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金属矿山通风节能途径浅析 长沙冶金设计研究院 杨振锋 提 要 在分析国内金属矿山近十多年来通风技术改造与实施状况的基础上, 通过 大量实例的剖析, 提出了矿山通风节能的有效途径。 关键词 通风系统 节能 多级机站 Some views on energy- saving way for ventilation of metal mines Yang Zhenfeng ABSTRACT Based on the analysis of ventilation, technical modifica- tion and its implementation condition of metal mines in china in more than ten years, the effective way for saving energy of ventilation of metal mines is proposed through comprehensive analysis of large number of examples. KEYWORDS Ventilation system Saving energy Mutilevel fan station 矿井通风是金属矿山生产中的一个重要 环节, 其所耗动力相当可观。 我国从 80 年代 初至今, 随着通风理论的研究和通风技术的 更新, 以及新型节能风机的研制与推广, 全国 已有上百家金属矿山对原有的通风系统进行 了技术改造与建设, 从实际使用效果来看, 系 统通风质量明显提高, 节能效果十分显著。 据 统计, 国内金属矿山通风系统有效风量率已 由原来的平均不足 30 提高到 72. 5, 风机 效率也由 34 左右提高到 70 以上, 个别矿 山甚至达到80 以上, 年节电效益4350 万 kWh, 大大改善了井下工作条件和环境 质量, 降低了能耗, 取得了良好的社会效益和 经济效益。 据 50 个金属矿山的统计资料 [ 1] 表明, 目前我国金属矿山通风系统呈现多元化的技 术格局。这种格局大体上可分为 4 种基本型 式 见表 1 a. 集中主扇系统; b. 分区主扇系统; c. 主- 辅扇联合系统; d. 多级机站系统。 表 1 国内金属矿山通风系统技术格局 系统名称 构 成 数量比例 典型矿山 集中主扇系统2448 大冶铁 矿、 金山 店铁 矿、 小官庄铁矿等 分区主扇系统816 金厂峪金矿、 龙泉铅锌 矿、 凤凰山铜矿等 主- 辅联合系统1020 蚕庄金矿、 漓渚铁矿、 凤凰山铜矿等 多级机站系统816 梅山铁矿、 云锡老厂、 狮子山铜矿等 此外, 个别矿山采用几种型式联合使用, 分期实施。如梅山铁矿前期在北采区进行多 级机站通风系统试验, 南采区采用主扇系统, 在取得成功的基础上, 后期又将南采区也改 造成为多级站系统。这些矿山的通风系统改 造方案, 在技术上可归纳为两个方面 一是 32 冶金矿山设计与建设 Metal mine design and construction 第 29 卷 第 4 期 1997 年 7 月 通过优化系统网路结构, 使其更加合理化。 包 括改变系统方式和布局、优化通风井巷断 面、 井巷局部清理或刷大等措施, 以减少系统 阻力, 降低系统装机容量; 二是合理选择高效 节能风机与系统网路相匹配, 以取代原来的 低效耗能产品, 提高装置效率。同时, 在实施 过程中加强工作面风流控制与通风管理。