随着矿井开采的进行,网络阻力将不断增加,但所需风量在各个时期或要求保持不变,或要求有所增加。因此通风机的工况点必须根据矿井实际需要和稳定、经济条件,进行必要的调节。调节通机工况点的途径有两条:一为改变网络特性曲线,二为改变通风机特性曲线。
1.改变网络特性曲线
通风机进风道上都装有调节闸门,用适当关闭闸门的方法来增大网络阻力,以达到调节流量的目的,这种方法称为闸门节流法。
如图7 -12所示,开采初期和末期的网络特性曲线分别用1和2表示。在开采初期,如不进行调整,通风机送入井下的风量Q1比矿井需要的风量Q2大得多,因此多消耗功率P1- P2。为了节省电能,可将风道中的调节风门适当关小,使网络特性曲线由1变为2。随着巷道的延长和网络阻力的增加,再将闸门逐渐开大,使网络特性曲线始终对应于曲线2,以保持通风机的供风量等于矿井所需风量Q2。
图7 -12 风门节流调节
这种调节方法,设备简单,调整容易而均匀。但从图中可以看出,H2 >H1,即调节后的风压大于调节前的风压,△H=H2 -H1 >0,通风机提供△H是为了克服人为增加的风门阻力,由此引起的AP =Q1△H>0属无用的能量损失。所以,这是一种不经济的调节方法,只能作为一种暂时的应急方法使用。
2.改变通风机特性曲线
1)改变叶轮转速调节法
在图7 -13中,曲线1、2、3、4分别为开采初期、中期和末期的网络特性曲线。在矿井开采初期,通风机若以最大转速n
max运转,所产生的风量Q1将大大超过矿井所需风量Q2。为了避免浪费,将转速由n
max减至n
min。在n
min时,通风机工作在特性曲线5,工况点为I,此时的风量正好满足要求。但当网络阻力随巷道延长增大时,工况点将左移,使通风机的风量小于Q2。因此,在开采初期,通风机需以转速n.运转,此时通风机的风量稍大于矿井所需风量Q2,经过一段时间后,由于网络阻力的增加,工况点将由Ⅱ点移至Ⅲ点。为不使通风机的风量继续减小,必须将通风机的转速由n1增至n2,将通风机特性曲线由6调整为7,工况点由Ⅲ点移至Ⅳ点。依次调节,直到采掘终了为止,此时转速为n
max,通风机特性曲线为8,工况点为Ⅵ。采用这种调节方法时,为满足网络特性的不断变化,相应的使通风机的转速由n1→n2→nn
max,工况点则由Ⅱ→Ⅲ→Ⅳ→V→Ⅵ→Ⅶ。
图7 -13 改变叶轮转速调节法
改变通风机转速的方法有以下几种:
(1)用三角皮带传动的通风机,更换不同直径的带轮,改变其传动比,以改变通风机的转速。这种方法简单易行。但用三角皮带传动的通风机不多,只有一部分离心式通风机才采用这种传动方法,而且只限于小功率通风机。
(2)更换不同转速的电动机,以改变通风机的转速。由于电动机的同步转速只有3000 r/min、1500 r/min、1000 r/min、750 r/min、600 r/min、500 r/min、428 r/min、375 r/min、300 r/min等几种,其调速只能是阶段性的,而且更换电动机需要一定投资,故此法不常用。
(3)采用绕线式感应电动机的通风机,用串级的方法来改变通风机转速,这是一个比较好的方法。它把转差功率大部分反馈到电网,因而可以节约电能。其缺点是功率因数较低,调速范围也不宜过大,使用维护技术也比较复杂。此法在国内早已应用但未得到大量推广。
(4)采用液力耦合器传动,以改变通风机转速。这种方法的特点是因液力传动具有一套比较复杂的油、水系统,增加了运行维护工作量;随着转差率的增大,转差率损耗也越大。此法目前在国内应用不多。
(5)采用齿轮调速器以调整通风机的转速。这种方法需增加一套变速箱,而且调速也是阶段性的,运行维护比较复杂,但传动功率比较高。国内目前尚未开始应用此法。
(6)采用同步(包括异步)电动机的通风机,用变频的方法调速,即用变频器对同步电动机输入不同频率的电源,从而达到调速的目的。这种方法效率高,调速范围广,可从2:1到10:1,精度又高,是比较理想的调速方法;但投资费用较大,技术也比较复杂,在矿井通风系统中尚未推广。
