Для достижения комфортных и безопасных условий труда в шахтах, рудниках и подземных сооружениях необходимо создание таких вентиляционных систем, которые бы с легкостью обеспечивали не только требуемое распределение воздуха по всем объектам проветривания, но и позволяли изменять в необходимых пределах качественные и количественные показатели режима проветривания. Такое воздействие на режим проветривания подземного сооружения любого типа называется управлением. Основными требованиями при этом является надежность и устойчивость проветривания.
Надежность – это свойство системы функционировать без отказа в работе. Количественно надежность может быть оценена как вероятность безотказной работы. Под отказом шахтной вентиляционной системы понимается ситуация, когда в выработки не поступает то количество воздуха, которое требуется для безопасного пребывания в них людей.
Устойчивость проветривания выражается в постоянстве количества воздуха, проходящего по выработкам и сохранении необходимого направления его движения. Неустойчивое проветривание может быть характерно для отдельных ветвей вентиляционной системы, (например, для диагональных соединений горных выработок).
Управление вентиляционными режимами обеспечивается за счет выбора рациональных режимов работы вентилятора главного и местного проветривания, а также регулирования распределения воздуха в вентиляционной сети.
Выбор рациональных режимов работы вентиляторов
Работа одиночного вентилятора на сеть создаёт режим работы с положительными значениями депрессии и производительности. Для определения режима работы вентилятора на определенную вентиляционную сеть необходимо совместить в одном графике характеристики вентилятора и сети. Точка их пересечения будет соответствовать режиму работы вентилятора. Проекции этой точки на оси абсцисс и ординат определяют значения соответственного расхода и депрессии вентилятора. Область работы вентилятора будет находиться при этом в пределах первого квадранта в системе координат «расход-депрессия» (Рис. 1)
Типичная характеристика вентилятора имеет восходящий (левый) нисходящий (правый) участки (Рис. 2). Работа на восходящем участке приводит к устойчивому режиму, сопровождающемуся колебаниями дебита и депрессии вентилятора. Такой пульсирующий режим может быть при работе на сеть со значительным аэродинамическим сопротивлением. Тогда при работе на нагнетание в зоне перед вентилятором в сети создается область повышенного давления, которая по мере работы вентилятора вырастет до такой величины, что поток воздуха прорывается через вентилятор в направлении, обратном обычному. Давление понижается, и процесс повторяется вновь.
На восходящем участке характеристики центробежных вентиляторов возможны прогибы или «седла», а также разрывы. Это приводит к возможности пересечения характеристик вентилятора и сети в нескольких точках. В результате возникает многозначность режимов работы вентилятора.
Точка 2 характеризует максимальную депрессию вентилятора. Чтобы устранить возможность работы вентилятора в неустойчивом режиме, рабочий участок характеристики верхней части ограничивают депрессией, равной 90% от максимальной величины (точка 3). Точки 4-6 ограничивают на характеристике участок с рекомендуемым КПД работы вентилятора (обычно ниже 0,6). Максимальная величина КПД при этом может составлять величину, превышающую 0,8 (точка 5). Точка 7 соответствует максимальной производительности вентилятора при работе только на собственное сопротивление вентиляторной установки.
Устойчивая работа вентилятора на сеть имеет место в том случае, если при постоянных параметрах вентилятора (частота вращения, угол установки лопаток) его дебит и депрессия не изменяются во времени. Она обеспечивается при следующих условиях: характеристики вентилятора и сети имеют одну точку пересечения. Точка пересечения располагается правее и ниже точки максимума на характеристике вентилятора.
Повысить устойчивость работы может уменьшение аэродинамического сопротивления сети и установка вентиляторов по последовательной схеме. В первом случае точка режима работы смещается правее и ниже, во втором – попадает на правую ветвь суммарной характеристики.
Режим работы вентилятора на шахтную сеть определяется, если известны его расход и депрессия, и зависит от общего сопротивления вентиляционной шахты. При этом не все режимы работы являются технически и экономически целесообразными, кроме этого, зачастую резерва по производительности или депрессии недостаточно при работе одного вентилятора. Поэтому для вентиляции подземных сооружений часто используется работа нескольких вентиляторов.
Совместная работа вентиляторов возможна по следующим схемам: последовательная, параллельная и комбинированная. При этом возможна установка вентиляторов как на одном, так и на нескольких стволах (Рис. 3).