据 此, 综合分析这些系统改造方案与技术措施, 在借鉴有关资料和经验的基础上, 结合几年 来参与一些矿山通风技改项目的设计实践, 笔者认为, 我国金属矿山通风节能途径主要 有以下几个方面。 1 合理选择矿井通风系统, 优化 网路结构 众所周知, 矿井提升运输、 凿岩与爆破, 通风防尘以及排水排泥等构成了金属矿山的 主要生产系统, 其中通风系统能耗指标约占 矿山总能耗的 1/ 3。 因此, 必须在规划设计阶 段通过多方案的技术经济比较, 应用先进的 通风理论, 网路优化技术和现代化的设计手 段, 选择确定一个切合矿山实际的通风系统。 1. 1 集中主扇系统 集中主扇系统是我国传统的通风系统模 式, 它具有设备数量少, 管理与维护简单方 便, 装置运行可靠等优点, 适用于开采范围不 大, 网路简单, 风路短, 沿途阻力小的中小型 矿山。 其缺点是风流调控措施难以实施, 工作 面通风效果难以保证。 在目前, 我国许多老矿山通风系统已经 定型, 如果改变原系统需另行开挖井巷, 增加 投资。表1 中 48 的所占份额也充分说明了 这一事实。实际上许多生产矿山正是通过将 老风机更换为新型节能风机、 老风机叶列改 造、 风井断面优化或者清巷降阻等改造措施, 而在对系统网路布局未作任何变动的情况 下, 就大幅度地减少了通风能耗。如丹东五 龙金矿, 原系统为集中主扇系统, 风机为 70B2-11-18, 通风改造时并未改变系统, 仅 用 DK45-14 型节能风机取代原有主扇, 却使 装置效率由原来的 19 提高到 78, 即节 省了系统改造投资, 又降低了能耗, 年节电 75. 9 万 kWh, 风机运行 44 天的节电费, 即 收回了全部改造费用。其它采用集中主扇系 统进行通风改造的矿山, 节能效果也是很明 显的。 鉴于这种系统方式的不足, 在实际运行 中, 为加强风流控制与调节, 进一步提高通风 节能效果, 应尽量减少井下增阻调节措施, 必 要时可采用局、 辅扇引风的方法引导控制风 流, 随着生产条件的变化, 技术经济许可时, 逐步转化为主- 辅扇联合通风以至多级机站 可控式通风系统。 1. 2 分区主扇系统 分区主扇系统系由集中主扇系统分化而 来的, 其特点是根据矿山实际, 对于矿体较 为分散的矿井通风系统可划分为几个独立的 通风区域, 分别设置风机。相对于集中主扇 系统而言, 分区风路更短, 通风阻力更小, 且 各分区间风流互不干扰, 有利于减少风流串 联, 比较适用于矿体埋藏浅且分散, 矿体走向 长, 产量大, 以及矿岩有自燃危险的矿井。 分区主扇系统自形成以来发展很快, 尤 其在新型节能风机研制成功以后, 由于其系 统工况在较大范围内与节能风机相匹配, 有 利于风机选型, 充分展示了其良好的社会经 济效益和发展潜力。河北金厂峪金矿, 原系 统为两翼对角式分区主扇通风, 1985 年该矿 在有关科研单位的协助下, 利用一条废旧巷 道做回风道, 将系统改造为三翼对角式分区 通风, 配置三台 K35-13 风机, 使三条并联回 风道风量大致相等, 以期最大限度地减少能 耗。系统投入运行后, 分区主扇效率明显提 高, 由原来 42. 55 提高到 72. 43, 装机功 率反而比原来减少了 185 kW, 年节电效益 172. 6 万 kWh, 节电率达 72. 6, 同时充 分利用已有井巷, 减少了改造费用。不到两 个月即收回了全部装置购置费。 33 1997 年第 4 期 冶金矿山设计与建设 然而, 与集中主扇系统一样, 分区主扇系 统也存在风流调控难以实现、 工作面通风效 果差的缺点。 为此应在井下局、 辅扇辅助调控 的同时逐步过渡到分区主- 辅扇系统或分区 多级机站通风系统。 1. 