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1、矿用局部通风机实际运行性能的对比分析Comparison Analysis on Actual Operation Performance of Local Fan for Mine 摘要：通过对矿用局扇的性能试验研究和实际运行性能对比分析，进一步明确了对局扇运行性能的要求。指出被淘汰的仿苏(国际水平)普通轴流式局扇是我国优良的矿用局部通风设备。关键词：局部通风机 运行性能 对比 分析Abstract: Through comparison analysis on actual operation performance of local fan for mine, and the requi
2、rement of local fan performance is identified further. It points out that obsolete common axial local fan copying Soviet Union (international level) is excellent local ventilation device for mine in our country.Key words: Local fan Operation performance Comparison Analysis1 引言 高效低噪安全可靠的普通轴流式局扇，因性能试验
3、方法问题，已被子午加速所取代而被淘汰；可高噪低效的对旋却由于被所谓的“高效率、高风压、大风量、低噪声”而取代了子午加速；从而“一统天下”，中国矿用风机形势不容乐观。2 通风机性能试验的重要性 试验表明：新型局部通风机的本机(或本体)全压效率比老局扇有升有降，尤其是子午加速风机，其全压效率最高已达97.6% 98.42%。BKJ66-1两次按GB1236-76的测试结果分别为92%和85.98%，相差6.02%。对旋实测为60%70%，可是说明书标值为80%82%，竟相差10%20%。 新型局部通风机的本机(或本体)噪声比老局扇有较大幅度的改变，一般均在1015dB，噪声级最低的是子午加速和斜流
4、风机，约为95dB，噪声级最高的对旋式风机高达120dB以上。BKJ66-1第一次公开值LA=100dB(A)，而全国集中测评值LA=109.5dB(A)，为何竟相差9.5dB(A)原因不明 (笔者分析，是局扇长短问题，长则效率高，噪声低；短则相反。另外叶片与风筒径向间隙过大，达2.25mm) 。 但必须指出如下几点。（1）目前采用的通风机性能试验方法，从基本原理上讲，是不合理的，必定会使一些局扇的测试结果偏高或偏低。而且这样测定的风机全压并未扣除其出口扩散损失，也并非完全有用，即便高效率也不一定节能。局扇的效率和噪声的高低，可人为地通过改变局扇总长度来予以改变。（2）近20年来，由于在设计中
5、为了片面追求高的全压效率，致使有些局扇压力曲线和功率曲线并不适合于采掘通风的要求。其实，单凭局扇全压效率的高低，并不能评价局扇运行性能的优劣和取舍，因为局扇实际运行经济性不仅与局扇本身全压效率有关，而且还取决于通风机性能（特性）曲线与管网的性能（特性）曲线的配合。（3）尽管新型局扇的噪声均比老局扇有较大的改观，但均远未达到煤矿安全规程的要求，特别是对旋，在装上庞大消声器后噪声仍很高，仍需进一步降低噪声。降低噪声已是煤矿对风机的基本要求。（4）从BKJ66-1两次测试效率和噪声竟相差6.02%和9.5dB(A)的结果可以看出，压入式通风用的进气试验方法有问题。 总之，目前局扇发展中存在和亟需解决
6、的问题仍然是：通风机性能测试问题；局扇性能评价问题 ；局扇性能改善问题； 矿用风机统一标准和管理体制问题。 关于性能测试问题早已有人指出，目前局扇性能测试存在的主要问题是：对于不同出口结构型式的风机采用同一方法测试，将会使一些局扇的测试结果出入很大，可信度很小，甚至完全错误1； 压入式通风采用进气试验方法所得的测试结果不符合实际使用需要。效率和噪声与实际相差很大； 试验研究表明：以圆面积作为出口面积并不合理。因为出口截面上静压p2pa，而且速度分布也很不均匀；GB/T1236-2000也明确规定：自由进口与管道出口应作B型试验，即出气试验。因为连接到通风机出口和/或进口的管道，改变了管道通风机
