梅山铁矿通风系统多时段变频分风方法应用
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Application of Multi-period Variable Frequency Air Distribution Method in Ventilation System of Meishan Iron Mine
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通讯作者:
收稿日期: 2020-03-17 修回日期: 2020-09-21 网络出版日期: 2021-03-22
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Received: 2020-03-17 Revised: 2020-09-21 Online: 2021-03-22
作者简介 About authors
许志逞(1985-),男,江苏南京人,工程师,从事矿井通风除尘技术相关工作406598050@qq.com 。
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许志逞, 居伟伟.
XU Zhicheng, JU Weiwei.
经过多年开采,国内外众多金属矿山的开采深度和强度不断增加。在矿井通风方面,多中段深井矿山逐步采用多级机站通风系统技术,通过在进回风机站风机联合设置多级机站通风系统,可有效调节各中段、各区域风量,使各中段、各区域需风量得到合理分配,显著提高了有效风量率。但在金属矿山通风设计中,通风设计及设备选型均按最大需风量和最大阻力并留有一定余量来进行,工作面等工作场所按作业环境中最大需风量进行定量通风,往往存在风量浪费现象。在通风情况下,通风能耗占据全矿开采能耗的20%~50%,如何在保证多中段深部矿井高效安全生产时达到通风节能效果是众多矿山企业面临的共同课题(葛启发等,2017a;Chatterjee A et al.,2015;潘军义等,2002;徐瑞龙等,1985;琚和森等,2013)。
1995年,加拿大多中段矿井通风技术人员认为通风系统优化(Ventilation System Optimization,MVO)是减少能源消耗、提高矿井空气质量及改善作业环境的有效途径,而多时段按需通风是实现通风系统优化目标的重要措施(Hu et al.,2003;刘杰等,2010;葛启发等,2017b)。2001年,“国际APCOM”会议上学者们首次就数字矿山(Digital Mine)主题进行了讨论,矿井通风系统数字化、智能化已成为“数字矿山”建设的重要内容。21世纪初,按需通风(Ventilation on Demand)概念逐步引入国外地下深井开采通风系统研究中,其目的是以最小通风能耗获得最大有效风量率,最大限度地改善矿井工作面通风环境,减少矿山职业健康危害(伍海亮等,2014;Li et al.,2011;王晓东,2018)。
目前,我国大部分深井矿山数字化、智能化建设仍停留在目标、思路和内容的讨论阶段,多时段按需变频通风技术现场实际方案设计及具体操作仍处于摸索时期,主通风机按需通风简化变频方式尚未涉及。由于多中段矿井通风系统受井下工作面数量及分布等影响,矿井实际需风量时刻发生变化。因此,可以通过主通风机远程变频控制系统来实现多时段矿井通风风量的“供需平衡”(崔仁杰,2017;王天涛,2010;杨杰等,2015;孙林等,2005;郭怡等,2007;刘杰峰,2013)。近年来,梅山铁矿15台主通风机24小时均按50 Hz满负荷运行,但个别时间段生产作业工作面数量较少,造成该时段风量浪费等问题。通过采用变频调节主通风机转速,从而达到调节各时段总风量的目的,使各时段总风量在满足矿井实际需风量的基础上达到通风节能效果。该方法在节能的前提下简化了原来风量调整的操作流程(变频器通过调节转速,才能达到调节风量的目的)。
1 通风系统现状
梅山铁矿通风系统总体呈现“南、北进风,东、西回风”的格局,即南风井和北风井进风,东南风井和西回风井回风,进、回风机站共设有15台主通风机,总装机容量为2 730 kW。
表1 通风系统机站风机参数
Table 1
安装位置 | 风机型号 | 数量/台 | 额定功率/kW | 叶片角度/(°) | 风量范围/(m3·s-1) | 风压范围/Pa |
---|---|---|---|---|---|---|
-318 m水平东南井回风机站 | K45-6-№19 | 4 | 200 | 40 | 59.8~113.2 | 920~1 766 |
-330 m水平西风井回风机站 | K45-6-№19 | 4 | 200 | 40 | 59.8~113.2 | 920~1 766 |
