煤炭科技煤矿通风机发展“十二五”规划

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1、煤炭科技煤矿通风机节能技术发展“十二五”规划一、煤炭科技煤矿通风机节能技术现状与需求(一)现状及存在的问题1. 煤矿主通风机现状分析煤矿地面主通风机担负着向全矿井提供新鲜空气、排出有毒、有害气体的重任，被誉为整个矿井的“肺脏”，其安全、可靠运行事关整个矿井的安全。随着 世界围能源短缺和经济增长对能源需求的增加，迫切要求人们节约能源和保护环 境。而矿井主通风机每天都必须运行，选择节电、低噪型通风机就显得非常重要。 20世纪80年代后，由于采用了新技术、新工艺，通风机的效率提高了510%扩大了调节围，提高了变负荷条件下通风机的运行效率。随着我国经济的迅猛发展，煤炭在国民经济中的作用日益增强。200

2、5年我国煤炭产量达到21.6亿吨，占我国一次能源消费总量的约 70%。矿用通风机是 保证煤炭安全生产的最主要设施， 据统计我国目前在役的矿用主通风机约 16000 台，矿用局部通风机约25万台，矿用通风机总装机容量约为4000万千瓦，耗能 巨大。目前国在运行的煤矿主要通风机规格、型号如下：电动机外置式单级轴流通风机(GAF单级，K40, K54, K55, K58, K61, K65)。(2) 电动机外置式双级轴流通风机(70B, 2K56, 2K58, 2K60, GAIK级)。(3) 对旋通风机(BD40, 54, 56, 58, 60, 65, 66)。离心通风机(电动机外置)(K4 7

3、2, K4-2X 73)。表1若干矿用主通风机性能参数表(钢板机翼形)通风机型号电机功率KW电机效率静 率压效I13风量m/min静压Pa噪声dB(A)BK54-4-血 10158676.1699844107BD-8-血 242X 1859375.661802523一BD-8-血 25.82X 25094.480.26010252492.3BD-8-血 242X 2509084.46652298365.5BD-8-血 262X 2509378.68056295097.7BD-8-血 282X 4009383.78310429190表2国矿用主通风机的无量纲性能参数如下表主通风机型号压力系数屮a

4、流量系数0比转速ns静压效率/ n s备注BK400.060.2231780样本BK540.090.1720680样本GAF单级0.18760.248414384样本2K560.190.1711685样本2K600.400.248082样本BD400.170.2314880样本BD450.190.2213479资料BD500.210.2011779.4厂测试BD540.250.2311181.5厂测试BD580.250.2712278厂测试BD620.360.218179.1厂测试BD65A0.330.228880厂测试BD660.420.227377厂测试K4-720.430.227289资

5、料K4-2 X 730.430.410386资料般说来，BK40 54等单级通风机适用于压力较低， 需风量较大的低风阻矿井；2K56 2K6C和BD系列适用于中、高压矿井；而离心通风机适合用高压、需风 量较小的矿井。与之相对应，从表4可看出：无量纲压力系数较低的通风机适合 于低风阻矿井，反之适合于高风阻矿井；比转数较低的通风机适合于风量要求较 小的矿井，反之适合于风量要求较大的矿井。对旋通风机结构特点：（1）对旋通风机与二级轴流通风机相比，它无导叶， 两个旋转方向相反的叶轮互为导叶；（2）两个叶轮分别直联在各自的电动机上， 因此要求配备两台电动机；（3）两台电动机置于通风机部，与叶轮直联，不需

6、要 长轴结构，因此对旋通风机结构紧凑，安装调试方便。特别适合于安装场地受到 限制的矿井。另外，由于电动机置，省去了电动机房的土建，与长轴结构的轴流 通风机相比，可节省大量的土建成本；（4）对旋通风机的消声器与扩压器直联， 结构紧凑，一般来说，不必另外建造消声塔，节省土建成本；（5）对旋通风机由于电动机置，维修不便。电动机散热条件差，对电动机有特殊要求。性能特点：（1）效率与二级轴流通风机相当；（2）良好的反转反风性能；（3）可单级运行，但 必须配备后导叶，否则效率很低。单级运行时风压只有双级运行的一半左右。电动机外置式双级轴流通风机结构特点：（1）有两个动叶轮，分别配有导叶, 两级动叶和导叶的

7、形状可完全一样，省去叶片模具成本； （2）配备一台外置电动 机。由于电动机外置，散热条件较好，对电动机维修方便； （3）由于用长轴连接 动叶轮和电动机，安装要求严格，结构不太紧凑，前置长轴穿过气流通道，需置 S型弯道；（4）需建电动机一通风机房，土建成本较大；（5）安装场地要求较大。 性能特点：（1）与对旋通风机相当；（2）由于存在导叶，反转反风性能不如对旋; （3）此类通风机在国外广泛应用，历史悠久。离心风机结构特点：（1）安装较为方便，但双面进气用双支承轴较长。有蜗 壳，径向尺寸很大； 电动机外置，散热条件好，易维修；（3）安装调节门 （前导器）后，启动时关小调节门，启动功率小，易启动，且

8、能调节风量、风压。 性能特点：风量较小，风压较高，效率也较高。表3各类矿用主通风机的评价名称长轴双级轴流对旋离心效率电动机维修安装简便结构紧凑综合成本风量安全性总体来讲，通过近几年的规整顿，所有的矿井都基本上采用了符合要求的主 通风机，并制定了以风定产的安全措施，由于主要通风机出现故障而造成的事故 大为减少。衡量风机技术水平主要从产品标准化、通用化、系列化的程度和容量、转速、 效率及噪声等几个方面考察。产品的标准化、通用化、系列化能够降低产品成本、 缩短生产周期，扩大产品使用围，以较少的零件品种达到较大应用围的需要， 产 品质量与工艺要求都容易得到保证，同时可采用专用设备与流水线操作， 提高了

