多风机风压平衡变频技术研究

居伟伟

（1.中钢集团马鞍山矿山研究院有限公司，安徽马鞍山243000；2.金属矿山安全与健康国家重点实验室，安徽马鞍山243000；3.华唯金属矿产资源高效循环利用国家工程研究中心有限公司）

随着国外内经济建设对矿产资源的需求量增加，矿山开采深度及规模不断增加，使矿井总需风量也随之增大，采用多机站串、并联回风的矿井也越来越多[1]。目前，冬瓜山铜矿矿井采用多机站通风方式，多机站风机串、并联运行能够解决矿井逐步增大的总需风量问题[2]，但随着风机串、并联数量的增加，风机联合运行时，各风机之间相互影响，造成风机工况点不正常，出现风机不稳定运转等问题[3]。因此，如何分析风机性能曲线、合理利用变频技术控制对多风机联合运行进行有效调节，避免风机相互干扰的问题不仅能够有效地降低矿山通风能耗，也是矿山保持可持续发展的基本技术。

1　通风系统现状

冬瓜山深部矿床60线以南正在开采，矿体最低开采中段为-850 m，60线以北-790 m水平至-100 m水平的处于开拓阶段。冬瓜山铜矿深部矿段通风系统目前采用多机站通风方式，以冬瓜山副井、团山副井和进风井进风，回风井回风。-850 m水平为回风水平，共设置2个回风机站，风机均配备变频器。具体风机布置及风机参数见表1。

2　通风现状分析

冬瓜山铜矿深部矿段2017年生产计划60线以南资源已不能维持10 000 t/d产量要求，60线北产量任务重，安全生产压力大。根据2017年初步设计要求在-850 m水平60线北安装1台DK62-8-№26风机，增加60线北回风量。-850 m回风水平共2个回风机站3台风机串、并联设置，具体布置图见图1。

2.1　检测数据

风机安装试运行后，对通风系统进行检测。检测数据见表2。

2.2　存在问题

DK62-8-№26、K45-6-№19作为不同型号风机，其各自的性能曲线各不相同，风机性能曲线分别为Ⅰ和Ⅱ，风机工况点为N，曲线图见图2。

在风机运行频率相同的情况下，并联运行会导致风机风压不平衡等问题。由图2可知，风机在满负荷运行下DK62-8-№26风机在风机性能曲线内运行，对K45-6-№19风机形成通风阻力，造成K45-6-№19风机运行不正常，风机工况在性能曲线以外运行。更换-850 m水平60线南200 kW风机来满足2×355 kW风机风压平衡要求，工程成本较高且风机更换过程中影响冬瓜山深部矿段正常通风需求。

3　多风机运行变频技术研究

3.1　多风机运行影响分析

回风机站风机运行主要采用串、并联结合方式。多风机运行不同于单台风机运行，风机之间存在风压、风量平衡等因素。在3台风机运行的基础上分析多风机串、并联运行的实际性能曲线和效果，保证多风机能够在稳定、高效和经济的基础上运行。

风机串联工况分析。1#回风机站串联2台K45-6-№19风机为同型号风机，风机曲线Ⅱ，Ⅲ为合成特性曲线，R为通风阻力曲线。N和N’为风机串联工况点和单台风机工况点，曲线图见图3。

风机串联运行时风量不变，风压等于2台风机风压之和。计算可以得到串联2台K45-6-№19风机的合成风压及风量范围见表3。

风机并联工况分析。串联2台K45-6-№19和1台DK62-8-№26风机并联设置。K45-6-№19曲线为Ⅰ，DK62-8-№26曲线为Ⅱ，Ⅲ为风机并联合成性能曲线。N1、N2和N为单台风机工况点和并联工况点。曲线图见图4，由图4可知，当ΔQ=Q-Q2＞0时,即工况点N位于DK62-8-№26风机曲线和合成曲线之间，并联有效。当ΔQ=Q-Q2＜0时，合成曲线已在DK62-8-№26风机曲线下方，则小功率风机反风，未起到并联效果。

风机并联运行时合成风压取小值，风量为2台风机风量相加。计算可以得到风机并联的合成风压及风量范围见表4。

3.2　变频技术研究

（1）变频技术原理。风机风量及风压控制过去多采用调节风机叶片角度来实现，这种控制方法需在风机检修状态下进行，影响正常生产且操作复杂，经济性差。依据现有风机的工作性能，采用变频技术对风机调速来控制风量及风压是目前最常用的技术[4]。

根据电机学理论可知，风机转速n公式[5]：

式中，F为频率；P为极对数；S为转差率。

由式（1）可得，风机转速与频率的一次方成正比。

根据流体力学相关理论，风量、风压与转速存在如下关系式[6]：

由式（1）代入（2）、（3）可得关系式：

式中，Q1、Q2为风量；n1、n2为转速；P1、P2为风压;F1、F2为供电频率。

由式（4）（5）可得，风压P与频率F的平方成正比，风量Q与频率F的一次方成正比。当频率减少时，风机转速下降，其风压和风量也随之减少[7]。

（2）多风机变频调节分析。根据变频技术原理可知，风机变频后风机性能曲线也会随之变化，风机满频性能曲线为Ⅰ，变频后风机性能曲线为Ⅱ。变化曲线图见图5。

由图5分析，K45-6-№19和DK62-8-№26风机可通过变频技术控制风机转速降低风机风压和风量，在合理的频率范围内，使多机站风机串、并联运行时达到风压、风量平衡的作用。

由式（5）可得，调整频率计算公式：

由式（6）计算可得，F变=46.99 Hz。

3.3　现场实际应用

通过风机变频技术控制研究，计算得出DK62-8-№26风机最大运行频率为46.99 Hz，结合现场实际通风及频率运行情况，将冬瓜山铜矿-850 m水平60线北DK62-8-№26风机运行频率调低至46 Hz,风机正常运行后对风机进行检测，检测数据见表5。

根据表2、表5可知，-850 m60线南、北不同型号风机进行串、并联设置，满负荷运行实耗功率达到935.2 kW，总风量为140.4 m3/s，风机性能偏低。通过变频技术控制研究将DK62-8-№26风机频率调至46 Hz，风机总实耗功率降低至847.1 kW，总风量提高到166.5 m3/s，风机均在性能曲线范围内运行，风机效率得到较大提升。

4　结　论

（1）多风机串、并联设置时由于风机性能曲线不同，在联合运行时应对各风机性能曲线进行合成，确定多风机合成性能曲线，避免风机在性能曲线范围外运行，既能提高矿井总风量，又能降低总实耗功率，保证了多风机高效、稳定运行。

（2）结合冬瓜山铜矿多机站通风系统情况，风机均配备变频器，通过变频器调节频率降低转速的技术，利用流体力学风压、风量与频率之间的关系，间接调节风压的公式简单易懂，为现场通风技术人员调节风量和风压平衡提供了理论性知识。

（3）风压平衡变频技术研究通过调节风机频率达到降低风压的方法，改变了通过调节风机叶片角度、更换风机等降低风压的传统方法，该方法能够快速、有效地调节风压平衡，确保通风系统多风机联合运行时风机性能能够相互匹配，不造成相互干扰等问题。

（4）冬瓜山铜矿随着矿山企业的深部开采和扩能需要，采用多风机联合运行布置时存在新旧风机型号不匹配、风机性能降低等问题，在通风系统优化研究时通过该技术调节风机性能，既能降低通风系统技术研究的难度，也为企业节省了工程及设备等费用，对企业未来发展起到至关重要的作用。