книги / Эксплуатация шахтных вентиляторов
..pdfгде т — температура, равная превышению температу ры электродвигателя над температурой окружающей среды, °С; Q — потери тепла в роторе, кВт-°С; К—удель ная теплоемкость, ккал/ (кг *°С) ; G — масса пусковой
обмотки, |
кг; Мд щах— максимальный |
момент вентилято |
ра, Н-м |
(массу пусковой обмотки и |
удельную теплоем |
кость ее материала следует запрашивать на заводе-из- готовителе).
Перегрев обмотки за один пуск не должен превышать 42 °С для обмоток с изоляцией класса А и 60 °С для обмоток с изоляцией класса В.
Во многих случаях по условиям пуска приходится значительно завышать мощность двигателя вентилято ра по сравнению с мощностью, соответствующей режи му длительной работы. Поэтому для вентиляторов с диаметром рабочего колеса свыше 2 м, как правило, применяются специальные синхронные двигатели серии СДС и СДВ с усиленной пусковой обмоткой.
Пуск приводных асинхронных двигателей с фазным ротором вентилятора осуществляется с помощью пуско вых сопротивлений.
§ 62. Рациональное применение регулируемого по частоте вращения привода
Проветривание шахты — непрерывный процесс, тре бующий круглосуточной надежной работы вентиля торной установки, поэтому привод вентиляторов с уче том их большой мощности является одним из наиболее энергоемких токоприемников, расходующих до 30—40% электроэнергии, потребляемой всей шахтой. В связи с этим, помимо надежности, немаловажным фактором эффективной работы вентиляторной установки является ее экономичность.
Одним из наиболее экономичных способов регулиро вания производительности и давления вентиляторов яв ляется регулирование изменением частоты вращения ро тора вентилятора, реализуемое с помощью специальных схем электропривода. В настоящее время до промыш ленного производства по разработкам института Донгипроуглемаш и ХЭМЗа доведен регулируемый привод по системе асинхронного вентильно-машинного каскада (АВМК) и по разработкам институтов Донгипроуглемаш и ВНИИЭлектропривод — по системе комбиниро
ванного асинхронного вентильно-машинного каскада
(КАВМК).
Применение регулируемого электропривода для цен тробежных вентиляторов главного проветривания более чем в 2 раза увеличивает зону его экономичной работы и позволяет получить глубину регулирования не менее 0,7. И то, и другое позволяют осуществлять оптималь ную настройку вентилятора на заданный режим провет ривания шахты без его остановки. Последнее обстоя тельство особенно важно с точки зрения оперативности управления режимом проветривания шахты и введения вентиляторной установки в систему автоматического уп равления проветриванием всей шахты.
Перечисленные положительные качества вентилято ра с регулируемым приводом достигаются за счет оп ределенного усложнения и удорожания оборудования системы регулируемого электропривода. Однако выиг рыш за счет экономии электроэнергии настолько велик, что он в достаточно короткое время компенсирует все дополнительные затраты на сооружение регулируемого электропривода по сравнению с нерегулируемым.
Наиболее ощутимыми и показательными для оцен ки экономической эффективности работы вентиляторной установки являются расход и стоимость электроэнер гии, потребляемой из сети нерегулируемым и регулируе мым приводами. Расчет эффективности был проведен для шести вентиляторных установок, оборудованных вентиляторами ВЦД32М, для которых по данным на ладочных организаций определены годовой расход и стоимость потребляемой электроэнергии для фактиче ских режимов работы вентилятора как с нерегулируе мым приводом, эксплуатируемого с к. п. д. выше ОД так и в случае его замены регулируемым приводом. При этом принято, что каждый из вентиляторов эксплу атируется 6 мес в году. Расчет указанных параметров производился по следующей методике:
по фактическим параметрам производительности, статическому напору и к. п. д. вентилятора, принятым по отчетам ревизии и наладки, определялась мощность на валу вентилятора по известному выражению:
Nи |
Q-HQT . |
|
Ю2-т)ст » |
||
|
по соотношению мощности на валу и номинальной мощности привода определяется коэффициент загрузки
двигателя
(Ю1>
'мюм
по кривой зависимости к. п. д. двигателя от нагруз ки на его валу принимался к. п. д. двигателя пропор ционально загрузке в относительных единицах, т. е.