9、 生产效率又降低了产品维护成本。风机采用大容量后可使一台机组替代几台机 组，这样可降低设备和建造费用，节省材料，节约能源，便于管理和采用自动化 技术。提高了风机转速后，可节省材料，减少体积，减轻重量，同时为运输和使 用带来方便。风机是一种使用量大面广的通用机械， 它的高效和节能对于国民经 济建设具有重要意义。据统计，风机的电能消耗约占全国发电量的810%因 此，提高风机的效率和运行效率是十分必要的。2. 煤矿主通风机存在的问题（1）风机低效率运行 据中煤集团和煤科总院 2004 年的调查表明，我国在役的矿用主通风机运行 效率低于 40%的占 20%，运行效率高于 70%的不足 10%。对于在役

10、的局部通风机， 平均运行效率低于 60%，其中地方煤矿平均运行效率仅为 48%。这同西方发达国 家约 85%的平均运行效率相差甚远，节能潜力巨大。煤矿选用的主通风机大多数采用异步电动机驱动， 特别是近十年来普遍选用 防爆对旋轴流式， 电机的调速控制几乎是一片空白。 主要原因是交流异步电机调 速困难。机械调速方式体积庞大， 维护困难。 电力调速在变频调速系统出现前系 统复杂、损耗大。因此不得不放弃这种有效的性能调节方式。（2）高噪声 噪声对人们的听觉、视觉、神经系统、心血管系统、消化系统和分泌系统都 有严重危害。风机是一个较强的噪声源。如锅炉送风机的噪声可达124dB。对噪声的控制也是我国风机行

11、业广大技术人员一直在努力的一个重要方向。利用气动声学原理来设计低噪声风机是从噪声源处着手， 没有为降噪而增加 质量、空间和成本，具有较大的吸引力，但难度较大；采用消声、隔声或吸声等 无源噪声控制措施可以取得了不错的效果， 但也存在低频噪声难以消除， 质量和 成本增加等问题；有源噪声控制技术通过引入二次声源建立一个相消干涉模式， 从而实现指定区域声能降低或消除的目的，具有良好的解决低频噪声问题的潜 力，但也存在一些缺点： 其一是有源控制只对风机低频窄带比较成功， 其二是实 际应用中需要复杂的控制系统， 这在硬软件方面都存在极大的困难， 其三是有源 控制系统中采用的电子设备过于昂贵。（3）加工手段

12、落后，质量难以保证世界上较著名的通风机企业主要有德国TLT公司、英国豪登公司、丹麦诺文科公司、德国 K.K.K 公司及日本荏原制作所等等， 这些公司技术先进， 科研实力 雄厚，都能设计三元叶轮并进行计算机仿真和优化设计， 他们加工三元叶轮的工 艺方法也非常先进， 如意大利新比隆公司采用开槽焊接技术， 德国德马格公司采 用钎焊接技术， 而国还未将这些技术应用于生产； 在五座标铣制叶轮方面， 国外 先进厂家加工效率比国高23倍；在叶轮焊接方面，国外采用数控自动焊，而 国还在沿用手工电弧焊的落后工艺方法。 国外的小型通风机产品的外观质量相当 于工艺品，涂装质量既牢固又漂亮；国近几年虽有所提高 , 但

13、仍有很大差距。我国装备制造业总体水平不高， 生产矿用通风设备的制造企业加工制造工艺 更显落后， 无法完成精细化、 规模化生产， 这就导致在主通风机在关键部件及关 键工艺上难以得到可靠的质量保证，为煤矿安全通风带来隐患。（4）叶片等关键部件检验手段缺乏，存在故障隐患 目前国煤矿多采用轴流式通风机， 其气动性能已被广大用户认可接受。 但是由于风机从设计、 制造到使用维护过程中， 都有一些造成风机运行可靠性不足的 问题，运行故障率较高， 如叶片断裂、电机温度过高、 主通风机运行工况不稳定、 气动风机齿轮马达易损坏、 轴承润滑结构不完善等， 这些给煤矿生产带来一定的 安全隐患， 并大大增加了风机生产厂

14、家和用户的维护费用。 如何提高主通风机产 品运行可靠性，降低故障率，是现阶段亟待解决的重要课题。（5）设计方法落后 目前国矿用通风机的研究和设计还基本停留在二维无粘假设的基础上， 矿井通风系统的设计与计算甚至还停留在一维损失模型的水平上， 矿用风机准三维和 全三维数值研究与应用工作，还基本上是空白。国外通风机企业为了进入中国市场， 他们采取了与我国通风机企业合资、 合 作等方式， 而英国豪登公司已在国建立了独资企业， 早已参与了国的通风机市场 竞争。3. 煤矿局部通风机现状局部通风机， 向矿井下局部地点供风的通风机， 主要用于掘进通风。 按布置 方式可分为压入式、 抽出式和混合式三种。 压入式

15、局部通风机是将新鲜空气通过 风管压到工作地点，电动机不需隔流。 抽出式局部通风机是将污风从工作面抽走， 电动机需隔流。 局部通风机有 JBT 系列通风机、子午加速行系列通风机及对旋轴 流式系列通风机 3 类。目前，我国煤矿用局部通风机生产企业 90家，主要分布在、等 19个 省（区、市） 。技术力量、设备条件、管理水平、执行标准状况和经营思路各不相同，产品质量、技术性能差异较大。产品质量、性能指标和技术水平不容乐观。(1) JBT、YBT系列单级轴流式局部通风机是我国 20世纪50、60年代引进 前联的产品，体积小、价格低，但噪音大，全压效率低，风压偏低。其全压效率约60%-73%左右，噪声1