改变叶轮转速调节法,可以获得较宽广的调节范围。若调节前后的工况是相似的,则效率基本不变。阶段调速与无级调速相比,前者机构简单,但需在停机情况下操作。后者调速系统机构复杂,投资大,但调节性能好,节电效果明显。尤其是变频技术发展迅速,变频器容量已达到了完全能够满足大中型、特大型通风机的要求,该调节系统具有机构简单,设备数量少,调节平稳,区域宽广,且操作方便,控制精度高,但变频器投资很大。而实际应用中调节的高效率,可以较快地补偿投资。该项技术在火电厂送风、引风系统推广很快,反映良好。
2)前导器调节法
离心式通风机和轴流式通风机的理论风压与通风机入口处的绝对速度c1在圆周速度方向的投影c1u(入口旋绕速度)的大小有关。当c1u的方向与叶轮旋转方向一致时,c1u本身为正,风压减小;反之,c1u为负,风压增加。试验证明,无论上调或下调,通风机效率都有变化。
用前导器调节工况时,通风机效率略有降低。它的经济性比改变转速调节法差,但优于闸门节流法。这种调节方法结构比较简单,操作方便,使用可靠,调节范围较窄。因此,作为辅助调节措施在通风机调节中得到广泛应用。
3)改变叶轮叶片安装角调节法
安装角θ越大,通风机产生的风压就越高;反之,风压越低。所以这种调节方法实质上是改变通风机特性曲线,其调节过程如图7 -14所示。在矿井开采初期,叶片可在安装角θ1的位置工作,其工况点为I。为了避免在网络阻力稍有增加就产生风量不足的现象,一般均将安装角调整在θ2的位置工作。随着开采的进行,网络特性曲线由1、2、3,最后变为4。为了满足风量Q,可逐渐增大叶片的安装角,由θ2→θ3→θ4,其工况点将由Ⅱ→Ⅲ→Ⅳ→V→Ⅵ,最后移至Ⅶ。
图7 -14 改变叶轮叶片安装角调节法
改变叶片安装角的方法很多。最原始的方法是在停止通风机的情况下,人工扳动叶片,使其自身轴旋转到所需的角度,逐一地完成各叶片的调节工作。此种调节方法存在的问题是,所有叶片调到相同的角度是困难的。
4)改变叶片数目调节
相同的叶轮,叶片数目不一样时,叶片之间的距离不等,根据通风机工作理论可知,通过叶片间的气流状态会发生变化,受力情况将产生相应的改变,表现出不同的特性。
轴流式通风机,可以对称地取掉部分叶片进行调节。图7 -15所示为某两级通风机的类型通风机特性,原机叶片共14支,其特性如图7 -15中实线所示。若对称地取掉一半,各级叶轮均保留7支叶片,其特性如图7 -15中点画线所示。通过对比,可以看出,当安装角较大时,特性有明显变化,随着安装角减小,叶片数目的影响逐渐减弱。若保持首级叶轮不动,只减少次级叶轮叶片,其安装角为40°时的风压特性如图7 - 15中虚线所示,它介于全叶片曲线和半数叶片特性曲线之间。减少叶片数目后,通风机效率有所下降,但不明显。
图7 -15 改变叶片数目调节特性
5)各种调节方法比较
改变前导器叶片角度调节的机构比较简单,可以在不停止通风机的情况下完成操作,通常只能达到阶段调节的目的,在网络特性不变的情况下调节时,效率有所变化。由于调节范围比较窄,作为其他阶段性调节的补充较为适宜。
阶段变转速调节的机构简单,可实现阶段性调节,调节范围较宽,但必须在停机时操作。在网络特性不变的情况下调节时,效率不变。若补充其他可以在不停机时完成操作的调节机构,可弥补阶段之间的调节空挡,增加可调密度。图7 -16所示为阶段调速与前导器联合调节时的特性。由图可看出,n= 600 r/min时,用前导器调节可填补它与n=515 r/min之间的空当。
图7 -16 阶段调速与前导器联合调节时的特性
无级变速调节的当前措施是采用串激调速系统,可以在不停机的情况下完成调节工作,网络定常情况下效率不变。调节范围较宽,但受调速系统的调速比限制。在可调范围内,可以得到覆盖全部范围的特性曲线。这是一种较好的调节方式,但由于调速系统的装备价格昂贵,限制了它的使用。
停机调节叶片安装角的机构简单,理论上可以实现无级调节,但由于必须停机操作,实际上只能做到阶段调节,调节范围较宽,调节中效率有所变化。这种调节方法是矿井轴流式通风机普遍采用的方法。
动叶调节安装角的调节机构比较复杂,可在不停机的情况下完成操作并实现无级调节,调节范围广,而且可以得到覆盖全调节范围的特性,调节时效率有所变化。采用这种机构便于实现自动化。
改变叶片数目调节时,不需要另外的附加机构,需在停机情况下操作,只能实现阶段调节,可调范围窄,效率也有所变化,可以作为辅助的调节措施。