коэффициенту (3; |
с учетом: |
потребляемая мощность из сети Е (кВт-ч) |
|
времени работы рассчитывалась по формуле |
|
£=Л^-т1дв-:Г; |
(102) |
стоимость электроэнергии определялась |
с учетом |
стоимости 1 кВт-ч по Донбассэнерго, равной 0,7 коп. Проведенные расчеты показывают, что использова
ние регулируемого привода вместо нерегулируемого* только на шести вентиляторных установках с вентиля торами ВЦД32М позволило бы за год сэкономить бо лее 18 млн. кВт-ч электроэнергии и 129600 руб. Сред няя экономия электроэнергии одной вентиляторной ус тановки с регулируемым приводом вентилятора ВЦД32М составляет более 3 млн. кВт-ч и 21600 руб. При этом дополнительные затраты на реализацию ре гулируемого электропривода мощностью 1250 кВт для' вентилятора ВЦД32М, составляющие около 38 тыс. руб! окупаются в среднем менее чем за 2 года.
Таким образом, применение регулируемого электро привода для центробежных вентиляторов главного про ветривания шахт и рудников существенно повышает экономическую эффективность эксплуатации вентилятор ных установок в том случае, когда рабочая точка по фактическим вентиляционным параметрам на 30—40%' отличается от оптимальной. Регулируемый привод поз воляет настроить вентилятор на наиболее экономичный для конкретных параметров проветривания режим ра боты с точки зрения потребляемой мощности во все периоды (строительства, номинальной эксплуатации и погашения) работы горнорудного предприятия.
Исходя из изложенного выше, целесообразно при: проектировании новых вентиляторных установок про изводить предварительную оценку экономической эф фективности применения регулируемого или нерегули руемого привода.
§ 63. Определение времени торможения
После выключения двигателя вентилятор останавли вается через некоторое время, определяемое его махо выми массами (которые в данном случае являются дви жущим фактором за счет накопленной потенциальной энергии), моментом аэродинамического сопротивления и тормозным моментом. В центробежных вентиляторах тормозные устройства не предусматриваются.
Принимая, что момент трения в опорах ротора ра вен примерно 0,02 Н-м, время свободного выбега опре деляется по формуле
(103)
где п — номинальная частота вращения, об/мин; Nuом— мощность на валу вентилятора, соответствующая рабо чему режиму (определяется по аэродинамическим ха рактеристикам), кВт; GD2 — маховой момент ротора вентилятора, приведенный в технической характеристике документации на вентилятор, Н-м2.
На основании приведенной выше формулы можно сделать вывод, что для ускорения остановки вентилято ра желательно при выключении приводных двигателей полностью открывать НА, достигая при этом макси мально возможной при данном сопротивлении вентиля ционной сети мощности на валу вентилятора в момент выключения. В случае, когда при выключении двигате ля лопатки НА сразу устанавливаются в положение «Закрыто», WHOM невелико и составляет не более 0,4 от номинальной мощности при открытых НА, поэтому вре мя свободного выбега удлиняется в 2,5 раза, что неже
лательно.
При наличии тормозного устройства, что для совре менных осевых вентиляторов оговорено Правилами безопасности, время торможения определяется по фор муле
(104)
тде Мторм — тормозной момент; Мном = 9 7 5 - ^ - —крутя
щий момент, соответствующий мощности на валу вен тилятора на рабочем режиме.
