基于正交優(yōu)化法的礦井通風(fēng)機(jī)通風(fēng)特性優(yōu)化研究

續(xù)云飛

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)晉城煤炭事業(yè)部成莊礦， 山西 晉城 048000）

引言

煤炭作為國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基礎(chǔ)，對(duì)推動(dòng)人類科技的進(jìn)步具有十分重要的作用。隨著煤礦綜采作業(yè)深度不斷增加，對(duì)礦井通風(fēng)系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性提出了更高要求。礦井通風(fēng)系統(tǒng)在運(yùn)行過程的電能消耗量占據(jù)了煤礦電能總消耗量的20%以上，是影響煤礦綜合生產(chǎn)效益的重要因素[1]。針對(duì)目前礦井通風(fēng)系統(tǒng)在運(yùn)行過程中所存在的全壓效率低、運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性差，難以滿足礦井通風(fēng)系統(tǒng)通風(fēng)穩(wěn)定性需求的現(xiàn)狀，本文提出了基于正交優(yōu)化法的礦井通風(fēng)機(jī)通風(fēng)特性優(yōu)化方案。

1 模型分析及正交優(yōu)化

本文以對(duì)旋式軸流通風(fēng)機(jī)為研究對(duì)象，風(fēng)機(jī)有前后兩級(jí)風(fēng)葉，在運(yùn)行過程中兩級(jí)風(fēng)葉以相同的轉(zhuǎn)速朝相反的方向運(yùn)行，為了避免渦流，同時(shí)降低運(yùn)行時(shí)的噪聲，兩級(jí)葉片安裝時(shí)會(huì)選擇不同的安裝角。以某型對(duì)旋式軸流通風(fēng)機(jī)為例，其電機(jī)轉(zhuǎn)速約為560 r/min，前葉片安裝角為64°，后葉片的安裝角為42°，葉片的葉頂間隙為9 mm。利用三維建模軟件建立該對(duì)旋軸流式通風(fēng)機(jī)的三維結(jié)構(gòu)模型，并采用混合網(wǎng)格[2]劃分的方案，在葉片和葉輪接觸的位置采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格進(jìn)行加密劃分，在其他區(qū)域采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分，從而保證分析準(zhǔn)確性和分析效率的平衡，共計(jì)劃分網(wǎng)格950萬個(gè)，網(wǎng)格劃分后的對(duì)旋式軸流通風(fēng)機(jī)的整體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 通風(fēng)機(jī)整體及局部網(wǎng)格劃分結(jié)果示意圖

正交優(yōu)化法是一種通過對(duì)多組數(shù)值進(jìn)行一定規(guī)律的組合，來確定不同數(shù)值之間最佳匹配關(guān)系的實(shí)驗(yàn)方案，由于風(fēng)機(jī)葉輪的運(yùn)轉(zhuǎn)速度和安裝角對(duì)風(fēng)機(jī)運(yùn)行的效率、風(fēng)壓、噪聲和振動(dòng)等均有極大的影響，直接關(guān)系到風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的通風(fēng)特性，因此為了進(jìn)一步提升風(fēng)機(jī)運(yùn)行性能，本文對(duì)風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和安裝角進(jìn)行重新組合驗(yàn)證，獲取最佳匹配參數(shù)。在風(fēng)機(jī)現(xiàn)有參數(shù)的基礎(chǔ)上，本文根據(jù)前期摸底驗(yàn)證結(jié)果，制定的正交參數(shù)優(yōu)化組合如下頁表1 所示。

表1 正交參數(shù)組合表

為了對(duì)風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的通風(fēng)特性進(jìn)行分析，本文選擇了表現(xiàn)風(fēng)機(jī)性能的關(guān)鍵指標(biāo)，即全壓效率和全壓作為分析對(duì)象，利用FLUENT 流體仿真分析軟件[3]對(duì)不同組合情況下的風(fēng)機(jī)運(yùn)行特性進(jìn)行分析。為了確保分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，在分析時(shí)采用了湍流模型[4]，以風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的臨界質(zhì)量流量64 kg/s 為運(yùn)行工況，對(duì)不同組合情況下的風(fēng)機(jī)運(yùn)行全壓和全壓效率進(jìn)行分析，結(jié)果匯總?cè)缦马摫? 所示。由分析結(jié)果可知，組合5方案下的風(fēng)機(jī)全壓效率最高，達(dá)到了83.70%，此時(shí)的全壓為569.16 Pa。組合4 方案下的全壓最高，達(dá)到了1 003.2 Pa，但此時(shí)的全壓效率僅為65.72%。綜合對(duì)比分析后發(fā)現(xiàn)，當(dāng)采用組合1 方案下風(fēng)機(jī)的全壓效率為83.33%，工作時(shí)的全壓為799.05 Pa，具有最佳的通風(fēng)運(yùn)行特性。