16、03111dB(A),有的甚至达到l27dB(A)。风机效率低， 造成了能源的严重浪费。噪声主要集中在中、高频率围，刺耳的尖叫声严重影响 了工人的正常作业和身心健康，并且掩盖了一定距离行车声、机械运转声和信号 电铃声，易引起伤亡事故。近两年，个别企业与高校或科研院所合作， 对YBT产品进行了技术改造，在 小型号上改善了风机叶型和加装了消音器，取得了较好的效果。但大部分产品不 符合现代生产环境的要求，属于应该被淘汰的产品。(2) 斜流式(也称：昆流式)局部通风机是20世纪90年代初期发展起来的 新型风机，具有空气轴向流动、高效运行区域宽、噪音小等优点。但风压偏低，在效率指标上形同虚设，生产工艺、

17、技术还不成熟，目前国生产企业约有4家，规格型号和使用量较少，未形成批量和系列化生产。(3) 对旋式局部通风机是20世纪80年代末、90年代初研制并迅速发展、 推广的一种局部通风机。目前机号有血 4.0至血10.0等；装机功率有l.lkW X2 至75kWX 2等；工作方式有压入式、抽出式和压抽式等；叶片材料有钢叶、铜叶片、铝合金铸造叶片和塑料叶片等。表4国外对旋局部通风机主要性能国家型号风筒直径Mm全压Pa风量m3/min电机功率kw额定转速r/min日本MFA40P2- SC44001300-2800180-1205.5 X 23000日本MFA50P2- SC45001900 - 4200

18、400 - 22015X 23000日本MFA60P- SC66001900 - 3900500 - 31015X 23000日本MFA60P- SC36002800 - 6000600 - 40030 X 23000日本MFA90P- SC39002200 - 4200900 - 55030 X 21500日本MFA100P- SC610002100-45001200 - 82037 X 21500日本MFA100P- SC310002400 - 55001300 - 85055 X 21500德国GAL5-45/45500190-3100187-1204.5 X 23000德国GAL5-6

19、0/60500200-3680204-1236 X 23000德国GAL5-75/75500280-4400243-1237.5 X 23000德国GAL6-110/110600380-4700336-18611 X 23000德国GAL6-150/150600400-5400358-24015X 23000德国GAL7-220/220700400-5900564-34822 X 23000德国GAL7-300/300700560-6500685-43230 X 23000波兰WLE-503A500700=3500252-1387.5 X 23000波兰WLE-603A6001100=5500

20、402-22815X 23000波兰WLE-603B600900=5300400-22018.5 X 23000波兰WLE-803A800800=5700558-34822 X 23000波兰WLE-1003B10001100=5900775-59037 X 23000注：日本的全压效率0.700.78,噪声6885dB(A);德国的全压效率0.630. 7;噪声7890 dB(A);波兰的全压效率0. 600. 75,噪声8492 dB(A)。制造商：日本三井三池制作所；德国 YORTE波兰ROWENA家们认为：中 国的通风机在气动设计和气动性能方面已处于国际水平，但通风机的加工工艺、 设备

21、落后，外观质量较差。对旋式局部通风机一般由容量相同的隔爆电动机驱动，两个风叶轮采用不同的叶片数，一级叶轮的叶片安装角大于二级叶轮的叶片安装角。二级叶片还兼备普通轴流式风机中的静叶功能。测试证明：对旋式局部通风机的通风效率比前置 静叶型两级普通轴流式通风机高约 8%10%，比后置静叶型高约4%5%具备良 好的逆风性能，逆向风量可达 60%70%目前，对旋式局部通风机均采用了外包复式消声器结构， 有效地降低了噪声。 实验证明：噪声频率越高，吸声系数越高。在 125Hz500Hz时，吸声系数只有 0.30.5左右，在1000Hz以上吸声系数可达 0.8以上，4000Hz时可达0.95。近年来，部分高

22、校和科研院所对矿用通风机技术进行了深入的研究，先进的理论、计算方法和结构优化等得到较好地应用，促进了矿用通风机产品行业技术 水平的提高。表5我国部分矿用对旋局部通风机性能参数通风机电机功率KW全压效风量m3/min全压Pa噪声dB(A)备注型号率血5.02 X 5.580.0177260690单弧板叶型血6.32 X 18.580.8365506289.2机翼型叶片血6.02 X 1178.2278335089机翼型叶片血7.12 X 3780.2584587696.2单弧板叶型血6.02 X 1581.22944333一单弧板叶型血6.72 X 3077.14005913一单弧板叶型表6局部

23、通风机的评价名称YBT JBTBKJ、2BKJ对旋斜流效率性能曲线送风距离噪声结构紧凑成本4.煤矿局部通风机存在的问题目前局部通风机主要存在的是加工质量问题。 部分生产企业因局部通风机价 格低，利润小，不太重视，投入小。主要问题有 8个方面。（1）叶型尺寸叶片是通风机的核心，是保证通风机达到性能的关键部件， 应保证叶片的叶 型符合样板坐标，一方面严格检验模具的准确性，对钢板压制工艺，应考虑反弹 因素，最好要求设计者在样板坐标上给出叶型在轴向的投影长度L和在周向的投影长度L1,可以方便地检查叶片安装角；另外，应用样板检查叶型是否符合给定 的坐标，样板与叶型之间的缝隙不应大于0. 5%b（b为叶片

24、弦长）。在叶片加工中 要注意叶型前、后缘的加工质量，特别是叶型后缘的小圆，应符合样板坐标规定 的尺寸，尤其是铆焊工艺，一般加工都比较粗糙。（2）叶片表面粗糙度应保证叶片表面粗糙度，特别注意叶片表面绝对不能有凹凸不平或明显的划痕。（3）安装角叶片安装角严重影响通风机性能，相差1就有可能使效率相差1%2%, 使通风机的风量、风压相差2%5%,若安装角度偏大，可能会导致电动机超功 率，电动机烧毁现象。因此应严格检查叶片沿叶高各截面叶型的安装角。通风 机制造企业应加工叶片焊接模具， 具备检测叶片的专用工具， 检测叶片叶型坐标 和安装角的误差。（4）通风机流道加工质量由于通风机流道为铆焊件， 焊接质量成