7、性能(特性曲线、效率和噪声等) 。 将风机出口损失计入风机本身，并考虑静压回收，得到的风机性能便是有效性能。有效性能的参数与用进气试验方法测试的结果相差很大，特别是毂比d和l/d，两值较大时，相差更大。我国近几年研制的新产品，其有效全压效率最高的也仅为80%左右，有的还不到70%，比老局扇还低。因此，用目前的测试结果来评价局扇的性能和优劣取舍是很不合理的，目前全国矿用风机杂、乱、差也源于此。而采用合理、正确的性能测试方法则是至关重要的。3 局扇实际运行性能的对比分析 长期以来，我国对局扇性能的评价仅限于局扇本身的某些性能参数（特别是效率）而忽视了采掘通风的特殊要求，致使局扇的设计不符合实际需要
8、。研究分析表明：我国近年研发的新产品在实际运行性能、结构、安全可靠性、综合性能及性价比和耗能耗材上，并不比老局扇好，甚至还差。 因此，从掘进通风的要求出发，正确地评价局扇的性能已是确定局扇发展方向的首要问题。根据掘进通风的要求，以局扇的有效性能为基础，简单地对现有局扇的运行性能、实际运行经济性、最大通风距离、不同工况下风量的变化幅度、有效工况范围和噪声水平等进行对比分析很有必要。3.1 掘进通风管网特性 为了研究局扇在通风系统下的实际运行性能，首先讨论掘进通风管网的特性。在煤矿掘进通风中，局扇多为压入式通风，通风管道多为柔性风管，如胶皮和帆布风筒。掘进通风管网包含柔性风筒的漏风特性和柔性风管的
9、阻力特性。 柔性风管的漏风情况非常复杂，但现场资料实测表明：柔性风筒的漏风发生在接头和针眼等处，而接头的严密性，风管的阻力等均与风压有关。风管在通常的安装质量下，其漏风量与管长基本成正比。 即Q1=Q0(1KL) (1) 式中Q1为风管出口端的风量；Q0为风管入口端风量；K为单位长度风管漏风率；L为风管长度，即通风距离。3.2 柔性风管的阻力特性 当风管长度较大，且漏风发生于接头时，可视漏风沿风管均匀。如果将风管进、出口端风量的平均值作为风管的风量，那么可假定，风筒内径沿管长不变，即可不考虑风压对内径的影响，但要考虑风阻R随风压变化的影响。 实际上，对于柔性风管，当风压增大时，风管内径变大，管
10、壁膨胀而变得光滑，从而沿程摩擦阻力减小，而接头处却相对不变，从而使接头的局部阻力增大。两方面的影响综合起来，使总风阻与风压存在一定的规律。4 局扇实际工况与最佳配合工况分析如图1所示，掘进工作面所需的风量为Q1，考虑到风管漏风，根据式（1），局扇的输出风量应为Q0=Q1/Pe(Pe为有效漏风率)，此时局扇的风压应等于管网的阻力，即H0=RQ0，从掘进通风要求讲，（Q0,H0）即为局扇与管网的最佳配合工况。当风管长度，即送风距离改变时，最佳配合工况沿a-a线移动，即由（Q0,H0）R1（Q0,H0）R2（Q0,H0）Rn。因此，局扇最理想的压力曲线就是与a-a线拟合。但由于风机本身的固有特性，局
11、扇的实际运行工况大都会偏离其最佳工况的。且只有QfanQ0, HfanH0, 方能满足掘进通风的要求。由于局扇实际工况与最佳配合工况的偏离，风机产生的实际风压和风量势必大于掘进通风所需的风压和风量，即 “供大于求”。 图1 管网特性曲线从局扇实际运行经济性的理论分析，得出结论：实际运行经济性良好的局扇应具有与最佳配合工况线拟合较近的压力特性和较高且宽广的有效全压效率区。5 我国现有局扇实际运行性能的对比分析 为了更明确以上的看法，并对我国现有局扇的性能有较全面的了解，对老局扇及近年研制的几种具有代表性的新型局扇作了如下的计算及分析。根据计算及分析，可以明确以下几点。（1）局扇的最大送风距离是表
12、征其通风能力，并为用户所关心的一个指标。在保证必要的风量下，局扇送风距离愈大愈好。笔者所分析的局扇功率均在同一等级内，并且使用条件也相同，因此，对最大通风距离进行比较是有意义的。由表1可见，当风量要求较小时（1.5m3/s）,老局扇和2MKJ4.5-2/5.52的最大通风距离均比新型局扇大；当风量要求较大时（2.0m3/s)，与子午加速风机TFA430-1和TFA430-2相当，但比双级普通轴流式2MKJ4.85-2/11和2MKJ4.5-2/5.52风机小，而BKJ66-1子午加速风机的最大通风距离比上述几种风机要小得多。因此，除BKJ66-1风机外，上述几种局扇基本上能满足掘进长度为500