-402 m水平北风井进风机站 | K45-6-№19 | 4 | 200 | 40 | 59.8~113.2 | 920~1 766 |
-402 m水平南风井进风机站 | K40-6-№19 | 3 | 110 | 40 | 39.5~86.0 | 277~1 280 |
图1
图1
梅山铁矿通风系统现状示意图
Fig.1
Schematic diagram of current situation of ventilation system in Meishan iron mine
2 通风问题分析
梅山铁矿采用单水平进风、双水平回风方式,进风水平设置在-402 m水平,东区回风水平设置在-318 m水平,西区回风水平设置在-330 m水平。进风机站分别设置3台K40-6-№19(功率110 kW/台)和4台K45-6-№19(功率200 kW/台)主通风机,回风机站设置8台K45-6-№19(功率200 kW/台)主通风机,总装机容量为2 730 kW。
2.1 通风系统数据
通风系统正常运行时,对梅山铁矿满负荷运行通风系统进行检测(地表),结果见表2。
表2 通风系统现状检测结果
Table 2
编号 | 进风井 | 进风量/(m3·s-1) | 回风井 | 回风量/(m3·s-1) |
---|---|---|---|---|
合计 | 566.04 | 575.70 | ||
1 | 南风井 | 157.44 | 主斜坡道 | 38.40 |
2 | 西南井 | 60.17 | 东南井 | 293.47 |
3 | 北风井 | 267.56 | 西风井 | 282.23 |
4 | 副井 | 17.72 | ||
5 | 主井1#、2# | 24.75 |
通风系统检测数据显示,15台主通风机满负荷运行的条件下矿井总风量为575.70 m3/s,能够满足所有生产作业时段最大需风量要求。15台主通风机全天满频运行的实耗功率为1 940.76 kW,全年通风成本为1 445.09万元,吨矿通风成本为3.61元/t。
2.2 存在问题
(1)梅山铁矿15台主通风机均在50 Hz满负荷状态下运行,主通风机总回风量在满足所有生产作业时段最大需风量的基础上仍有富余,但矿井生产作业并非24 h满负荷运行,个别时间段生产作业工作面数量较少,此时矿井所需风量也有所下降,主通风机满负荷运行势必造成风量浪费等问题。
(2)15台主通风机满负荷运行实耗功率为1 940.76 kW,按每年生产天数为365天、平均电费为0.85元/kW·h计算,每年通风成本高达1 445.09万元,吨矿通风成本为3.61元/t,主通风机满负荷运行全年通风成本过高。
3 通风技术方案优化研究
为了将多时段变频节能通风技术应用于梅山铁矿,开展了相关研究。首先搜集了大量梅山铁矿各时段工作面数量及参数,分析总结各时段工作面数量变化规律,通过对比分析大量数据,将梅山铁矿生产作业工作面数量变化较大的时间段进行分组。根据数据分析结果,将梅山铁矿生产时间段按早、中、晚3班3个时段进行分组,每班8 h。三时段通风方案既能体现通风系统需风量变化又具有便捷性。
3.1 三时段需风量
矿井需风量核算是矿井通风设计中极其重要的步骤。矿井总风量为井下同时采掘工作面、其他工作面与独立硐室总需风量之和,并留有一定系数的漏风风量。按
式中:Q变为多时段矿井总风量(m3/s);Q采为同时回采工作面总需风量(m3/s);Q掘为同时掘进工作面总需风量(m3/s);Q硐为独立硐室总需风量(m3/s);Q其他为其他工作面总需风量(m3/s);K为漏风系数。
按照梅山铁矿回采工作面、掘进工作面、其他工作面及硐室数量,分别计算矿井需风量,并给予一定的漏风系数,统计计算出早、中、晚班3个时段矿井实际需风量分别为430.78 m3/s、460.89 m3/s和539.53 m3/s(表3)。
表3 三时段矿井实际需风量计算结果
Table 3
序号 | 类型 | 早班需风量/(m3·s-1) | 中班需风量/(m3·s-1) | 晚班需风量/(m3·s-1) |
---|---|---|---|---|
合计 | 430.78 | 460.89 | 539.53 | |
1 | 回采工作面需风量 | 198.80 | 227.20 | 262.70 |
2 | 掘进工作面需风量 | 68.90 | 62.01 | 82.68 |
3 | 硐室需风量 | 40.00 | 40.00 | 40.00 |
4 | 漏风系数 | 1.4 | 1.4 | 1.4 |
3.2 变频技术研究