25、为关键， 最常见的问题是焊接质量差， 焊缝不连续，不光滑，气流流过时会产生很大阻力，使通风机效率降低。对流道 的加工应特别注意：支撑、导叶与机壳的焊接质量；法兰、垫片的连接应保 证流道的光滑；各部件的轴向间隙应符合图纸要求。（5）径向间隙径向间隙严重影响通风机效率，应严格按 MT222007的规定控制。（6）消声器加工质量 消声器是降低通风机噪声最有效的措施。但加工不当，严重影响消声效果，最常见的问题有两个：消声棉（矿渣棉，超细玻璃棉等）没有压实，应严格按照 规定的密度操作，例如对矿渣棉，应保证240kg/m3,对超细玻璃棉应保证25kg/m3; 消声器多孔钢板涂刷防锈漆应放在第一道工序， 如

26、放在末道工序， 防锈漆将纤 维布的孔隙堵死，使消声棉不能吸声，大大影响消声效果。（7）安装改进叶轮安装方式， 避免大力敲打； 电动机的定位安装水平也影响电动机同 心度和叶片间隙。（8）流道设计应对通风机流道进行优化设计， 符合气动力学规律， 避免出现尺寸的急剧变 化，如进口导流帽、轮毂与电动机外形尺寸、后消声器的导流锥收敛角度，电动 机穿线管结构等均对通风机性能产生较大的影响。（二）趋势及需求分析1. 煤矿主通风机技术趋势及需求矿用通风机部流动是全三维、 粘性、非定常流动， 存在着十分复杂的旋涡分 离流动、湍流流动、 不稳定流动等。 而由主扇、风硐、风井、巷道、采掘工作面、 采空区、硐室及数十

27、台甚至近百台局部通风机及管道网络等组成矿井通风系统部 流动将更加复杂，是全三维、粘性、多组分、多相、非定常的流动。必须掌握了 矿井通风机和复杂矿井通风系统流场结构和损失机理， 才有可能改进和控制矿井 通风机及其通风系统的气动效率和节能技术水平。近 20 年来，伴随着计算流体 力学和控制技术的迅猛发展， 矿用风机的设计技术得到了巨大发展， 从简单的一 维无粘流动的直叶片设计、到具有代表性的二维无粘流动的等环量扭曲叶片设 计、可控涡设计、再到准 3 维无粘流动的 S1、S2 流面的弯扭掠叶片设计等。特 别是近 10 年来，全三维粘性计算流体力学技术已推广到西方发达国家矿用风机 及其系统的分析、 控

28、制与优化设计中。 不仅如此， 西方发达国家还将计算流体力 学技术和控制技术等有机结合， 应用于风机本体、 系统及运行的全过程的流动数 值研究与分析， 基于全三维粘性流动数值研究与分析的叶片优化设计、 通流部分 设计、叶片调节和电机变频调速技术为一体的风机及系统优化设计技术极提高了 风级的运行效率和节能技术水平。目前，英国 Howden、Keith-Blackman 公司、 美国的 Bonanza Fans、Buffalo Forge、Fairchild 、Joy、Strobic Air 、TLT-Babcock 公司、德国的 TLT、Turmag、3K、Vortfx 公司、日本的三井三池制作所

29、、生产的 矿用轴流主通风机或局部通风机的运行效率均保持在 8487%以上。主通风机的新型应用技术研究方向主要体现在以全三维粘性计算流体力学 技术为基础， 从风机本体节能、 系统节能及运行节能三个方面开展矿用风机节能 技术研究。 包括矿用主通风机流动损失机理及控制技术的研究、 复杂矿井通风网 络系统部流动损失机理与优化设计研究、 风机气动优化技术、 通风网络优化、 电 机变频调速、电机风机系统匹配等节能技术集成研究和矿用风机智能运行控制系 统等。使我国矿用通风机节能技术水平达到国际先进水平，风机效率达到85%以上，系统运行效率达到 85%以上，噪音 85dB 以下，通风量提高 1020%，实现节

30、 能 30%以上，具体实现方法如下：（1）全三维粘性计算流体力学的设计理念 利用全三维粘性计算流体力学技术深入开展老式一级、 二级矿用轴流主通风 机（ BY、70B2 系列）、老式矿用离心主通风机（ G4-73、4-72 系列）、80 年代以 后研制的矿用轴流主通风机和对旋轴流通风机（ 2K、 BD（K）、GAF 系列）各系列 矿用主通风机流场结构、 流动损失机理、 流动控制方法及变工况特性的研究， 在 此技术上开展叶片优化设计、叶轮有优化设计和通流部分优化设计和实验验证； 通过全三维粘性计算流体力学技术揭示和预测采用叶片调节技术、 电机变频调速 技术后风机本体、 系统及运行特性； 通过以上研

31、究， 掌握矿用主通风机节能关键 技术，并为矿用风机集成技术研究与自动运行控制系统的研制提供基础。(2) 主通风机变频节能技术的推广 此外，由于矿用风机设计及节能技术水平低，较大一部分电能转化为噪声， 严重影响煤矿生产环境和人们的身心健康。 因此开展矿用风机节能技术研究在节 能、安全、环保三方面具有重要意义。以往主通风机未能采用调速方式的原因， 主要是因为其采用的高压交流异步 鼠笼式电动机驱动方式， 在调速技术上难以实现。 随着电力电子技术、 微电子技 术和控制技术的发展，高压变频调速技术已经成熟，价格也在用户接受围。主通风机实现变频调速可以达到以下目的。 (1) 实现真正意义上的软起动， 减小

