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  • CN 62-1112/TF 
  • ISSN 1005-2518 
  • 创刊于1988年
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黄金科学技术, 2021, 29(1): 129-135 doi: 10.11872/j.issn.1005-2518.2021.01.059

采选技术与矿山管理

梅山铁矿通风系统多时段变频分风方法应用

许志逞1, 居伟伟,2,3,4

1.南京宝地梅山产城发展有限公司矿业分公司,江苏 南京 210012

2.中钢集团马鞍山矿山研究总院股份有限公司,安徽 马鞍山 243000

3.金属矿山安全与健康国家重点实验室,安徽 马鞍山 243000

4.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,安徽 马鞍山 243000

Application of Multi-period Variable Frequency Air Distribution Method in Ventilation System of Meishan Iron Mine

XU Zhicheng1, JU Weiwei,2,3,4

1.Nanjing Baodi Meishan Production City Development Co. ,Ltd. ,Mining Branch,Nanjing 210012,Jiangsu,China

2.Sinosteel Ma’anshan Institute of Mining Research Co. ,Ltd. ,Ma’anshan 243000,Anhui,China

3.State Key Laboratory of Safety and Health for Metal Mine,Ma’anshan 243000,Anhui,China

4.Huawei National Engineering Research Center Co. ,Ltd. ,of High Efficiency Cyclic Utilization of Metal Mineral Resources,Ma’anshan 243000,Anhui,China

通讯作者: 居伟伟(1987-),男,安徽马鞍山人,高级工程师,从事矿井通风除尘技术相关工作。juweiwei2004@126.com

收稿日期: 2020-03-17   修回日期: 2020-09-21   网络出版日期: 2021-03-22

基金资助: “十三五”国家重点研发计划项目“金属非金属矿山采运过程物理化学除尘技术与装备”.  2017YFC0805204
安徽省科技重大专项项目“工业企业低浓度VOC废气净化设备与技术研究”.  17030801034

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 。

摘要

梅山铁矿通风系统15 台主通风机总装机容量为2 730 kW,全天满负荷运行实耗功率为1 940.76 kW,每年通风成本高达1 445.09万元,通风风量及能耗浪费严重。从矿井风量的“供需平衡”理论出发,根据电机学和流体力学理论中频率、转速和风量之间的关系式,精确计算出满足3个时段矿井需风量时各主通风机的实际运行频率,然后通过远程控制系统对各主通风机进行精确调频,按需通风。系统运行正常后实际风量能够满足3个时段所需风量的要求,各时段实耗功率分别为1 093.28 kW、1 385.06 kW和1 786.38 kW,15台主通风机每年可节省通风成本386.59万元,解决了主通风机满负荷运行造成的风量和能耗浪费等问题。

关键词: 多时段 ; 多风机 ; 通风系统 ; 按需通风 ; 精确变频 ; 实耗功率 ; 通风节能

Abstract

Meishan iron mine adopts the ventilation system of four-stage progressive return fan station,with many main fans and wide distribution.In order to strengthen the management of ventilation system,the remote control system of multi-stage fan station of the mine was gradually established in 2006.Main fans are equipped with frequency converter,total installed capacity of 15 main fans is 2 730 kW,actual power consumption of full-time operation is 1 940.76 kW,and the annual ventilation cost is up to 14.4509 million Yuan.If the ventilation of working faces with constant air volume according to the maximum demand,it shall be inevitably result in the waste of air volume and energy consumption.At present,changing the characteristic curves of the main fans to adjust the air volume can be achieved by adjusting the installation angle of the blade or the frequency conversion of 1 Hz amplitude,but this method is time-consuming,laborious and difficult,and the method of precise frequency modulation to adjust the air volume is relatively weak.Therefore,based on the theory of “balance of supply and demand”,ventilation period is divided into three,according to the number of mining face,driving working face,other working faces and chambers,and given a certain air leakage coefficient to determine the actual air volume in three periods for ventilation on demand,which can maximize the effect of ventilation and energy saving.According to the relationship between frequency,rotation speed and air volume in the theory of electromotor and fluid mechanics,the actual operating frequency of each main fan meeting the mine air demand in three periods was calculated accurately.Each main fan is precisely and remotely frequency modulated by PLC remote control system,which simplifies the complicated regulation mode of ventilation management personnel adjusting air volume by frequency 1 Hz.After normal operation,the actual air volume in three periods can meet the requirements,and the actual power consumption in each period is 1 093.28 kW,1 385.06 kW and 1 786.38 kW.Through the implementation of research plan of multi time precise frequency conversion and energy saving ventilation technology,the ventilation cost of mine ventilation system is saved by 3.865 million Yuan per year,which solves the problems of air volume,energy consumption and waste caused by full ventilation of the mine ventilation system.The effect is remarkable,which embodies the advanced nature of modern mine ventilation and energy saving technology,and fully displays the advantages of multi-stage time station frequency conversion ventilation “intelligent” energy saving.