Для получения совместной характеристики и определения режима работы используют аналитические и графические методы. Аналитический метод заключается в решении узловых и контурных уравнений вентиляционной сети, в которые вводятся зависимости от индивидуальных напорных характеристик вентиляторов. Графический метод основан на построении суммарной напорной характеристики совместной работы вентиляторов в системе координат «расход-депрессия». При этом суммарная напорная характеристика может находиться в первом, втором и четвёртом квадрантах.
Последовательной является такая работа вентиляторов, при которой воздушная струя поочередно проходит через все вентиляторы, работающие на данную сеть. При этом расходы вентиляторов равны, а общая депрессия складывается из депрессии всех вентиляторов:
Qобщ=Q1= Q2=… =Qn;
Hобщ=h1+ h2+…+ hn.
Суммарная характеристика вентиляторов строится путем сложения индивидуальных характеристик по депрессии при заданных фиксированных значениях расходов, которые выбираются в пределах производительности вентиляторов (суммирование характеристик по значениям координат). Возможные режимы работы двух вентиляторов с разными характеристиками показаны на рисунках.
Из графика видно, что точка К пересечения суммарной характеристики с характеристикой более производительного вентилятора является критической. Если провести через эту точку характеристику сети, то работа вентилятора на сеть с меньшим сопротивлением окажется нерациональной. Это выразится в том, что общие производительности и депрессия двух совместно работающих вентиляторов окажутся меньше соответствующих характеристик второго, более мощного вентилятора при его индивидуальной работе на эту же сеть. Совместная работа вентиляторов на сеть с сопротивлением большим, чем критическое, является рациональным, так как выполняется условие:
Qобщ>Q1; Qобщ>Q2;
Hобщ>h1; Hобщ> h1.
Таким образом, последовательная совместная работа на сеть вентиляторов с одинаковыми напорными характеристиками всегда рациональна, так как в этом случае при построении суммарной напорной характеристики точка К смещается на ось абсцисс. При этом при любом значении сопротивления сети выполняются приведенные выше условия рациональности совместной работы вентиляторов. Однако при больших значениях сопротивления сети прирост депрессии и производительности при совместной работе, по сравнению с работой одного вентилятора, более значителен, чем при малых.
Параллельной называют такую работу вентиляторов, при которой воздушные струи от отдельных вентиляторов, работающих на данную сеть, сливаются и образуют общий поток. На практике вентиляторы могут быть установлены параллельно на одном стволе или на разных стволах. В том случае, если вентиляторы установлены в одной точке, они не имеют индивидуальных участков работы. При этом общий расход складывается из расходов всех вентиляторов, а депрессии вентиляторов равны:
Qобщ=Q1+ Q2+… +Qn;
Hобщ=h1= h2=…= hn.
Суммарная характеристика вентиляторов строится путем сложения индивидуальных характеристик по производительности при заданных фиксированных значениях депрессии, которые выбираются в пределах напора вентиляторов (суммирование характеристик по значениям абсцисс). Возможные режимы работы двух параллельно установленных вентиляторов с разными напорными характеристиками показаны на рисунке 4.
Из рисунка видно, что работа вентиляторов на сеть с сопротивлением R 6, большим критического, проведённого через точку К, кажется нерациональной. Общие производительность и депрессия двух параллельно работающих вентиляторов окажутся меньше соответствующих характеристик второго.
В том случае, если вентиляторы, установленные на разных ветвях, не имеют индивидуальные и общие участки работы. При этом общий расход складывается из расходов всех вентиляторов, а депрессии вентиляторов не равны:
Qобщ=Q1+Q2+… +Qn;
h1=hобщ+R1Q12;
. h2=hобщ+R2Q22;
…………………………
hn=hобщ+RnQn2
Для решения в этом случае необходимо получить проведённые к общей точке характеристики вентиляторов. Они строятся путем вычитания из депрессии вентиляторов депрессии их индивидуальных участков. Тем самым произойдет аэродинамическая трансформация данной схемы в схему, где вентиляторы установлены параллельно в одной точке. В дальнейшем задача решается описанным выше методом.
Вышеизложенное позволяет сделать вывод, что параллельная совместная работа на сеть вентиляторов с разными напорными характеристиками имеет смысл только при относительно низком сопротивлении сети.