13、700m的通风要求。当最大掘进长度达到8001000m或更大时，使用单台双级普通轴流式和对旋风机亦有可能保证必要的风量。因此，老局扇这一特点是比较好的。（2）为了避免局扇在短距离通风时产生的风量过大，致使乏风循环，造成局扇选型困难；或者增加主通风系统的负担，使主扇功耗增加，要求局扇在不同工况下的风量变化幅度应尽可能地小。普通型轴流局扇在大风量运行时的风量较其额定风量最多超出30%左右，而子午加速风机最大的竟超过60%还多，如此大的风量变化，是用户所不希望的，从这点上来看，双级普通轴流式局扇，尤其是老局扇要比子午加速风机要好。（3）局扇的实际运行经济性能与掘进通风的特性有关，每种局扇都有其经济合
14、理的实用条件。一般来说，子午加速风机的压力和功率特性曲线比较平坦（功率特性甚至随风量上升），其高效率区在较小风量的区段内，而在此区段内的压力曲线更为平坦。因此，子午加速风机适用条件是阻力变化小，而风量变化要求较大的场合，如锅炉通风，但掘进通风的特性，恰好与此相反，即阻力变化大，而风量变化要求小。由表2和表3可见，当风管阻力较大时，子午加速风机的运行效率较高；而当风管阻力变小时，其运行效率却降低了。再由表4的比较结果来看，选择内径较大的风管，降低了管网阻力，局扇的功耗也随之下降，但子午加速风机下降幅度比普通型轴流风机要小得多，甚至还增加了功耗。这说明现有的子午加速风机的适应性不如普通型轴流风机，
15、它的性能特性倒成了一种缺陷，使其优势未能在掘进通风上得到充分的发挥。表1 6种风机的风量与最大送风距离的关系风机型号Q1=1.5m/sQ1=2.0m/sQ1=2.5m/sJBT52-28001000500900400600TFA430-15001000500900300600TFA430-28001000500900300600BKJ66-13006003006003005002MKJ4.85-2/11700100070010004007002MKJ4.5-2/5.5280010007001000500600注：eau为平均实际运行效率；pau为输出能量平均有效利用效率；fanau为平均有效全
16、压效率。 表中左栏值表示 d= 500mm条件下的Lmax值，右栏表示d=560mm下的Lmax。表2 6种风机的风量与管网阻力和运行效率的关系风机型号 Q1=2.0m/s Q1=2.5m/seaupaufanaueaupaufanauJBT52-20.30.450.680.470.670.7TFA430-10.330.460.710.420.610.68TFA430-20.340.610.550.440.670.66BKJ66-10.220.290.760.410.540.762MKJ4.85-2/110.370.460.790.460.570.82MKJ4.5-2/5.520.450.57
17、0.780.540.740.73注: d= 500mm,表中诸值系由R100RRLmax 上求出。表3 6种风机的风量与管网阻力和运行效率的关系风机型号 Q1=2.0m/s Q1=2.5m/seaupaufanaueaupaufanauJBT52-20.30.440.680.410.60.69TFA430-10.280.430.650.360.620.58TFA430-20.30.450.660.390.630.61BKJ66-10.220.30.730.360.470.762MKJ4.85-2/110.290.370.780.420.550.772MKJ4.5-2/5.520.380.520
18、.720.460.710.66注: d= 560mm,表中诸值系在R100RRLmax 上求出。表4 5种风机风管内径与管网阻力和运行效率的关系风机型号d=500mm d=560mmW560/W500eaupaufanaueaupaufanauJBT52-20.30.450.680.180.260.710.88TFA430-10.330.460.710.150.260.581.14TFA430-20.340.610.550.160.270.611.12MKJ4.85-2/110.260.330.80.140.20.770.982MKJ4.5-2/5.520.330.420.80.20.310.
