在煤礦生產(chǎn)中，礦井通風(fēng)系統(tǒng)是重要的生產(chǎn)系統(tǒng)之一。礦井主要通風(fēng)機(jī)是礦井通風(fēng)系統(tǒng)中最重要的設(shè)備。由于我國礦井軸流式主通風(fēng)機(jī)功率大、耗電量高，但在實(shí)際生產(chǎn)中卻存在運(yùn)行效率低及能源浪費(fèi)較大的現(xiàn)象^[1] ，因此提高通風(fēng)機(jī)機(jī)組的運(yùn)行即工況效率，對節(jié)能降耗具有重要意義。
　　 GB/T13470-2008通風(fēng)機(jī)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：機(jī)組實(shí)際運(yùn)行效率與額定效率相比，其比值大于0.85，則認(rèn)定機(jī)組運(yùn)行經(jīng)濟(jì)；其比值在0.70～0.85之間，則認(rèn)定機(jī)組運(yùn)行合理；其比值小于0.70，則認(rèn)定機(jī)組運(yùn)行不經(jīng)濟(jì)。目前，我國生產(chǎn)的礦用軸流式通風(fēng)機(jī)的高**靜壓效率約為85%，按經(jīng)濟(jì)運(yùn)行條件（在此只考慮通風(fēng)機(jī)本身的效率，不考慮電動(dòng)機(jī)等電器設(shè)備），通風(fēng)機(jī)的運(yùn)行效率即工況效率應(yīng)不低于72.25%。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國煤礦軸流式主要通風(fēng)機(jī)在整個(gè)服務(wù)年限內(nèi)，運(yùn)行效率達(dá)到經(jīng)濟(jì)運(yùn)行條件的較少，大多礦井軸流式主要通風(fēng)機(jī)的運(yùn)行效率遠(yuǎn)低于國家規(guī)定的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)。如2011年，從某省煤礦安全技術(shù)中心對該省煤礦軸流式主要通風(fēng)機(jī)進(jìn)行測試的結(jié)果看，大多數(shù)礦井達(dá)不到國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行條件，其中兩個(gè)國有煤礦采用的FBCDZ型礦井主要通風(fēng)機(jī)的運(yùn)行效率分別為32.5%和60%，遠(yuǎn)低于國家規(guī)定的不低于高**效率的85%，即運(yùn)行效率不低于72.25%的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)^[2] 。
1 通風(fēng)機(jī)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行理論分析
　　通風(fēng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行條件為通風(fēng)機(jī)的工況點(diǎn)效率不低于高**效率的85%（暫不考慮機(jī)組電氣設(shè)備效率），其效率不僅取決于通風(fēng)機(jī)本身，還取決于礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)的配置情況。礦井通風(fēng)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性取決于通風(fēng)設(shè)備機(jī)組、通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)及通風(fēng)機(jī)的運(yùn)行狀況，是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程。在此，主要分析軸流式通風(fēng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性。 
　　軸流式通風(fēng)機(jī)的軸功率采用靜壓軸功率，計(jì)算公式為：
　　　　　　　　　　　Ｐ_st=P_stq_v/1000η_st　　　　�。�1）
式中：P_st為靜壓軸功率，kW；p_st為靜壓，Pa；q_v為風(fēng)量，m/s³；η_st為靜壓效率。根據(jù)礦井通風(fēng)要求，必須保證礦井通風(fēng)風(fēng)量q_v和礦井通風(fēng)負(fù)壓（靜壓）p_st。從式（1）中可以看出，在保證通風(fēng)機(jī)的風(fēng)量q_v和靜壓p_st的情況下，工況點(diǎn)靜壓效率η_st越小，通風(fēng)機(jī)靜壓軸功率P_st越大，電動(dòng)機(jī)的輸出功率越大，耗電量越大；反之，靜壓效率越大，耗電量越小。所以，要盡可能地提高通風(fēng)機(jī)工況點(diǎn)的靜壓效率η_st，降低通風(fēng)機(jī)的軸功率，以達(dá)到經(jīng)濟(jì)運(yùn)行和節(jié)能降耗的目的^[3] 。