矿井通风系统设计时,首先根据矿井通风阻力及所需风量进行主通风机选型,之后确定主通风机型号、安装角度和安装形式。风机厂家根据设计要求对主通风机进行加工,叶片安装角度出厂前已调试完毕。由于矿山企业缺少相应的技术能力及施工条件,现场安装施工时一般机站主通风机叶片安装角度不会再做更改,且后期通过调节叶片安装角度的方式调节矿井需风量难度较大(受井下恶劣作业环境的影响,主通风机长期运行后需要调节风量)。因此,变频调节技术是调节主通风机风量最常用的技术,该方法采用远程调频技术对主通风机转速进行调节来达到控制风量的要求,但通过频率1 Hz幅度频繁调节主通风机风量的过程过于繁琐,可利用风量与频率之间的关系进行精确调节。
根据电机学和流体力学理论,电机转速、风量和供电频率存在一次方关系,具体公式为
由
式中:n1和n2为不同时段电机转速;f1和f2为不同时段供电频率;Q1和Q2为不同时段风量。
根据矿井生产计划、作业面分布及通风构筑物情况,井下多时段生产作业时期某个作业期间全矿通风阻力基本维持不变。因此,通过改变主通风机特性曲线,可以达到通风节能效果,目前最常用的方法是调节主通风机转速及频率。不同转速下主通风机的特性曲线见图2。
图2
图2
不同转速下主通风机的特性曲线
Fig.2
Characteristic curves of main fan at different speed
(2)精确变频方案。分析图2可知,可通过变频技术控制主通风机转速来降低风量和功率,在合理的频率范围内可以使各主通风机运行风量满足各时段矿井所需风量。
由
由
式中:f变为多时段主通风机运行频率;f满为50 Hz;Q满为满负荷运行时矿井总风量,为575.70 m3/s。由
由
表4 三时段主通风机运行频率计算结果
Table 4
序号 | 时段 | 所需风量/(m3·s-1) | 计算频率/Hz | 运行频率/Hz |
---|---|---|---|---|
1 | 早班 | 430.78 | 37.41 | 38 |
2 | 中班 | 460.89 | 40.03 | 41 |
3 | 晚班 | 539.53 | 46.86 | 47 |
由表6可知,根据变频计算公式得到的梅山铁矿通风系统早、中、晚班3个时段需风量所对应的主通风机运行频率分别为38 Hz、41 Hz和47 Hz。在实际应用中,地表调度室根据该结果通过PLC远程控制系统对15台主通风机进行变频调节。
3.3 应用效果
根据梅山铁矿多时段变频节能通风技术方案优化研究结果,将生产作业时间划分为3个时段对15台主通风机进行变频调节,现场方案运行后对3个时段矿井通风系统应用效果进行检测,检测结果见表5。
表5 通风系统三时段应用效果检测数据
Table 5
序号 | 时段 | 运行频率 /Hz | 所需风量 /(m3·s-1) | 实际风量 /( m3·s-1) | 实耗功率 /kW |
---|---|---|---|---|---|
1 | 早班 | 38 | 430.78 | 436.57 | 1 093.28 |
2 | 中班 | 41 | 460.89 | 470.12 | 1 385.06 |
3 | 晚班 | 47 | 529.89 | 542.58 | 1 786.38 |
由表5可知,梅山铁矿分3个时段调频运行,在满足3个时段矿井通风系统总风量要求的基础上,3个时段实耗功率分别为1 093.28 kW、1 385.06 kW和1 786.38 kW。每年生产天数按365天计算、平均电费按0.85 元/kW·h计算,梅山铁矿3个时段矿井通风系统运行成本为1 058.50万元,每年通风成本较满负荷运行时降低了386.59万元,与四级机站风机变频器设置成本相比,三时段变频节能效果显著。
4 结论
(1)梅山铁矿15台主通风机满负荷运行每年的通风成本费用为1 445.09万元。通过划分3个时段,采用变频节能通风技术,通风系统在满足3个时段矿井总风量需求的基础上,每年通风系统运行成本节约了386.59万元,通风节能效果显著。
(2)结合矿井通风系统生产特点,将矿井通风系统划分为3个时段进行按需通风是一个庞大而复杂的工程。根据3个时段的实际需风量变化来调节通风风量,可以避免生产过程中的风量浪费。
(3)通过给各主通风机配备变频器,利用风量、频率与功率之间的关系,通过变频器精确调频降低转速达到调节矿井总风量的要求。与通风管理人员通过1 Hz频率幅度调整风量的方式相比,本文方法更为简便。
(4)多时段变频节能通风从矿井风量的“供需平衡”理论出发,通过变频器调频给各时段需风量供给风量,体现了现代化矿井通风变频节能技术的先进性,充分发挥了多级机站多时段变频通风“智能化”节能的优势。
http://www.goldsci.ac.cn/article/2021/1005-2518/1005-2518-2021-29-1-129.shtml
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