32、风机起动时对电网的冲击， 减小对电网容量的要求 (直接起动时， 要求电网 容量是电机额定功率的 5倍以上)。(2) 减小机械损耗，延长设备寿命，降低噪音， 安全环保。 (3) 提高功率因数。大型风机属于电感负载，功率因数低，额定负荷 时，普遍只有 75%左右，采用变频调速技术，功率因数可提高到 90%以上，减少 了无功损耗，改善了电网品质。 (4) 提高系统效率，能随时根据矿井通风网络的 变化，调节风机性能与之匹配， 始终保持风机在高效区运行。 现有风机最高效率 普遍在 80%以上，而实际运行效率在 20%左右。至少有 15%以上的节能空间，节 能前景巨大。 (5) 实现自动化控制。由于变频器

33、采用了微电子技术，标准的通讯 协议，输入、输出端口，可以十分方便的实现自动控制。综上所述，研制的主通风机变频调速装置是一种量大面广， 适应性强的高科 技产品，符合国家节能环保政策， 增加企业的经济效益。 具有重大的社会效益和 经济效益。(3) 主通风降噪研究 随着科技的进步， 在风机噪声控制领域， 有源控制技术方面的研究将会越来 越多地得到实际应用。 但是，一些无源控制技术目前仍然是基本的应用措施与手 段。对风机噪声的控制， 最积极最根本的措施是从声源上根治噪声， 即设计制造 高性能、低噪声的风机是控制风机噪声的根本途径。从噪声源和消声器两方面入手，对主通风机进行降噪研究。在噪声源方面， 对气

34、流参数和结构参数进行研究， 对风机的核心部件叶轮进行优化设计， 找到从 噪声源上降低对旋风机噪声的办法， 在消声器方面， 对通风机的消声器进行优化 设计，找到从转播途径上降低对旋风机噪声的措施。（4）大力加强通风监管随着煤炭资源的大量开采，煤炭生产安全问题日趋严重， 2005 年我国煤炭 安全事故死亡人数高达 5938 人，百万吨死亡人数是发达国家的 100倍以上。而 据国家安全生产监督管理局的统计， 造成煤矿安全事故的原因超过三分之一在于 通风问题。（5）提高核心部件可靠性煤矿主通风机是大型固定设备， 它的安全性直接影响矿井的生产。 提高核心 部件可靠性对提高通风机运行可靠性， 降低因叶片等

35、故障导致的事故率， 在预防 煤矿安全事故的同时，也提高了煤矿生产效率，其社会效益是不可估量的。具体方法表现在：从设计上对风机的关键零部件叶片进行材质、 结构设计研究， 并进行各种型号风机叶片理论强度计算，通过各种必要的力学性能试验进行校 核；对叶片以及其它关键零部件从原材料、 制造工艺、检测检验等方面进行可 靠性分析研究； 叶片无损检测工艺研究； 优化电机散热结构的研究； 控制 风机喘振、振动的研究。2. 煤矿局部通风机技术趋势及需求现今，国外在局部通风机的研发和推广应用上总体趋势基本相近， 主要都是 在普通轴流、 子午加速和对旋局部通风机等方面做了许多的工作。 国外更提倡产 品的多样化并注意

36、有针对性地推广应用。 在不断完善所开发的局部通风机产品的 同时，还重视设计生产与局部通风机配套使用的附属件。对于地方中小型煤矿， 掘进巷道不长， 适宜选用单级普通轴流或子午加速局 部通风机； 对于国家统配矿井， 掘进巷道较长， 选用对旋或双级普通轴流局部通 风机是合理、 可行的。为了进一步提高单级普通轴流和子午加速局部通风机的压 力，以适应增大通风输送距离的要求， 开发前导叶叶轮后导叶的局部通风机 是必要的。从降低噪声方面考虑， 开发离心叶轮和轴向导流的筒型机壳的局部通 风机，亦是新的研究方向。随着我国煤矿采掘机械化水平的提高，巷道掘进中产生的大量粉尘和沼气， 严重地污染井下空气。 因此，矿井

37、局部通风不仅要满足掘进巷道中风压和风量的 要求，还需考虑清除巷道粉尘和烟雾的污染， 通风与除尘必须同时进行， 压入式 和抽出式混合通风以及大功率局部通风机的开发必将提到日程上来。二、“十二五”规划的指导思想、发展思路与目标（一）指导思想近年来，伴随着计算流体力学技术和控制技术的迅猛发展， 西方发达国家已 将全三维粘性计算流体力学技术应用于风机设计与改造中， 并指导和推动叶片调 节技术、电机变频调速技术和运行控制技术的应用， 从而大幅度提高了矿用风机 的节能技术水平。 另一方面， 由于技术研究投入少和自主创新能力差， 我国矿用 风机总体设计及节能技术水平远远落后于西方发达国家，大量旧产品仍在运行

38、 中。例如，我国目前重点煤矿使用的主通风机共有 1000 余台，平均运行效率不 到 60%，而我国目前非重点煤矿共有主通风机约 15000 台，平均运行效率不足 50%， 这同西方发达国家约 85%的平均运行效率相差甚远。 由于矿用风机设计及节能技 术水平低， 较大一部分电能转化为噪声， 严重影响煤矿生产环境和人们的身心健 康。不仅如此，由于矿用风机效率低、 通风能力差， 煤矿安全生产事故频繁发生， 给人民生命财产造成巨大损失。因此开展矿用风机节能技术研究在节能、安全、 环保三方面具有重要意义。（二）发展思路1. 深入煤矿和矿用风机生产企业，进一步收集整理我国在役的 7 个系列（BY 70B2