Параллельная совместная работа на сеть вентиляторов с одинаковыми напорными «безгорбыми» характеристиками всегда рациональна, так как в этом случае при построении суммарной напорной характеристики точка K смещается на ось ординат. При этом для любого значения сопротивления сети выполняется проведённое условие рациональности совместной работы вентиляторов. При малых значениях сопротивления сети прирост депрессии и производительности при совместной работе по сравнению с работой одного вентилятора более значителен, чем при больших.
При сложении характеристик при параллельной работе двух одинаковых вентиляторов с «горбатыми» характеристиками рациональные режимы работы находятся ниже точки, соответствующей максимальному значению депрессии суммарной характеристики, на её правой нисходящей ветви.
Комбинированной является работа вентиляторов, при которой вентиляторы установлены и параллельно, и последовательно. Такая установка применяется при комбинированной схеме и нагнетательно-всасывающем способе проветривания.
Общая суммарная характеристика вентиляторов строится в следующем порядке. Вначале путем сложения индивидуальных характеристик вентиляторов, установленных параллельно, по описанной методике строится их суммарная характеристика. Далее она складывается с характеристикой вентилятора, установленного последовательно. Полученная общая суммарная характеристика при пересечении с характеристикой сети определяет режим работы системы на данную сеть.
Режим работы считается рациональным, если выполняется приведённое условие для любого вентилятора системы.
Регулирование распределения воздуха в вентиляционной сети
Регулированием называется такой изменение дебита воздушного потока, которое обеспечивает устойчивое заданное распределение воздуха в выработках и подземных сооружениях. Целью регулирования является своевременная реакция системы вентиляции на изменение факторов, от которых зависит режим проветривания – газообильность выработок, их аэродинамическое сопротивление, пути следования воздуха, аварийные ситуации.
Различают общешахтное и внутришахтное регулирование. Первое направлено на изменение общего количества воздуха, поступающего в шахту, и осуществляется изменением режима работы вентилятора главного проветривания или изменением общего аэродинамического сопротивления сети. Внутришахтное регулирование приводит к перераспределению воздуха внутришахтной сети, при этом общее количество воздуха, поступающего в шахту, остается практически неизменным.
Положительные способы регулирования связаны с увеличением общего количества воздуха, поступающего в шахту. При положительных способах увеличение количества воздуха достигается за счёт работы вентилятора главного проветривания, снижения аэродинамического сопротивления выработок и установки дополнительных источников тяги.
Отрицательные способы направлены на уменьшение подачи воздуха в шахту. Они приводят к увеличению аэродинамического сопротивления отдельных ветвей и шахтной сети в целом. В некоторых случаях уменьшение количества воздуха может быть произведено с помощью вентилятора главного проветривания.
Основные методы регулирования количества воздуха:
- Изменение режима работы вентиляторов главного проветривания.
- Увеличение сопротивления выработок.
- Уменьшение сопротивления выработок.
- Применение вспомогательных вентиляторов.
Регулирование режима работы вентилятора главного проветривания достигается за счёт изменения следующих параметров:
- Угла установки лопаток рабочего колеса и направляющего аппарата;
- Угла установки закрылков лопаток рабочего колеса;
- Частоты вращения рабочего колеса вентилятора;
- Аэродинамического сопротивления сети, на которую работает вентилятор.
Графические методы увеличения количества воздуха проиллюстрированы на рис. 5 и рис.6.
На графиках показаны диапазоны регулирования расхода и депрессии при увеличении угла установки лопаток, при увеличении частоты, при уменьшении сопротивления сети.
Регулирование путем поворота лопаток рабочего колеса применяется при работе осевых вентиляторов. Диапазон угла поворота составляет 15-50 градусов. Поворот лопаток направляющего аппарата может быть осуществлён у осевых и центробежных вентиляторов. Такие методы позволяют плавно изменять величины производительности и депрессии осевых вентиляторов соответственно в четыре-пять и три-четыре раза.
Изменение частоты вращения достигается за счёт работы двигателя вентилятора, что обеспечивает получение следующих значений производительности депрессии вентилятора:
Q2=Q1 (n2/n1);
h2=h1 (n2/n1)2
где Q1 и Q2 – производительность вентилятора соответственно до и после изменения частоты вращения частоты рабочего колеса; n1 и n2 – соответствующая частота вращения рабочего колеса, мин-1; h1 и h2 – соответствующая депрессия вентилятора, Па. Регулирование сопротивления сети достигается за счёт изменения свободного сечения дроссельной заслонки в канале вентилятора.