ВЛИЯНИЕ ПОГРЕШНОСТЕЙ ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ НА РАБОТУ ВЕНТИЛЯТОРОВ
Приведенные в технической документации и катало гах аэродинамические характеристики вентиляторов обеспечиваются при условии соответствия р-азмеров и формы проточной части аэродинамической схеме. Есте ственно, каждый размер может быть выполнен с допу сками, в пределах которых аэродинамические характе ристики практически остаются неизменными.
Работники механических служб горнорудных пред приятий, принимая вентиляторные установки и эксплуа тируя их, должны уметь правильно оценивать допусти мость тех или иных отклонений и ликвидировать те на рушения, которые приводят к снижению производитель ности, давления или надежности работы, либо к повы шению потребляемой вентилятором мощности.
Г л а в а 16
ПРИЧИНЫ, ВЫЗЫВАЮЩИЕ УХУДШЕНИЕ АЭРОДИНАМИЧЕСКИХ КАЧЕСТВ МАШИНЫ
§ 64. Работа на режимах, близких к режиму «Закрытой задвижки»
На характеристиках осевых вентиляторов зона ра боты ограничена сверху кривой, выше и левее которой машина работает неустойчиво. В тех случаях, когда ра бочая точка (пересечение характеристик вентилятора и сети) оказывается за этой предельной кривой, на пери ферии лопаток рабочего колеса образуется так называе мый вращающийся срыв, резко снижается развивае мое вентилятором давление, происходит разрыв харак теристик, возникает специфический шум, напоминающий шум компрессора. Помпаж наступает при работе ма шины в области вращающегося срыва. Это явление чревато большой опасностью для всей механической части вентилятора, так как сопровождается многократ но превышающей допустимую вибрацией как собствен
но—148 |
305 |
но вентилятора, так и каналов, вызывающей разруше ние подшипниковых опор, фундаментов и даже стенок каналов.
Для того чтобы вывести вентилятор из этого режима,
необходимо |
сместить рабочую |
точку. Это можно сде |
лать тремя способами. |
сопротивления вентиля |
|
Первый |
способ — снижение |
ционной сети. Однако зачастую это невозможно, во вся ком случае в достаточно короткие сроки, так как он связан с капитальными работами по расширению, перекреплению или даже прохождению параллельных выработок и сопряжен с весьма большими затратами времени и средств.
Второй способ — это организация искусственных под сосов за счет поднятия ляды переключения резервного вентилятора. При этом ляду следует надежно закрепить распорками, обязательно связанными в единое целое и закрепленными на стенках или полу канала, так как пульсацией воздушного потока может расшатать креп ление, а ляда при падении оборвать канат и повредить подвеску. Резервный вентилятор должен быть затормо жен. Этот способ следует применять только в аварий ных ситуациях, когда необходимо срочно вывести вен тилятор из помпажа и нельзя прекратить проветрива ние. Этот способ крайне неэкономичен, так как на под сосы расходуется дополнительная, весьма значительна# мощность.
Третий способ, наиболее приемлемый и экономич ный,— за счет перестановки лопаток рабочих колес на меньший угол. При этом рабочая точка перемещается относительно горба характеристики, соответствующей меньшему углу установки, вправо и выходит из зоны неустойчивой работы. Интересно, что при этом зача стую производительность вентилятора увеличивается. Одновременно уменьшается затрачиваемая на провет ривание мощность.