39、、G4-73、4-72、2K、BD（K）和 GAF系列）矿用主通风机、5 个系列（YBT JBT、BKJ BDJ DSF系列）局部通风机、5类矿井通风网络系统（中央式、对角 式、分区式、区域式和混合式通风系统）及运行控制系统（包括叶片调节系统、 电机变频调速控制系统系统等）的有关资料和详细技术参数。2. 利用全三维粘性计算流体力学技术深入开展老式一级、二级矿用轴流主 通风机（BY 70B2系列）、老式矿用离心主通风机（G4-73、4-72系列）、80年 代以后研制的矿用轴流主通风机和对旋轴流通风机（2K、BD（K）、GAF系列）各系列矿用主通风机流场结构、 流动损失机理、流动控制方法及变工况特

40、性的研究， 在此技术上开展叶片优化设计、叶轮有优化设计和通流部分优化设计和实验验 证；通过全三维粘性计算流体力学技术揭示和预测采用叶片调节技术、 电机变频 调速技术后风机本体、 系统及运行特性； 通过以上研究， 掌握矿用主通风机节能 关键技术，并为矿用风机集成技术研究与自动运行控制系统的研制提供基础。3. 利用全三维粘性计算流体力学技术深入开展老式单级、双级轴流局部通 风机（YBT JBT系列）、70年代以后的子午加速局部通风机（如 BKJ BDJ系列 等）、斜流局部通风机（如YBT系列）和90年代以来研制的对旋局部通风机（如 DSF系列）各系列矿用局部通风机流场结构、流动损失机理、流动控制方

41、法及变 工况特性的研究， 在此技术上开展叶片优化设计、 叶轮有优化设计和通流部分优 化设计和实验验证等； 通过全三维粘性计算流体力学技术揭示和预测采用叶片调 节技术、电机变频调速技术后风机本体、系统及运行特性；通过以上研究，掌握 矿用局部通风机节能关键技术， 并为矿用风机集成技术研究与自动运行控制系统 的研制提供基础。4. 利用全三维粘性计算流体力学技术深入开展中央式、对角式、分区式、 区域式和混合式等 5 类典型的矿井通风网络系统部全三维流场结构、 流动损失机 理、流动控制方法及变工况特性的研究；研究 10 种典型的由外扩散器、导风叶 片、消声板、部扩散器、主通风机、风门、风硐及其他复杂形状

42、管道组成的主通 风机装置系统部全三维流场结构、 流动损失机理、 流动控制方法及变工况特性的 研究；在满足通风网络系统各节点通风流量、 压力要求的基础上， 提出减少管网 阻力的多种节能技术改进措施， 进行通风网络优化设计； 通过以上研究， 掌握矿 井通风网络系统节能关键技术， 并为矿用风机集成技术研究与自动运行控制系统 的研制提供基础。5. 选择58个煤矿，利用全三维计算流体力学技术针对各煤矿现有风机、 通风系统特点及通风要求开展采用叶片优化、 叶轮优化、 通流部分优化、 叶片调 节、电机变频调速技术、 通风网络系统优化等各种节能技术集成的研究与性能预 测，并通过研究选定与风机及系统相匹配的主通

43、风机的电机功率， 为煤矿节能集 成技术的应用提供技术依据和改造方案； 在以上技术研究基础上进行风机节能集 成技术设计及加工，为开展节能技术示提供硬件支持。6. 为实现矿用风机及系统在各种工况下均自动运行在最高效率区，需实时 调整叶片安装角、 电机变频调速、 导风叶片角度等， 以全三维计算流体力学的计 算与分析为指导研制运行控制调整与专家分析系统， 建立矿用风机智能安全运行 节能控制模块； 在煤炭科学研究总院研究院进行关键部件节能技术验证； 在有条 件进行试验煤矿进行具有智能安全运行控制系统的矿用风机节能集成技术示。（三）规划目标1. 为我国在役的 12 个系列矿用风机的叶片优化设计、 叶轮优化

44、设计、 通流 部分优化设计等风机本体节能技术改造提供核心技术和解决方案， 大幅度提高我 国矿用风机节能技术水平。2. 通过对 5 种类型的煤矿通风网络系统的全三维粘性流动数值分析与动态 特性分析， 提出安全高效煤矿通风网络系统设计技术准则， 大幅度减少通风网络 系统的阻力损失，并为风机选型、风机与系统管网匹配设计提供依据。3. 建立集叶片优化设计、叶轮优化设计、通流部分优化设计、叶片调节技 术、电机变频调速技术、 通风网络系统优化设计技术等为一体的全三维粘性数值 分析与优化设计体系，掌握矿用风机节能技术集成的关键技术。4. 研制成功矿用风机智能运行控制模块，进行具有智能运行控制系统的矿 用风机

45、节能技术集成技术系统示， 该系统运行效率达到 85%以上，噪音降为 85dB 以下，通风量提高1020%三、“十二五”规划的发展方向和主要任务 （一）煤矿通风机节能技术发展方向1. 大型风机容量继续增大大型风机容量继续增大。 随着国家政策及各个煤矿的整合， 大型煤矿不断增 多，需要通风能力越来越大，大型风机容量继续增大，因此，大机号的风机在未 来几年在市场中将会受到欢迎。2. 高效化正在进一步研究三元流动理论 , 扩大其应用围。在透平压缩机方面 ,随着计算 机的迅速发展及三元气流解析的应用 ,三元流动叶轮理论研究 , 已从准三元流动 叶轮发展到全三元流动叶轮。三元流动分析法不仅用于叶轮设计 ,