3 主- 辅扇联合系统 主- 辅扇联合系统包括集中主- 辅扇系 统和分区主- 辅扇系统。它保待的主扇系统 的优点, 又克服了风流调控难的弊端, 且相对 于多级机站系统而言设备数量少, 维护管理 简便, 只是装置投资较主扇系统略有增加。 然 而新型节能风机以其规格齐全、 价格便宜等 优点弥补了这一缺憾。 可以预见, 在目前和今 后一定时间内, 主- 辅扇联合系统将成为我 国金属矿山通风系统的主流。 有关研究资料表明 在保证工作面风量 不变, 污染不超标的条件下, 主- 辅扇联合通 风系统的风机年运转费可比传统的集中主扇 系统降低 80以上 [ 1] 。铜陵凤凰山铜矿, 采 用分区主- 辅扇系统进行通风技术改造, 其 中南区选用 2 台 K40A14 风机同地并联, 北 区选用 1 台 K40A14 风机, 分别取代原系统 70B 2系列主扇风机, 并在采场回风联络道设 置 15 台 K40B08 风机做辅扇, 进行采场风量 调控, 以代替原系统的风窗调节。 投入运行以 后, 各项指标均有显著提高, 系统有效风量 率达 64. 1 , 主扇效率 82. 86, 年节电 250 万 kWh。需要说明的是, 井下辅扇一般都 设置在采场工作面附近, 应尽量采用无风墙 型式安装, 以减小爆破冲击破坏和便于迁移; 同时, 应根据分支风阻大小选择合适风机, 以 使其形成引射通风状态; 只有在风阻差值较 大的并联网路中使用时可采用带风墙辅扇。 1. 4 多级机站可控式通风系统 多级机站可控式通风系统是一项新的通 风技术, 后文将详细论述。 应该看到, 近年来矿井通风动力学和系 统网络理论的研究在深度与广度上有了较大 的发展, 国内外有关学者相继研究并建立了 矿井通风系统全局优化, 网路结构优化设计 等数学模型, 开发了相关的应用程序, 其初步 使用成果已普遍得到认可。这将进一步在理 论上指导并促进通风节能技术的发展。 2 合理选择高效节能风机与 系统网路相匹配 在前些年, 我国金属矿山一直沿用 70B2、 2BY 等煤矿用高风压, 低风量风机做主扇, 由于与金属矿山低风压、 高风量的系统工况 不匹配, 加之风机本身效率低, 能耗指标高, 不仅影响了通风效果, 恶化了井下环境, 也造 成了能源的极大浪费。主扇装置的运行效率 平均仅 30左右, 使得矿山通风能耗在矿山 总能耗中所占比重长期居高不下。相当数量 的矿山在通风改造中仅仅是因为更换了节能 风机, 有的甚至只对老风机进行了局部改 造, 即取得了显著的节能效果。 事实上, 无论采用何种型式的通风系统, 装置本身的节能效果所占比重是相当大的。 如大冶铁矿尖林山采区, 1989 年在武汉安环 院的协助下, 选用 3 台 K40A15 风机地表并 联做主扇, 取代原系统 Y4-73-28 风机, 同时 优化设计通风井巷断面, 调整局部网路结构, 仍为主扇系统, 装置效率却由 35猛增到 84. 4, 系统有效风量率达 86. 7 , 年节电 260 万 kWh, 节电率达 70。又如湖南水 口山铅锌矿, 1984年用 2 台 K45-9 风机取代 老风机做辅扇, 节电率 76. 1 ; 1985 年又用 K45 系列风机取代 2BY-16-18 风机做主扇 进行系统改造, 又取得了节电70. 1 的显著 效果。 这充分说明, 合理选择节能风机对降低 通风能耗是何等的重要。 目前, 国内金属矿山普遍选用矿山节能 推广站监制, 山东淄博风机厂研制的 K 系列 风机进行通风系统改造与建设。 该厂自1980 年以来逐步研制成功了 K 系列, DK 系列主、 辅扇和 JK 系列局扇, 共十几个系列一百多 种规格的节能风机, 应用于全国 200 多个矿 34 冶金矿山设计与建设 1997年第 4 期 山。 