19、640.88注：Q1=2.0m/s, R100RR500。（4）分析表2和表3看出，我国近年研制的新型局扇和老局扇相比，实际运行经济性能差别不大，甚至还差些，现有局扇的实际运行效率比其本身的效率要低得多，以d=500mm的使用情况为例，大多数局扇的平均有效全压效率超过60%，部分已超过70%，但局扇有效能量的平均利用率超过60%的寥寥无几（当Q12.0m3/s时），当掘进工作面风量要求为2.0m3/s时，平均实际运行效率最高的也不到40%，当需风量为2.5m3/s时，最高的也不到50%，这说明现有局扇的压力特性曲线与最佳配合工况特性曲线距离颇远，同时也表明了不能单凭局扇本身效率的高低来直接说明
20、局扇的实际运行效益。（5）对局扇运行性能的一个重要要求是，在长距离通风即小风量运行时，仍具有稳定的工况，现有局扇中，只有老局扇和对旋能满足这个要求，其原因是对旋和老局扇的压力曲线基本无折断，从而具有较大的使用范围，而新型局扇的压力曲线往往由于出现折断，且未设置有效的防失速脱流装置，因此相对来说，他们的有效工况范围要比老局扇小得多。从这一点来看，亦是老局扇和对旋为好。（6）上述几种局扇的A声级及比A声级如表5所示，由表可见，除老局扇和BKJ66-1风机外，几种新型局扇的比A声级均小于国家规定的38dB(A)，比老局扇下降1214dB(A),但仍远远超出国家劳动卫生标准的要求LA=90dB(A),
21、新型局扇噪声级最低的也有95dB(A)，因此局扇噪声确实是井下生产环境的最大污染源之一，这应引起足够的关注。表5 5种风机的A声级和比A声级风机型号JBT52-2TFA430-1TFA430-2BKJ66-12MKJ4.85LA/dB(A)1099797109.599.5LsA/dB40.0327.5826.640.8928.2注：LSA= LA 10logQp2 (Q: m/min, p:mmH2O)。综合以上分析，得出结论：新型局扇(对旋除外)的噪声水平普遍低于老局扇，在运行经济性方面，新老局扇大致相当，而在最大通风距离，风量变化幅度有效工况范围等方面，还是普通型轴流式和对旋局扇，尤其是老
22、局扇为优，子午加速风机与国外同类产品相比，如前苏联的BM-5M子午加速风机，设计性能相当，但由于我国现有的子午加速局扇功能不够齐全（如性能调节、防脱流等），故实际运行性能差距很大。6 局扇运行性能的要求根据以上分析，进一步明确对局扇运行性能的要求：（1）实际运行经济性好，才有实际的节能效果；（2）在保证必要的风量下，具有足够的通风距离，换言之，在长距离通风小风量运行时，应仍具有良好稳定的工况；（3）不同工况下，风量变化幅度小；（4）噪声低。7 局扇合理型式及结构参数的选择 局扇的运行性能与风机的型式结构参数有关，只有选择合理的型式和结构参数，才有可能 使局扇的运行性能满足上述要求，因此，有必要
23、对国外局扇的发展状况作简要的介绍。现将国内外有关局扇的性能概况汇成表6。 表6 国内外局扇的型式和结构参数风机型式BM系列子午加速风机（前苏联）DGAL系列对旋风机（德国）Bonanza Fans 轴流式风机（美国）JBT轴流式风机（中国）DSF对旋风机（中国）MFA型对旋风机（日本）斜流风机（日本）工作轮直径100/mm4,5,6,125,6,76.44，5，65，6，74，5，66流量/（ m/min）1151200140160028850112390160232150500100400压力 /Pa6003600100040000500075032002802800200050002000
24、4500最高全压效率/%7276687070727479687678噪声 /dB(A)749410511010311891(11kw)707685调节装置前导叶无动叶角度可调无无无无防脱流装置分流器(专利)无无无无无无（1）从风机型式看，子午加速风机只有在前苏联最普及，且风机具有调节和防脱流功能，而其他一些国家，除普通型轴流风机外，采用对旋式和斜流式风机，离心式风机只有在前苏联及英国使用，且数量有限。（2）各国局部通风机效率一般在70%75%，不追求高效率。局部通风一般不需要高压力，压力高，漏风大，浪费能源，噪声高，不利于安全生产。世界各国局扇一般p4900Pa，根据笔者所掌握的资料分析，表中
25、噪声值大多是带消声器后测取的，JBT系列未带消声器，因此各国局扇的本机(体)噪声较高。8 建议（1）矿用局部通风机一般应以普通轴流式为主，以新型结构对旋为辅。（2）新型局扇要尽量缩小体积与质量，在结构上降低噪声并收集粉尘。（3）小煤矿巷道在500m左右，采用5.514kW局扇可满足使用要求，中大型煤矿，巷道设计长度较长(5001500m)，实践证明采用压抽混合式通风有利除尘。（4）煤矿采用炮掘时原规定的85m3/min通风量满足要求，机掘后，风量提高到150250m3/min。原局部通风使用较多的5.511kW局扇逐步被3045kW大功率局扇所取代，但在旧矿井中换用大功率局扇会造成主通风系统风量不足。因此，拟采用压力曲线较陡的双级高压通风机。