　　在生產(chǎn)的礦井中，礦井通風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的風(fēng)量和風(fēng)壓隨開采階段的不同而不同，一般是礦井開采初期風(fēng)量、風(fēng)壓小，隨著開采深度的增加，風(fēng)量、風(fēng)壓不斷增大，開采末期風(fēng)量、風(fēng)壓最大。所以，在通風(fēng)機(jī)運(yùn)行中，需要不斷對工況點(diǎn)進(jìn)行調(diào)節(jié)，工況點(diǎn)的變化會(huì)使通風(fēng)機(jī)的工況（運(yùn)行）效率發(fā)生變化，很多情況下還會(huì)使效率降低。所以，為保證通風(fēng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，滿足經(jīng)濟(jì)工作條件，應(yīng)采取合理的方法和措施，使通風(fēng)機(jī)工況點(diǎn)在礦井通風(fēng)的各個(gè)階段都處于經(jīng)濟(jì)、高效運(yùn)行區(qū)，以保證通風(fēng)機(jī)的高效經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。
2 礦用軸流式風(fēng)機(jī)節(jié)能措施分析
　　首先選擇高效通風(fēng)機(jī)，并使通風(fēng)機(jī)工況點(diǎn)始終處于高效經(jīng)濟(jì)區(qū)。此外，電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)對節(jié)能影響較大，應(yīng)盡量提高通風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)。通風(fēng)機(jī)選型時(shí)，在選擇高效通風(fēng)機(jī)的同時(shí)，必須結(jié)合通風(fēng)礦井的實(shí)際情況，充分考慮通風(fēng)機(jī)在運(yùn)行中的調(diào)節(jié)方法，通過全面的對比分析，選擇在各個(gè)運(yùn)行階段工況點(diǎn)通過綜合調(diào)節(jié)都處于高效運(yùn)行的通風(fēng)機(jī)，并采用變頻調(diào)速技術(shù)，選擇變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)或原電動(dòng)機(jī)加裝變頻器改造，提高電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)^[4] ，以提高有功功率。
3 通風(fēng)機(jī)的節(jié)能途徑
3.1 合理選擇高效風(fēng)機(jī)
　　在技術(shù)條件相同或接近的情況下，首先選擇經(jīng)濟(jì)性好的通風(fēng)機(jī)^[5] 。由于礦井通風(fēng)機(jī)在運(yùn)行中工況點(diǎn)需要不斷地進(jìn)行調(diào)節(jié)，所以，在選擇通風(fēng)機(jī)時(shí)，必須認(rèn)真分析所選通風(fēng)機(jī)的調(diào)節(jié)方法，能夠運(yùn)用這些調(diào)節(jié)方法使通風(fēng)機(jī)在運(yùn)行中工況點(diǎn)效率滿足經(jīng)濟(jì)運(yùn)行條件，并盡可能使通風(fēng)機(jī)的運(yùn)行效率處于高**。目前，我國生產(chǎn)使用的高效礦用防爆軸流式主要通風(fēng)機(jī)主要有FBC（D）Z型和2K型等，它們的高**靜壓效率都在85%左右^[6] 。但是，礦井通風(fēng)條件多種多樣，復(fù)雜多變，現(xiàn)有產(chǎn)品有時(shí)難以滿足具體礦井通風(fēng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性要求，這是在礦井通風(fēng)機(jī)選型中經(jīng)常遇到的問題。因此，在現(xiàn)有產(chǎn)品或通過調(diào)節(jié)都不能滿足經(jīng)濟(jì)性要求時(shí)，應(yīng)根據(jù)礦井的具體情況，采用個(gè)性化設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)出同時(shí)滿足礦井通風(fēng)和經(jīng)濟(jì)性要求的通風(fēng)機(jī)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，通風(fēng)機(jī)在整個(gè)服務(wù)年限內(nèi)，電耗量約占通風(fēng)機(jī)全部費(fèi)用的80%以上，盡管采用個(gè)性化設(shè)計(jì)成本較高，但是，由于個(gè)性化設(shè)計(jì)的通風(fēng)機(jī)在整個(gè)服務(wù)年限內(nèi)效率高、耗電量低，大多情況下能降低整個(gè)通風(fēng)的費(fèi)用。
3.2 礦井軸流式通風(fēng)機(jī)的調(diào)節(jié)方法及應(yīng)用
　　目前，我國制造生產(chǎn)的礦用防爆軸流式風(fēng)機(jī)的調(diào)節(jié)方法主要有：閘門節(jié)流法、改變?nèi)~片安裝角調(diào)節(jié)法、變速調(diào)節(jié)法^[7] 、去掉一級葉輪及去掉部分葉片等。最常用的是前三種。
3.2.1 閘門節(jié)流法及應(yīng)用
　　閘門節(jié)流法通過適當(dāng)關(guān)閉引風(fēng)道上的調(diào)節(jié)風(fēng)門，增大通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)的阻力，使通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)的特性曲線向上移動(dòng)，通風(fēng)機(jī)工況點(diǎn)向左移動(dòng)，以達(dá)到減小風(fēng)量的目的。初期時(shí)通風(fēng)機(jī)的風(fēng)量較大，為減小風(fēng)量，常采用此方法進(jìn)行調(diào)節(jié)。此方法具有簡單、方便的特點(diǎn)，但在調(diào)節(jié)風(fēng)門處有附加損失，是一種不經(jīng)濟(jì)的調(diào)節(jié)方法^[8] 。