据不完全统计, 十多年来累计节电十多亿 度, 相当于节约电费上亿元, 近年来又在原 有系列的基础上研制成功新一代 K 系列, DK 系列节能主、 辅扇风机和 BK、BDK、 LK 系列防爆风机及立式风机, 各项性能普遍提 高, 规格更加齐全, 适用范围更广。 另外, 武汉安全环保研究院 90 年代以来 研制成功的 FS 系列节能风机也得到了广泛 的推广和应用。 目前, 从黄沙坪铅锌矿、 安徽 狮子山铜矿和金山店铁矿等矿山的使用效果 来看, 普遍反映良好。 这两种风机均采用扭曲 机翼型叶片, 直联式传动, 气动性能好, 运行 效率高, 并设有稳流环装置, 风机运行平稳, 高效区宽广, 规格齐全, 拆装方便, 反风效率 达 60以上, 适用于各类大、 中、 小型非煤矿 山的主、 辅扇, 尤其适用于多级机站系统。这 些风机的研制成功为金属矿山通风节能技术 的发展提供了充分的设备保障。 3 运用多级机站通风系统进行 可控式通风 多级机站通风技术的引进与消化对实现 矿井通风系统的有效调控, 使系统按需供 风, 减少漏风, 提高有效风量率和系统效率, 起到了其它系统型式无可比拟的作用, 实践 证明是一项节能非常有效的技术, 具体体现 在如下几个方面。 3. 1 该系统运用风压平衡原理, 有效减少了 内外部漏风, 提高了系统有效风量率。多级 机站系统能够在保持各风路需风量的前提 下, 通过机站风机调整各分支风路的风压, 使其趋于平衡, 即外部漏风点接近零压, 内部 漏风点风压相等, 通过机站设置, 使系统压力 分布趋于合理化。 梅山铁矿北采区采用两级压入两级抽出 的四级机站系统, 选用 20 台 FZ 系列节能风 机, Ⅱ、 Ⅲ级机站分别设在作业分层的进回风 侧, Ⅰ、 Ⅳ级机站为系统总进风和总回风机 站。实测结果表明, 进路工作面附近风压很 小, 大大减少了崩落采空区的漏风; 同时由于 非作业分层、 中间天溜井、 电梯设备井和斜坡 道两端风压趋于相等, 漏风量也很少。 仅此一 项, 按保守估算便可使通风功耗减少 20 ～ 48。系统风机平均效率达 70以上, 有效 风量率由原主扇系统的不足 40, 提高到 72. 8 , 年节电效益达 54。 此外, 多级机站 系统还可通过机站风机调整风压, 有效控制 外部污染源对风质的污染。云锡老厂胜利坑 采用分区多级机站压入式通风系统, 不仅取 得了年节电 875 万 kWh 的经济效益, 还使 井下工作面始终保持正压, 大大拟制了氡子 体的析出, 从而减少了其对人体的危害, 为有 特殊危害的矿井使用该系统提供了成功的范 例。 3. 2 该系统运用网路优化控制原理控制分 风大大降低了通风功率, 减少了装机容量, 节 省了能耗。研究表明在系统按需分风网中, 用风机控制分风能使网路功耗最小。多级机 站系统正是利用这一原理在系统需风网中按 给定风量用风机控制分风, 而在进回风段自 然分风网中不加任何调控措施, 自然分配, 从 而使系统网路达到优化的目的。 大冶铁矿龙洞采区原设计为主扇系统, 装机容量 430 kW, 1985 年采用多级机站系 统后, 9 台 K45 系列节能风机的装机容量之 和只有 195 kW, 年节电 120 万 kWh。 又如 铜陵狮子山铜矿原系统为分区主扇系统, 装 置总容量 732. 5 kW, 在通风改造中, 经过多 方案比较, 确定采用多级机站系统, 共设置机 站 16 个, 选用 20 余台 FS 系列风机, 总装机 容量降低为 432. 7 kW, 比原来减少近 300 kW, 风机效率达 80以上, 年节电 230 万 kWh。 3. 