表2 不同組合情況下的風(fēng)機(jī)運(yùn)行特性

2 優(yōu)化后分析驗(yàn)證

為了對(duì)優(yōu)化后的對(duì)旋式軸流通風(fēng)機(jī)的通風(fēng)特性進(jìn)行分析，本文選擇風(fēng)機(jī)在不同質(zhì)量流量下的全壓效率和全壓情況進(jìn)行分析，風(fēng)機(jī)在正常運(yùn)行情況下的質(zhì)量流量為80 kg/s，因此選擇對(duì)風(fēng)機(jī)在可變流量50～120 kg/s 工況下的通風(fēng)特性，優(yōu)化前后風(fēng)機(jī)的全壓效率和全壓變化曲線，如圖2 所示。

由圖2 可知，優(yōu)化前后風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的全壓效率均隨著質(zhì)量流量的增加而降低，在80～92 kg/s 時(shí)風(fēng)機(jī)的全壓效率最高，達(dá)到了80%以上，但優(yōu)化后風(fēng)機(jī)在小流量運(yùn)行區(qū)間和大流量運(yùn)行區(qū)間的效率均顯著高于優(yōu)化前，特別是在風(fēng)機(jī)最常運(yùn)行的60～75 kg/s 流量區(qū)間，優(yōu)化后風(fēng)機(jī)的運(yùn)行效率比優(yōu)化前提升了約24.1%，而且在大流量區(qū)間風(fēng)機(jī)的最小運(yùn)行效率也在70%以上，能夠更好地適應(yīng)變頻調(diào)速風(fēng)機(jī)的全流域范圍內(nèi)通風(fēng)穩(wěn)定性的需求。

圖2 優(yōu)化前后風(fēng)機(jī)的通風(fēng)特性變化曲線

在運(yùn)行過程中，風(fēng)機(jī)的全壓也是隨著質(zhì)量流量的增加先降低然后逐漸升高，當(dāng)達(dá)到最高值時(shí)又急劇降低。在質(zhì)量流量小于92 kg/s，風(fēng)機(jī)優(yōu)化前后的全壓變化情況基本一致。但當(dāng)風(fēng)機(jī)在大流量工況下運(yùn)行時(shí)，優(yōu)化后風(fēng)機(jī)的全壓顯著高于優(yōu)化前。當(dāng)流量工況為120kg/s 時(shí)，優(yōu)化后風(fēng)機(jī)的全壓比優(yōu)化前提升了約4 倍。

由實(shí)際驗(yàn)證結(jié)果可知，優(yōu)化后風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的通風(fēng)特性得到了顯著的提升，有效解決了對(duì)旋式軸流通風(fēng)機(jī)在低流量工況和高流量工況下運(yùn)行時(shí)全壓效率低、運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性差，難以滿足礦井通風(fēng)系統(tǒng)通風(fēng)穩(wěn)定性需求的現(xiàn)狀，取得了良好的應(yīng)用效果，具有較大的應(yīng)用推廣效果。

3 結(jié)論

針對(duì)現(xiàn)有對(duì)旋式軸流通風(fēng)機(jī)在低流量工況和高流量工況下運(yùn)行時(shí)全壓效率低、運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性差，難以滿足礦井通風(fēng)系統(tǒng)通風(fēng)穩(wěn)定性需求的現(xiàn)狀，提出了基于正交優(yōu)化法的礦井通風(fēng)機(jī)通風(fēng)特性優(yōu)化方案，利用正交優(yōu)化法對(duì)風(fēng)機(jī)不同葉輪轉(zhuǎn)速和葉片安裝角情況下的通風(fēng)特性進(jìn)行研究，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用表明：

1）風(fēng)機(jī)前葉輪轉(zhuǎn)速為560 r/min、后葉輪轉(zhuǎn)速為410 r/min、前葉片安裝角為64°、后葉片安裝角為40°的情況下具有最佳的運(yùn)行特性。

2）優(yōu)化后風(fēng)機(jī)的全壓效率比優(yōu)化前提升了約24.1%，風(fēng)機(jī)在運(yùn)行過程中的全壓提升了4 倍，極大地提升了礦井通風(fēng)系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性。