风机并联运转效能分析及工况优化*

王从陆吴国珉王 根

（1.中南大学资源与安全工程学院；2.大冶有色控股集团有限公司）

风机并联运转效能分析及工况优化*

王从陆1，2吴国珉2王 根2

（1.中南大学资源与安全工程学院；2.大冶有色控股集团有限公司）

在构建风机并联运转数学模型的基础上，分析了风机并联运转的等效风阻变化规律。从节能的角度分析了风机总能耗最小的条件。以铜绿山矿井通风系统作为实例，分析了风机工况点变化的规律。研究表明：并联风机的选择需要综合考虑风量、风压和风机之间的匹配关系；并联通风系统中风量调节的难度大；风门或风墙对风流分配的影响巨大；日常通风管理的关键在于风门管理和均衡需风量。

风机并联 联合运转 效能分析 工况优化

矿井通风系统是一个复杂的非线性系统，具有随机性、模糊性和不确定性特征［1-4］。对于老的金属矿山来说，由于历史或现实的原因，矿井通风系统不能有效地为生产服务，采用更换风机或增加开拓工程的方法来改变通风效果不佳的问题，从经济上和生产安排上都难以接受［5-6］，因此，通常采用多中段并联分区通风或多级机站接力通风的方式［7-9］。从本质上讲，这是多风机并联联合运转的问题。大冶有色金属控股集团的铜绿山矿根据矿山的实际情况，采用多风机并联作业解决井下风量不足的问题。本研究将构建铜绿山矿两风机并联作业的模型，从等效风阻和风机能耗等方面，结合矿井通风网络数值解算，提出优化风机并联运行的网络参数，达到矿井通风高效、节能的通风目标。

1 分析模型

对于中段多风机并联作业，基本模型如图1。通过通风图的等效拓扑变化，图1可以转化集中并联，如图2。由于A→B和E→F的风量相等，可以把AB和EF看成1条风路，其风阻等效为R0。

图1 风机并联作业

2 等效风阻分析

风机1＃和风机2＃联合运转时，风机的风量分别为Q1和Q2。假设风机1＃服务的A→B→E→F风网的等效风阻为RF1，根据通风阻力定律有

图2 风机等效集中并联作业

若风机2＃服务的A→B→C→E→F风网的等效风阻为RF2，根据通风阻力定律有

由于风机1＃和风机2＃同时运转，E→F，A→B段的风量是相同的，有

对式（1）、式（2）和式（3）做处理，可以得到

由式（4）和式（5）可以看出，每台风机的实际工作风阻除与各自的风路的风阻R1和公共风路的风阻R0有关外，还与2台风机的实际风量的比例有关。同样每台风机的实际工况点取决于各自的风路的风阻R1和公共风路的风阻R0有关外，还取决于2台风机实际风量的比例。

对风机而言，其风机特性曲线是固定的。若风机1＃单独为对应中段服务，风网的风阻为R1＋R0，若风机2＃单独为对应中段服务，风网的风阻为R2＋R0。由于

所以，风机联合运转时风网的等效风阻比风机单独运转时风网的风阻大。

对金属矿山而已，一般进、回风段的阻力占全矿阻力的50%～70%，有的矿山甚至更高，因此，风机并联运转，对风机有效工况点的影响是明显的。

假设

单独工作时风阻为3 R1，分析不同的风量比例对风网的等效风阻的影响，分析结果见图3。

图3 不同风量比例情况下风网等效风阻变化曲线

从图3可以看出，随着Q1／Q2比值的变大，风量小的分支上安装的风机，其等效风阻快速增大，风机工况点向左边偏移，落在大风压小风量的区域。风量相对较大的风机，其通风区域的等效风阻出现缓慢增大。风机工况点向左边偏移，落在大风压小风量的区域。其变化规律参见图4。由此可见，给矿井通风系统增加1台并联风机，原工作风机的工况会有较大的改变。

图4 风网等效风阻变化对风机工况的影响

3 并联风机能量分析

假设2风机在不同中段并联工作，风机风量分别为Q1和Q2，有

1＃风机的总能量

2＃风机的总能量总的风机能耗最小。其含义为1＃风机的能量仅用于克服R1段和公共段的阻力；2＃风机的能量仅用于克服R2段和公共段的阻力。2风机之间没有由于风机不匹配而产生循环风。

两风机的总能量

求解得到

要使风机的总能量最小，令

考虑式（6），当

4 实例分析

为研究多风机联合作业时，风机工况之间的耦合情况，参照铜绿山矿井通风系统模型，见图5。风流的方向通过风门或风墙进行控制。通风模型系统中布置2个风机，分别为1＃风机和2＃风机，风机运行参数见表1。

图5 铜绿山矿井通风系统局部网络

表1 风机工况点参数

从表1中可知，2风机并联运行时，1＃风机风量减少9.7 m3，风压增加571 Pa；2＃风机风量减少6.6 m3，风压增加421 Pa。说明联合运转后，2＃风机的风压都增大了，风量都减少了。由于2＃风机的风量大于1＃风机的风量，因此，并联运转后，1＃风机的工况点变化大于风机2的，与理论分析吻合。

5 结 论

（1）在多风机并联运行通风网络中，风门的调节对于各中段的风流分配的影响巨大，日常通风管理的关键在于风门管理。

（2）风机进行多中段并联作业时，中段风机的选择不能仅根据本中段的风量和风压来选择，而要考虑其他相关中段和各风机之间的耦合作用。

（3）风机多中段并联作业，中段风量调节的难度非常大。风量调节通常采用风门调节，增加了系统阻力，以有效风量的减少为代价。

（4）风机进行多中段并联作业时，需要均衡生产，使上下中段的需风量大致相等，实现风机节能。

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Operating Point Optim ization and Effectiveness Analysis of Parallel Fan

Wang Conglu1，2Wu Guomin2Wang Gen2
（1.School of Resources and Safety Engineering，Central South University；2.Daye Non-FerrousMetals Group Holdings Co.，Ltd.）

Based on themathematicalmodel of parallel fan operating，the change law of equivalentwind resistance of parallel fan was analyzed.Condition ofminimum fan total energy consumption can be drawn from the point of energy-saving.Taking themine ventilation system of Tonglushan as an example，the operating point change law of parallel fan is studied.Studies show that：Selection of parallel fan needs to comprehensively consider thematching relationship among the air pressure，the air volume and the parallel fan；It is very difficult to control air volume in amine ventilation system of parallel fan；The air door and air partition play an important role in air flow distribution.The key in routine ventilationmanagement lies in the air door and the balanced demand air volume.

Parallel fan，Joint operation，Effectiveness analysis，Operating point optimization

2013-06-24）

*国家自然科学基金项目（编号：50974132）。

王从陆（1972—），男，讲师，博士，430074湖南省长沙市麓山南路605号。