区间为静压效率≥59.5%。目前矿方两台主通风机运行在+6°叶片角38Hz下，1号主通风机运行效率为75%，2号主通风机运行效率为73%，均大于59.5%，主通风机满足合理经济运行的要求；
两台主通风机实际运行的工况点处于安全、稳定可靠的工况点范围[6]。

通过通风机性能测定以及诊断可以确定该台通风机是否满足该企业未来一定时间内的使用要求，并且可以将通风机调制到合理的经济状况下运行，矿山企业可以安全、经济地使用主通风机，同时这也顺应了国家节能减排的方针政策。

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