Центробежные вентиляторы, применяемые в шахт ном вентиляторостроении, зоны неустойчивой работы не имеют. Однако и у них работу в районе «горба» харак теристики и левее его, т. е. работу, близкую к режиму закрытой задвижки, нельзя считать нормальной. Дело в том, что при малых производительностях межлопаточ ные каналы рабочего колеса не заполняются полностью воздушным потоком, происходит отрыв от тыльной сто
роны лопаток. В зонах отрыва образуются вихри, кото рые время от времени резко схлопываются, из-за чего скачком изменяются производительность и давление. Такие явления вызывают вибрацию вентилятора, пере дающуюся на фундамент, динамические нагрузки на рабочее колесо, вал и опоры ротора, поэтому необходи мо избегать длительной работы центробежных вентиля торов при углах установки лопаток направляющих ап паратов 60° и более (в сторону заваривания лопаток). В случае, когда потребное шахте количество воздуха в какой-то период эксплуатации таково, что требуется установка лопаток НА на указанные выше углы, более правильно заменять двигатель на имеющий мёньшую частоту вращения, либо, что наиболее экономично, при менять систему регулируемого по частоте вращения электропривода, что приводит к ежегодной экономии 1—3 млн кВт-ч. В некоторых случаях целесообразно даже останавливать на некоторый период главные вен тиляторы и осуществлять проветривание параллельно работающими проходческими вентиляторами. Для ил люстрации этого положения можно привести в качестве примера шахту Трудовскую производственного объеди нения Донецкуголь, где вентиляторы ВРЦД4,5 расходу ют 1200 кВт, отдавая в шахту 50 м3/с воздуха, в то время как два вентилятора ВД9, обеспечивая те же вентиляционные параметры, потребляли 500 кВт. Годо вая экономия электроэнергии при работе ВЦ9 составля ла Д £ = (1200—500) 8760=61400 000 кВт-ч.
§65. Влияние отступлений от заданных размеров
иформы проточной части на работу вентилятора
При выполнении вентиляционных каналов строители в ряде случаев допускают существенные отклонения от
формы |
и размеров |
проточной части, — во |
входных ко |
||
робках |
на |
стенках |
появляются |
различного |
рода балки |
и выступы, |
ориентированные |
навстречу |
потоку. При |
монтаже входных коробок и кожуха, нижние половины которых выполняются в бетоне, зачастую плоскости стенок металла и бетона не совпадают, в результате чего образуются уступы, величина которых достигает 150—200 мм.
Для определения влияния подобного рода погреш ностей на аэродинамические характеристики в лабора
тории шахтных вентиляторов института Донгипроуглемаш на аэродинамическом стенде были проведены соот ветствующие исследования дефектов проточной части, показанных на рис. 98. Выступы /, 2 на передней стен ке коробки, расположенные навстречу потоку, особенно часто встречаются на вентиляторах ВЦ31,5 и ВЦД31Д Наличие этих балок вызывает наложение на идущий к
входу в рабочее колесо транзитный воздушный поток, циркуляционного потока с круткой навстречу направле нию вращения рабочего колеса. За счет этого к. п. д. на оптимальном режиме снижается на 2—2,5%, кривая давления (Q—Н на характеристике) разворачивается примерно вокруг оптимума так, что в области больших производительностей давление становится несколько выше. Существенно растет и потребляемая мощность за счет подкрутки потока. Действительно, если учесть, что в соответствии с уравнением Эйлера теоретическое давление, которому пропорциональна гидравлическая мощность, равно
Я т= р(и.сИ2- м |
1с„1), |
(105) |
где с — скорость закручивания |
на |
входе в колесо, |
имеющая при подкрутке навстречу вращения знак (—), то понятна физика роста мощности при описанных вы ше дефектах проточной части. При этом, чем ближе к входу во всасывающее отверстие входного конуса распо
ложены уступы, тем их влияние на характеристику вен тилятора ощутимее. В случае, когда балка или уступ расположены так, как показано на рис. 98 (поз. /), по требляемая при работе вентилятора на оптимальном ре жиме мощность становится больше на 6%, а при про
изводительности, |
равной |
1,5QOHT, мощность возраста |
ет на 9%. Если же балка |
удалена от входа во всасы |
|
вающее отверстие |
конуса |
(поз. 2), то повышение мощ |
ности составляет 3—4%. То, что в обоих случаях к. п. д. снижается одинаково, объясняется большей подкруткой потока при расположении балки ближе к входному от верстию и связанным с этим некоторым повышением давления.