46、 还发展到叶片 扩压器静止元件设计中 , 以期达到最高的机组效率。三元流动叶轮在离心通风机 中,也将得到越来越多的运用。扩大调节围 , 提高变负荷条件下风机的效率 , 即运 行效率是风机高效化的重要方面。在所有调节方法中 , 以离心式通风机变转速调 节, 轴流式通风机的动、静叶片角度调节及鼓风机、压缩机的进口导叶调节为最 佳方式。3. 高速小型化各类风机采用三元流动叶轮后 , 在提高效率的同时 , 压力也可提高 ,所以在同 等条件下,叶轮直径可减少10%-30%,这样就取得了缩小体积和减轻重量的明显 效果。提高转速也是风机小型化的重要途径之一。4. 低噪声化风机的噪声是工业生产中噪声污染最主要

47、的来源之一。 风机大型化和高速化 使噪声问题更加突出。 风机的噪声主要是气动噪声， 气动噪声包括旋转噪声和涡 流噪声。对不同种类的风机， 采用不同的降噪方式， 对于低频噪声风机主要通过 改进风机结构设计，降低本体噪声。如仍达不到环保要求，则要配置消声装置。5. 智能化计算机集成制造系统在风机中得以广泛应用。 计算机及自动化技术的迅速发 展，使得风机制造厂普遍采用计算机各种单元技术， 并在此基础上致力于企业实 现计算机集成制造技术的应用。 计算机技术的发展， 带动了工业自动控制水平的 不断提高。 随着各种产业装置规模的不断扩大， 对生产过程控制的要求， 已从过 去的单一工况参数控制发展到多工况参

48、数控制， 这样便可更好地满足生产工艺流 程的要求，并从原有对具体设备的控制转变为对整个装置的综合控制。 （二）煤矿通风机节能技术主要任务1. 开展 7 个系列矿用主通风机和 5 个系列局部通风机流动损失机理及控制 技术的研究。2. 开展 5类典型通风方式和 1 0种典型主通风机装置系统的矿井通风网络系 统部流动损失机理与优化设计研究。3. 开展叶片优化、叶轮优化、通流部分优化、叶片调节、通风网络优化、 电机变频调速、电机风机系统匹配等节能技术集成研究。4. 研制矿用风机智能运行控制模块，进行具有智能运行控制功能的矿用风 机节能技术集成示。四、保障措施和条件1. 外部条件随着煤炭市场的复，煤炭行

49、业的经济状况逐步好转，但安全状况不容乐观， 特别是通风安全方面，事故层出不断。针对这一情况，国家加大了“一通三防” 的投入，连续几年投入数十亿国债资金进行技术改造， 煤矿有了充足的资金进行 主通风机的改造，缓解了由于资金投入限制通风机低效、带病运行的状况。从节能方面考虑，据多方调查，我国现有通风机平均运行效率低于60，原因是多方面的， 如通风机本身效率低、 风机性能曲线与矿井通风网络特征不匹 配、通风机服务年限超期带病运行等。 本项目研制成功后， 将大大的提高了通风 机的运行效率和节能技术水平。2. 部措施国家煤矿防尘通风安全产品质量监督检验中心挂靠在本单位， 建有完善的风 机气动性能试验装置

50、， 担负着煤炭行业风机产品安全标志检测任务。 在公平公正 的基础上，代表国家对行业风机产品质量实施监督、管理职责。煤科研究院先后承担完成了国家重大科技攻关、行业重点及省市科研 720 余个项目，其中 210 余项获国家发明奖和国家、部省市科技进步奖， 30 余项获 国家专利，初步形成瓦斯治理及突出防治、 瓦斯抽放及利用、 气体粉尘爆炸防治、 火灾防治、尘害治理、矿井通风、安全防护、安全评价、资源开发与利用等配套 的技术和装备。自九十年代初，安全装备所开发研制了叶轮直径从300mn到 1120mm装机容量从2X2.2kW到2Xl10kW矿用对旋轴流式局部通风机。 其中FD-1W6.3/2 x 3

51、0kW型低噪声对旋式局部通风机于1996年获煤炭工业部科技进步二等奖， 产 品畅销至今。局部通风机的三大行业标准 MT422 MT500 MT755均由我院负责起 草。同时开展了对旋轴流式主通风机的研究，开发研制出叶轮直径从1000mm到 2800mm装机容量从2X 7.5kW到2X450kW数十种产品，其中煤矿地面用防 爆抽出式轴流通风机 1996年获得省科技进步三等奖， 无驼峰轴流风机 2001 年获 得省科技进步三等奖， 均被列为第一批煤矿安全仪器装备定点生产单位和产品目 录。由于本所从事应用型技术研究， 在流体力学理论研究尚显不足。 风机气动性 能设计理论还停留在准三维无粘流动基础上，

52、 希望通过本课题研究， 赶上并超过 当今世界先进水平。附录：煤矿通风机节能技术重点项目表序号项目名称所属专业研究容预期目标和指标资金需求产业化和推广分析1煤矿通风机节能技术研究流体机械1. 利用全三维粘性计算流体力学技术开展我国在役的7个系列（BY 70B2、G4-73、4-72、2K、BD（K） 和GAF系列）矿用主通风机和5个系 列（YBT JBT、BKJ BDJ DSF系列） 局部通风机流动损失机理及控制技 术的研究，进行风机本体的节能技术 研究。2. 利用全三维粘性计算流体力 学技术开展5类典型通风系统（中央 式、对角式、分区式、区域式和混合 式通风系统）和10种典型主通风机 装置系统

53、的矿井通风网络系统部流动损失机理与优化设计研究，进行风 机通风网络系统节能技术研究。3. 利用全三维计算流体力学技 术选择58个煤矿针对各煤矿现有 风机、通风系统特点及通风要求开展 采用叶片优化、叶轮优化、通流部分 优化、叶片调节、通风网络系统优化、 电机变频调速技术、电机风机系统匹 配等各种节能技术集成的研究。4. 以全三维计算流体力学的计 算与分析为指导研制运行控制调整 与专家分析系统，建立矿用风机智能1. 为我国在役的12个系列矿用 风机的叶片优化设计、叶轮优化设 计、通流部分优化设计等风机本体节 能技术改造提供核心技术和解决方 案，大幅度提咼我国矿用风机节能技 术水平。2. 通过对5种