Keywords: multi-period ; multi-fan ; ventilation system ; ventilation on demand ; precise frequency conversion ; actual power consumption ; ventilation and energy saving

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本文引用格式

许志逞, 居伟伟. 梅山铁矿通风系统多时段变频分风方法应用[J]. 黄金科学技术, 2021, 29(1): 129-135 doi:10.11872/j.issn.1005-2518.2021.01.059

XU Zhicheng, JU Weiwei. Application of Multi-period Variable Frequency Air Distribution Method in Ventilation System of Meishan Iron Mine[J]. Gold Science and Technology, 2021, 29(1): 129-135 doi:10.11872/j.issn.1005-2518.2021.01.059

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,2017aChatterjee 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,2014Li 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。

梅山铁矿采用四级进回机站通风系统,由于开采范围广,导致主通风机分布比较分散。为了加强各区域进回风机的管理,2006~2009年,梅山铁矿分步骤实施建立了主通风机计算机远程控制系统,四级机站主通风机均已配备变频器,四级机站风机变频器设置费用为120万元,地表设有PLC远程控制系统(王剑波等,2015张卅卅等,2015贾安民,2012贡锁国等,2002)。该通风系统实现了通风风量合理分配、风压均衡分布、漏风量小且有效风量率高的目标。具体主通风机分布及参数见表1,通风系统现状示意图见图1

表1   通风系统机站风机参数

Table 1  Fan parameters of fan station in ventilation system

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-№1942004059.8~113.2920~1 766
-330 m水平西风井回风机站K45-6-№1942004059.8~113.2920~1 766
-402 m水平北风井进风机站K45-6-№1942004059.8~113.2920~1 766
-402 m水平南风井进风机站K40-6-№1931104039.5~86.0277~1 280

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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  Test results of ventilation system status

编号进风井进风量/(m3·s-1回风井回风量/(m3·s-1
合计566.04575.70
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

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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(1)计算:

Q=K(ΣQ+ΣQ+ΣQ+ΣQ其他

式中:Q为多时段矿井总风量(m3/s);Q为同时回采工作面总需风量(m3/s);Q为同时掘进工作面总需风量(m3/s);Q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  Calculation results of mine actual air demand in three periods

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430.78460.89539.53
1回采工作面需风量198.80227.20262.70
2掘进工作面需风量68.9062.0182.68
3硐室需风量40.0040.0040.00
4漏风系数1.41.41.4

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3.2 变频技术研究

(1)变频节能原理。矿井主通风机在额定转速的状态下运行时,风阻特性曲线与风机特性曲线的交叉点为实际运行工况点。因此,工况点的调节可以从调节风机特性曲线着手,对于轴流式风机可以通过调节叶片安装角度以及运行频率的方式来改变风机特性曲线(聂文艳等,2006韩靖等,2016袁梅芳,2013)。

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

n1/n2=f1/f2
Q1/Q2=n1/n2

式(2)和式(3)可得

Q1/Q2=f1/f2

式中:n1n2为不同时段电机转速;f1f2为不同时段供电频率;Q1Q2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

注:R为风阻特性曲线;Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ分别为不同转速下的风机特性曲线;N0N1N2分别为风阻特性曲线和各风机特性曲线相交的工况点;P0P1P2分别为对应N0N1N2工况点的风机风压;Q0Q1Q2分别为对应N0N1N2工况点的风机风量

Fig.2   Characteristic curves of main fan at different speed


由式(2)~式(4)和图2可知,主通风机运行风量Q与电机频率f、转速n呈一次方关系。当电机频率f在某时段降低时,主通风机转速n和运行风量Q均有所下降,而在降低电机频率f的同时风压P也随之降低且降低速率远大于运行风量Q图2中,PQ与坐标轴形成的面积相当于主通风机运行功率。因此,当电机频率f降低时,运行风量Q、风压P与坐标轴形成的面积显著减少,直观地反映了通过降低电机频率达到降低主通风机风量,并使实耗功率也逐步降低,实现了按需通风变频节能的显著效果。

(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。

式(4)可得

f=Q×f/Q

式(1)和式(5)可得

f=K(ΣQ+ΣQ+ΣQ+ΣQ其他)×f/Q

式中:f为多时段主通风机运行频率;f为50 Hz;Q为满负荷运行时矿井总风量,为575.70 m3/s。由式(6)可根据多时段矿井总风量精确计算出主通风机实际所需运行频率,简化了通过频率1 Hz幅度调整多风机风量这种繁杂的方式,通过精确变频实现了矿井多时段智能化精确分风。

式(6)计算得到三时段所需频率如表4所示。

表4   三时段主通风机运行频率计算结果

Table 4  Calculation results of operation frequency of main fans in three periods

序号时段所需风量/(m3·s-1计算频率/Hz运行频率/Hz
1早班430.7837.4138
2中班460.8940.0341
3晚班539.5346.8647

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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  Test data of ventilation system application effect in three periods

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38430.78436.571 093.28
2中班41460.89470.121 385.06
3晚班47529.89542.581 786.38

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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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