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煤矿用对旋式局部通风机若干问题及对策

黄继贤/厦门理工学院何 瑜 何荣经/厦门伊特克实业公司    

摘要: 通过理论分析和试验研究,进一步阐明对旋风机 ( l / d > 0) 装置效率较 JBT( l / d =0) 的效率低,噪声高;同时指出用 L SA 评价考核噪声,导致节能低噪局扇全部被淘汰的畸形发展现状,为煤矿安全节能降耗和环保,提出对策和发展方向及积木式局扇的设计实例。

关键词: 对旋式风机;级效率和装置效率;噪声

中图分类号: TH321.1 文献标识码: A

文章编号: 1006 - 8155 ( 2008 ) 01-0070-00

Some Problems in Contra-rotating Local Fan for Coal-mine and Its Solution

Abstract: Through the theoretical analysis and test research, this paper specifies that the high noise of contra-rotating fan ( l / d > 0), and equipment efficiency is lower than the efficiency of JBT ( l / d =0). Simultaneously, the paper also points out the method of using L SA to evaluate and check noise has caused the developing trend of all the local fans with energy-saving and low-noise not to be used. For the purpose of safety, energy-saving and environment protection, the solution, developing trend and the design example of local fan with building block t yp e are pointed out.

Key words: contra-rotating fan; stage efficiency and equipment efficiency; noise


0 引言

  对旋通风机相对于普通轴流式、子午加速和斜流风机而言,对旋风机级 ( 本体 ) 效率最低,噪声最高,早已成为国内外不争的事实。我国对旋装置效率和单级运行效率更低,然而,因标准、试验方法和用比 A 声级评价考核噪声等错误。使对旋风机变成了所谓的“高效率、高风压、大风量、低噪声。根据送风距离的变化,可单级运转,因而效率高,能大幅度降低电耗,节能省电……”等特点,大有取代所有局部通风机,一统天下之势。对旋风机在我国煤矿占有统治地位约 15 年时间,事实究竞如何?引人关注和深思。

1 通风机效率

  通风机效率有级 ( 本体 ) 效率 , 装置效率和运行效率。级效率比装置效率高,装置效率比运行效率高,国务院提出风机运行效率应达 70% 以上。

  在以往通风机计算中,一般采用全压效率 η 以考虑各种损失的影响。为了较准确地计算风机效率,采用如下方法。

  通风机级中实际压力的变化为 Δ p = Δ p th Δ p R - Δ p p Δ p s

  通风机装置中实际压力的变化为 Δ p = Δ p th Δ p R - Δ p p Δ p s - Δ p D

式中 Δ p th 为级的理论总压升; Δ p R 为叶轮损失; Δ p p 为前导叶损失; Δ p s 为后导叶损失; Δ p D

为扩压 ( 消声 ) 器损失。

则其级效率为 η =( K th K R K p K s ) / K th

  利用上式可较为准确地验算风机级效率。

  考虑通风机扩散筒和消声器引起的效率损失系数 K p / K th ,则通风机装置全压效率 η =( K th K R K p K s K D ) / K th

式中 K D 为扩散筒和消声器损失。

  通风机装置效率由于增加了阻力损失,如扩压器扩散和消声器损失,国内学著测试结果:扩散筒最高效率为 69.34% ( 未含消声器阻力损失 ) 。由于消声器、扩压器和叶轮-电机与主风筒之间构成的环形通道凹凸不平、均直性很差等,产生分离气流,损失增大,压力下降,效率降低。若考虑集流器损失 , 对旋装置效率较其级效率小很多 ( 在 30% 以上 ) 。而对旋开发设计者认为:“对旋风机 ( 装置 ) 达到普通轴流风机 ( 级或本体 ) 所不能达到的高效率和高风压”;“对旋比一般轴流式可提高风压 10%~20% ,效率比前置静叶型二级轴流式高出 8% ,而且高效运行范围大,加之可根据送风距离不同,采用不同运行方式,能较大幅度地降低电耗,节能省电”。完全缺乏理论根据,与事实反差很大。对旋风机级效率比普通轴流风机级效率低 1%~2% ,早已是国内外不争的事实。