54、类型的煤矿通风 网络系统的全三维粘性流动数值分 析与动态特性分析，提出安全高效煤 矿通风网络系统设计技术准则，大幅 度减少通风网络系统的阻力损失，并 为风机选型、风机与系统管网匹配设 计提供依据。3. 建立集叶片优化设计、叶轮优 化设计、通流部分优化设计、叶片调 节技术、电机变频调速技术、通风网 络系统优化设计技术等为一体的全三维粘性数值分析与优化设计体系， 掌握矿用风机节能技术集成的关键 技术。4. 研制成功矿用风机智能运行控制模块，进行具有智能运行控制系 统的矿用风机节能技术集成技术系 统示，该系统运行效率达到85%以上，噪音降为85dB以下，通风量提 高 1020%800万我国目前在役矿

55、用主 通风机约为16000台（其中 1/2为备用主通风机），矿用 局部通风机约为 25万台， 据初步统计矿用通风机总 装机容量约为4000万千瓦， 实际运行功率约为 2500万 千瓦，平均运行效率约为 55% 60%上矿用通风机运 行效率低于50%与西方发 达国家矿用风机 85眩右的 平均运行效率相差甚远。通 过本课题矿用风机节能技 术的研究可使我国矿用风 机节能技术达到国际先进 水平，实现节能 30%上; 该矿用风机节能技术如在 全国矿用通风机中得到应 用可节约750多万千瓦的电 力，接近长江三峡的电力 （以1840万千瓦计）的一 半；由于矿用风机每天24小时运行，预计年节约电力 650亿度

56、。通过本课题矿用风机 节能技术的改造，不仅可以安全运行节能控制模块。提高矿用风机的运行效率 以及降低气动噪音等，而且 通过优化设计还可提高矿 用风机通风量1020%因此 可从基本上消除普遍存在 的矿井通风能力不足等煤 炭生产安全隐患。可见，开 展矿用风机节能技术研究 具有广阔的市场前景和重 要的经济效益与社会效益。2安全、冋 效、智能 化煤矿井 下局部通 风技术矿井通风与安全1、利用全三维粘性计算流体力 学技术研究高效低噪的井下局部通 风机，包括对对旋式局部通风机部流 场分析、降噪研究以及轴流式通风机 CAD辅助设计系统的开发。2、井下安全节能局部通风系统 及相关设备的研究，包括井下移动式 空

57、气压缩机的研究，气动马达局部通 风机及乳化液马达局部通风机的研 究。3、井下智能化系列局部通风机 的研究，通风机风量实现 0100% 可调，真正实现按需送风，能够进行 最咼效率的节能运行。4、矿用通风机一体化结构以及 新材料、新工乙应用技术的研究，包 括矿用塑料叶轮、铜叶轮以及注塑工 艺、全三维数控加工工艺的研究等， 以提高矿用局部通风机的使用寿命1、以全三维粘性计算流体力学 为研究手段建立集叶片优化设计、叶 轮优化设计、通流部分优化设计、叶 片调节技术、CAD/CFD1助设计、降 噪技术等为一体的全三维粘性数值分析与优化设计体系，掌握矿用风机 节能技术集成的关键技术，研制咼效 低噪的矿用轴流

58、局部通风机。2、研发适合煤矿井下工况的移 动式防爆压风机，使之可直接用于煤 矿井下有煤尘或瓦斯突出的场所，为 工作面提供咼效率、低能耗、低噪音、 长寿命、维护费用低的移动式压缩气 源；研发高效可靠的矿用气动/乳化 液马达，可取代目前依靠电动机驱动 进行瓦斯抽排的通风机，提高局部通 风系统的安全性和适应性。3、矿用智冃匕变频局部通风机风 量可调，可按需送风，能够进行最高800万矿用局部通风机经 过近20年的发展，已形 成生产厂家数量激增， 产品规格繁多，产品技 术规格不咼、价格竞争 激烈的格局。国绝大多 厂家设计方法落后、叶 片加工工艺和焊接工艺 仍相当粗糙，导致叶片 安装角度误差、加工型 线不

59、能保证，从而使叶 轮效率下降，整机重量 和噪声也无法降低。本课题从理论研 究、工程应用等方面着 手研究安全、咼效、智 能化的矿用轴流局部通 风系统及其辅助设备， 从根本上提咼煤矿局部和运行效能。5、大风量、咼压力局部通风机 的研究，在叶轮最大线速度上取得突 破，在大直径、高转速叶轮的材料和 加工工艺上取得突破，在阻燃抗静电 风筒的结构、材料、漏风率和强度上 取得突破。以满足长距离通风时，风 筒能承受高压力，出口风量也较大的 要求。效率的节能运行。风机运行时可就地 实时显示风量、风压、电机功率、电 压、电流等参数。通过安装在掘进头 以及回风巷的瓦斯传感器，自动控制 通风机运行频率，安全自动地进行瓦 斯排放，有效防止“一风吹”。智能 局部通风机结构紧凑，控制装置与风 机做成一体，安装方便，占地面积小。4、通过对通风机轮毂和叶片材 质、加工工艺及结构的研究，在以上 几个方面取得重大突破。通风机线速 度提高30%提高风量，噪声降低5 10dB( A),重量降低810%，整机 批量化生产成本降低48%通风机 最高运行效率提高510%通风的安全可靠性，尤 其对新型智能通风机的 节能技术研究具有广阔 的市场前景和重要的经 济效益与社会效益。