Уступы 3 (балки) на внутренней вертикальной стен ке входной коробки крутки не создают, их влияние ог раничивается снижением развиваемого вентилятором давления на 2—2,5% на всем протяжении аэродинами ческой характеристики. Так же на всех режимах снижа ется на 2—2,5% к. п. д. вследствие пережатия потока в месте расположения уступа.
Очень часто встречающийся дефект — уступ 4 по го ризонтальному разъему между металлической и бетон ной стенками входной коробки вызывает потери давле ния на сопротивление и, кроме того, подкручивание по тока по направлению вращения. За счет этого давление снижается больше (4% на всех режимах), чем к. п. д. (на 1,5 при Q >Q опт) •
Часто встречающийся дефект монтажа — наличие транспортных растяжек в проточной части спирального корпуса центробежных вентиляторов, которые забыва ют по небрежности срезать после подливки вентиля тора.
Влияние этих растяжек весьма существенно. Так, при расположении растяжки на расстоянии от наружно
го диаметра рабочего колеса, |
равном 0,05 D2 (160 мм |
на вентиляторах с диаметром |
колеса 3200 мм), давле |
ние снижается на всем протяжении характеристики на 4%, соответственно уменьшается и к. п. д. Растяжка, установленная на расстоянии 0,1 Z)2, приводит к умень шению давления и к. п. д. на 2%.
Очень сильно сказываются на рабочих параметрах вентилятора уступы в месте примыкания диффузора к спиральному кожуху. На рис. 99 приведены кривые, характеризующие зависимость потерь давления (в %
Рис. |
99. |
|
Влияние |
смещения |
||||
диффузора |
относительно |
ко |
||||||
а — в |
|
|
жуха: |
|
|
|
||
плоскости |
рабочего |
колеса; |
||||||
б — в |
сечении, |
параллельном |
оси |
|||||
вала |
ротора; |
I, |
1'— диффузор; 2 — |
|||||
|
|
|
кожух |
|
|
|
||
от давления, |
развиваемо |
|||||||
го вентилятором при нор |
||||||||
мальной |
|
конфигурации |
||||||
выхлопной |
части) |
от |
ве |
|||||
личины |
и места |
располо |
||||||
жения |
уступа. Из |
приве |
||||||
денного |
графика |
видно, |
||||||
что |
прц |
увеличении |
раз |
|||||
мера уступа потери резко |
||||||||
возрастают. |
|
В |
большей |
|||||
степени ухудшают харак |
||||||||
теристики |
|
вентилятора |
||||||
уступы, |
расположенные у |
|||||||
наружной |
|
образующей |
||||||
кожуха |
|
(положительные |
||||||
значения |
*), |
в |
|
связи с |
||||
тем, что воздушный поток, идущий |
по |
спираль |
ному кожуху, раскручиваясь, прижимается к периферии. При обратных уступах (отрицательные значения х) по тери относительно несколько меньше.
При смещении диффузора в сечении, параллельном оси вала, так что уступы образуются ;над боковыми
стенками^спирального корпуса (рис. 99,6), |
давление и |
||
к. п. д. снижаются |
в зависимости от величины |
уступа. |
|
Так, например, при диаметре вентилятора |
3200 мм |
||
(ВЦ31,5, ВЦД31,5) |
и относительно небольшой величине |
||
уступа 100 мм, т. е. |
xjD2 3200100 =0,03, Н |
и |
7]с |
уменьшаются на 1,8%, что составляет при мощности двигателя 800 кВт (ВЦ31,5М) перерасход электроэнер гии в течение года на 12600 кВт-ч, а для вентиляторов ВЦД31,5 (ВЦД32М) бесполезно расходуется на про ветривание ежегодно 173400 кВт-ч электроэнергии.
Следует обратить внимание на значимость кажу щихся сравнительно небольшими потерь давления от описанных выше погрешностей изготовления, строитель ства и монтажа (3—5% потерь давления составляют в