  1985 年萍乡全国风机集中测试按 GB1236-76 做进气试验时,发现 TFA430-2 子午加速风机最高全压效率为 97.60% ;而把出风口外筒多余长度 300mm ,只截去 265mm ,尚留 35mm 时;最高全压效率由 97.60% 降至 86.76% ,下降值为 10.84% 。经理论分析和试验研究发现: TFA430-2 风机外筒相对内筒超出长度 ( l / d )=0.706( > 0) 。出口外筒静压 p 2 < p a ( 大气压 ) ,而 JBT 系列风机 ( l / d )=0 , p 2 = p a ,对旋 ( l / d > 0) 在 p 2 ≠ p a 时,主观取 p 2 = p a 。结果在局扇外筒相对内筒超出长度在 0 ≤ ( l / d ) ≤ 1 之间,对旋装置效率较实际偏高 10% 还多。这就是对旋所谓“高效率”的由来,因此,风机越长“效率”就会越高;噪声越低。这是我国对旋越做越长 ( 长达几米、重几吨。 FBCDZ-12- № 46/2 × 1500 对旋,长度达 53.38m) 的主要原因。这就是被认为:“气流通过第二级叶轮时,获得圆周方向的速度分量,增加了气流能量,从而达到了普通轴流式通风机所不能达到的高效率和高风压 ” 的理论依据。也是 FBD Ⅱ系列运行最高效率比波兰同类机型高 8 个百分点,比日本高 3~8 个百分点的原因 ( 因为 FBD Ⅱ系列也是由国家煤矿防尘通风安全产品质量监督检验中心风机实验室按照 MT 755-1997 标准对整机性能进行了检验 ) 。

  根据对局扇出口流动特性的理论分析和试验研究,确立了:( 1 )外筒出口超出内筒出口的局扇静压 ( 和全压 ) 测定值偏高 Δ p = p a p 2 ,这就是对旋所谓“高风压”的根本原因所在;( 2 )外筒相对超出长度 ( l / d ) 和压力偏高值 Δ p = p a p 2 。( p a p 2 )/( 0.5 ρV 2 ) =1/2 × ( l d ) 2 ;( 3 )总出口损失 Δ H 与轮毂比 d 的关系式: Δ H / 0.5 ρ V 2 =0.738 d 2 。可见,涡流损失与毂比平方成正比。根据此式对各局扇测定值修正后的有效全压效率最高的只有 80% ,最低的为 69% ,比老局扇还低。

  国内目前大量使用分离式整体外包复消声结构对旋风机,即 YBF 电机和风机为装配式,风机本体与消声器为一体。由于气动设计和结构设计不合理及制造质量等原因,对旋风机的设计使用寿命达不到标准要求。为提高风压与结构需要而增大轮毂比和采用圆弧簿板叶型效率低等诸因素。因此,我国目前大量使用的对旋 ( 风机装置 ) 效率很低 ( 主扇更低 ) ,若以单级运转不但其效率更低,而结合管网特性曲线,在井下是无法工作的;因此不能满足井下通风要求。

2  通风机噪声

  煤矿为安全节能减排,《煤矿安全规程》规定:作业场所的噪声,不应超过 85dB(A) 。 MT 222 、 MT 755 和 JB/T9100 - 1999 标准规定,风机噪声以比 A 声级评价考核,其表达式为 L SA = L A - 10 lg ( Qp 2 )- 2( 风量以 m 3 /s 为单位应为 +2 而长期误为- 2) 。 A 声级噪声 L A 是用声级计,按规定测量位置直接的测量值,而比 A 声级 L SA 取决于风量和压力大小的计算值。目前,在国内外常用 A 声级评价工矿噪声,然而因对旋风机级噪声太高,采用比 A 声级 L SA ,且 A 声级 L A 又未按 GB/T2888-1991 《风机和罗茨鼓风机机噪声测量方法》规定的测点位置测量,而相反在非工作状态测点位置测量,导致测量值和实际噪声反差很大,加上消声器玻璃棉粉尘附着失效,噪声值大大超过规定值 85dB(A) ,已达到难以忍受情况,危害健康和安全。

  比 A 声级 L SA 通常以 L SA = L A - 10 lg ( Qp 2 ) +19.8 表达式计算,其噪声限值,按 JB/T8690- 1998 《工业通风机 噪声限值》规定:该标准只适用于一般型式离心和轴流通风机,不适用于特殊高压型式和对噪声有特殊要求的通风机,然而 MT 222 、 MT 755 和 JB/T9100-1999 《矿井局部通风机技术条件》标准采用了比 A 声级评价风机噪声,显然是不合适的。结果导致: (1) 对旋风机高噪声,反而变成低噪声,出现对旋噪声小到- 0.92dB ; (2) 国内外节能低噪的所有单级风机,因 L SA 不达标而全部淘汰,如 JBT51-2(5.5kW) , A 声级比 JBT52-2(11kW) 小 5dB(A) ,而比 A 声级 L SA 却反高出 10.8dB 。造成我国局扇全部取消单级,全部采用多级 (2~4 级 ) 高压局扇,威胁煤矿安全节能降耗减排噪声污染。