3 系统加强了风量调节与控制的灵活性。 金属矿山由于其作业性质不同, 以及工作日、 班和工休日、 班的不同, 需风量变化很大, 尤 其是井下作业实行承包制以后, 这种不均衡 性更加突出。 由于主扇风机装机容量大, 随意 35 1997 年第 4 期 冶金矿山设计与建设 关停对电网影响大, 加之自动调速价格昂贵, 难以实现, 因此即使工休、 节假日或只有少量 作业, 主扇也必须照常运转, 白白浪费了许多 电能。多级机站系统由于由几级机站串联克 服系统阻力, 每个机站又可以由几台风机并 联工作, 每台风机的功率相对主扇风机要小 得多, 就能够根据作业面的需要, 开动不同的 风机台数来调节供风量, 非作业工作面停止 供风, 以达到节能目的。 梅山铁矿北采区在系统建成以后, 曾做 过类似试验, 结果表明, 开动 12～17 台风机 时的系统网路, 在满足各作业点需风量的前 提下, 所耗功率比正常开动 20 台时减少 15～30, 当然, 关停风机各级机站必须协 调一致, 以保证网路平衡。 严格来说, 多级机站系统要达到最佳的 通风节能效果, 除了优化系统网路结构设计 外, 还必须掘进专用进风井巷, 采用先网的网 路监测技术和管理手段, 再加上系统本身的 设备购置费, 往往使一次性投资大大增加, 而 目前绝大多数金属矿山经济状况又不景气, 难以承受。 鉴于此, 采用主- 辅扇联合系统过 渡倒不适为一个很好的办法, 为样可减少一 大笔井巷掘进费和设备购置费, 管理也相对 简便得多, 待条件成熟时再逐步改造完成。 4 采用先进的系统监测技术和 完善的通风管理方法 金属矿山井下生产是一个动态、 离散化 的过程, 其通风要求也是不断变化的。而过 去一般通风设计都是按最困难状态考虑的, 生产变化时, 由于技术和管理各方面的原因, 用于控制调节风流的通风构筑物基本上未发 挥作用, 系统在很大程度上做的是无用功。 据 不完全统计, 目前我国金属矿山风机总风量 比正常生产需风量一般都高出 30～50 , 装机功率的富裕量更是高达一倍以上, 浪费 是相当惊人的。因此, 加强通风系统的监测 与管理, 是实现通风节能效果必不可少的重 要环节。 所幸的是, 目前大多数矿山已意识到这 一点, 梅山铁矿在井下建立了集中控制室, 通 过电气操作开关对所有机站风机进行控制, 并设有显示风机状态参数的指示灯。大冶铁 矿、 黄沙坪铅锌矿、 宝山铅锌银矿等矿山采用 可编程控制器 PC 机 对风机进行操作控制, 监测风机运行参数和开停状态, 并可分别在 控制室和现场开停风机。 除此而外, 还应加强 通风管理人员的通风安全教育和业务素质培 训, 配备先进的监测仪器和数据处理机, 逐 渐实现通风管理的自动化。 5 运用计算机技术优化通风设 计, 提高管理水平 通风系统优化设计离不开网路解算, 使 用计算机可大大提高解算速度和准确性。在 通风管理方面也可及时对监测数据进行分析 处理, 指导通风管理人员调整网路结构, 及 时合理地开停和迁移风机。尤其在多级机站 系统中, 由于设备数量多且比较分散, 使用计 算机辅助管理可充分体现其机动灵活、 方便 快捷的优越性, 最大限度地降低能耗。国内 有关专家已经开发了通风系统优化设计软 件, 包括网路优化、 自选风机、 网路解算及通 风模拟等功能, 而在通风管理方面还有待于 进一步研究。 参考文献 1 孙英等. 金属矿山通风系统建设与改造技术格局的多元 化. 矿山环保, 1996; 5 收稿日期 1997-05-29 作 者 杨振锋, 长沙冶金设计研究院工程师。 邮 编 410007 欢 迎 订 阅 欢 迎 刊 登 广 告 36 冶金矿山设计与建设 1997年第 4 期