  总之,由于对旋装置效率较 JBT 级效率低 30% 以上, η = Qp /102 P ,效率 η 低, Qp 值就小,而对旋风机 ( l / d > 0 , p 2 ≠ p a 时,主观采用 p 2 = p a ,效率计算值偏高 10% 以上 ) 。可见, Qp 值是不真实的,而 L SA = L A - 10 lg ( Qp 2 ) +19.8 , Qp 值不真实, L SA 自然也是虚假的。由此可见,对旋风机所谓“高效率、低噪声、高风压、大风量”和“对旋比一般轴流式局扇可提高风压 10%~20% ,效率比二级轴流式高出 8% ”。完全缺乏理论依据。还应特别指出,对旋风机在井下做单级运转时,结合管网性能曲线分析知,其中任何一级独立工作,其风量都远小于两轮工作时的风量,运行效率很低,而且无法工作,不能满足井下通风要求,根本不可能节能省电。

3 若干问题与建议

  (1)局扇机号和叶轮直径采用 R40 数列,结果导致杂乱差。建议采用 R10 数列。

  (2)局扇要有统一规范正确的性能曲线,以便评价其性能的优劣和正确选型与使用。

  (3)局扇应以 A 声级评价考核其噪声大小。

  (4)废止 MT 222 、 MT 755 和 JB/T9100 ,制订统一标准。

  (5)局扇应以级为准评价其性能;局扇应有统一正确的命名及型号。不宜单以功率表示,如 YBT-11(YBF-22) 和 FBD № 2 × 75 等不规范的型号。

  (6)强制性标准应按国家标准法规定严格执行。

总之,我国煤矿用局部通风机存在诸多问题,为煤矿安全节能降耗减排噪声,亟须解决问题仍然是:(1)标准与试验方法问题;(2)性能评价问题;(3)性能改善及管理问题;(4)防止盲目片面追求高效率、高风压和大功率及大型化局部通风机。国外局扇一般 η =70% 左右, p ≤ 4900Pa ; P < 55kW ;而国内 η =85% 左右, p ≤ 11500Pa , P ≤ 132 × 2 ~4 × 75=300kW 。

4  分析

  笔者在分析掘进通风管网的漏风和阻力特性的基础上,分析了局扇实际运行经济性得出结论:真正节能的局扇应是其平均有效全压效率高,而且其压力特性与管网特性配合良好的风机。

  对我国现有局扇运行性能的对比分析表明:新型局扇,在运行经济性方面,与老局扇相当,没有多大提高,而在最大送风距离,不同工况下风量变化幅度,有效工况范围,是普通轴流和对旋风机,尤其老局扇占优势。同功率对旋级噪声比老局扇高 12dB(A) ,虽经庞大消声器消声后,虽然比 A 声级低,但 A 声级噪声却仍然很高,远远超出 85dB(A) 的要求。子午加速风机与国外同类产品相比,设计性能基本相当,但由于功能不够齐全 ( 如调节器和防脱流装置 ) ,故实际运行性能差距较大,未能发挥其“按需供风”的优势。

  根据对局扇运行性能的要求,分析国内外局扇型式的性能特点,选择合理的局扇型式和结构参数是满足运行性能要求的基础。对于 P ≥ 11kW 大功率局扇,应该采用可调的斜流式和子午加速风机或者不做调节普通轴流式和对旋风机,均能较好满足掘进通风对气动性能的要求,对于功率较小的局扇,为简化结构和使用方便,采用安装角较小的对旋和普通轴流通风机及安装角较小的不做调节的斜流和子午加速风机均可满足要求。

5 设计实例

  根据上述要求,为满足煤矿前期、中期、后期采掘的短、中、长距离通风要求,笔者按积木式方法设计 ,把其主要零部件均以标准化,根据不同使用参数,组成不同机型 ( 子午加速、斜流、单双级普通轴流和对旋 ) 和规格的系列局部通风机。其机号: 3.15 、 4 、 (4.5) 、 5 、 (6) 、 6.3 ;最佳工况点设计值 Q =52.2(55) ~ 418(438)m 3 /min , p = 1044 Pa(1280) ~ 4174( 5007 .8)[ 括弧内外分别为机翼和板型叶片值 ] 。功率 2.2 ~ 37(45)kW 。实践表明 : 它比国内目前使用的局扇更具有良好的实际运行经济性,且其压力特性曲线很陡与管网特性曲线配合良好,使其通风能力和风量变化更适合于变工况通风的实际使用,噪声也较低,其运行性能令人满意,该系列局部通风机,可满足我国大、中、小煤矿的长、中、短距离的局部通风需要。

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  评论人:Bradley   打分:85 分  发表时间:2015-8-8 11:45:26
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