　　對于軸流式通風(fēng)機(jī)，在同一葉片安裝角度下，采用此方法進(jìn)行調(diào)節(jié)不僅達(dá)不到節(jié)能的目的，還會(huì)造成能源浪費(fèi)。一些文獻(xiàn)和教科書在介紹此方法時(shí)，沒有考慮軸流式通風(fēng)機(jī)的節(jié)能問題，給使用者造成了一定的誤解。圖1為FBCDZN022B/160×2軸流式通風(fēng)機(jī)的性能曲線，風(fēng)機(jī)葉片安裝角為49°/41°。圖中曲線1為調(diào)節(jié)前通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)的靜阻力特性曲線，M₁為調(diào)節(jié)前工況點(diǎn)，風(fēng)量為85m³/s，靜壓軸功率（圖中A點(diǎn)對應(yīng)的功率）為225kW。圖中曲線2為調(diào)節(jié)后通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)的靜阻力特性曲線，M₂為調(diào)節(jié)后工況點(diǎn)，風(fēng)量為75m³/s，靜壓軸功率（圖中B點(diǎn)對應(yīng)的功率）為240kW。調(diào)節(jié)后，風(fēng)量減小了10m³/s，靜壓軸功率增大了15kW，造成了能源浪費(fèi)。這是由軸流式風(fēng)機(jī)的性能決定的，風(fēng)量增加，風(fēng)壓下降較快；風(fēng)量減小，風(fēng)壓上升較快，軸功率反而增大。

圖2 FBCDZNo26/355×2改變?nèi)~片安裝角度調(diào)節(jié)法圖

　　采用改變?nèi)~片安裝角度調(diào)節(jié)法，應(yīng)根據(jù)礦井所用通風(fēng)機(jī)的性能和礦井通風(fēng)的實(shí)際情況，認(rèn)真的分析比較，在工況效率提高或不變的情況下，宜采用該調(diào)節(jié)方法，提高運(yùn)行效率，以達(dá)到節(jié)能的目的。如果采用該方法使通風(fēng)機(jī)的效率降低，特別是效率降低較大時(shí)，不宜采用該方法進(jìn)行調(diào)節(jié)。
3.2.3 變速調(diào)節(jié)法及應(yīng)用
　　變速調(diào)節(jié)法即改變通風(fēng)機(jī)葉輪轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)法，其原理是比例定律。比例定律描述的是風(fēng)機(jī)的風(fēng)量、風(fēng)壓、軸功率以及效率與轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系。公式（2）為同一臺(tái)通風(fēng)機(jī)比例定律數(shù)學(xué)表達(dá)式。對于同一臺(tái)風(fēng)機(jī)，風(fēng)量與轉(zhuǎn)速的一次方成正比；風(fēng)壓與轉(zhuǎn)速的平方成正比；軸功率與轉(zhuǎn)速的三次方成正比；相似工況下效率不變（認(rèn)為空氣密度不變）。
　　　　　　　　　　

式中：q_v、q_v′分別為調(diào)節(jié)前、后的風(fēng)量，m³/s； p、p′分別為調(diào)節(jié)前、后的風(fēng)壓，Pa；Pa、Pa′分別為調(diào)節(jié)前、后的軸功率，kW；n、n′分別為調(diào)節(jié)前、后的轉(zhuǎn)速，r/min；η、η′分別為調(diào)節(jié)前、后的效率^[10] 。
　　根據(jù)比例定律，在相似工況下，通風(fēng)機(jī)的效率相等，實(shí)際上，對同一臺(tái)通風(fēng)機(jī)采用變速調(diào)節(jié)法的效率幾乎不變。但是，采用該方法的前提條件是通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)一定或網(wǎng)絡(luò)阻力變化較小。從節(jié)能的角度講，如果原工況處于高效運(yùn)行區(qū)域，調(diào)節(jié)后的工況效率也處于高效區(qū)域，反之，如果原工況處于較低的運(yùn)行效率，采用該方法調(diào)節(jié)后通風(fēng)機(jī)運(yùn)行效率依然較低。此外，如果通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)變化較大，就應(yīng)通過認(rèn)真研究分析，確定該方法節(jié)能的合理性。
　　采用改變?nèi)~輪轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)法調(diào)節(jié)通風(fēng)機(jī)的工況，應(yīng)根據(jù)通風(fēng)機(jī)的性能、礦井通風(fēng)的具體情況、每個(gè)階段通風(fēng)機(jī)的運(yùn)行狀況及網(wǎng)絡(luò)的變化情況，在效率提高或不變的情況下，采用改變?nèi)~輪轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)法調(diào)節(jié)通風(fēng)機(jī)工況，以達(dá)到節(jié)能的目的。采用改變?nèi)~輪轉(zhuǎn)速法，電動(dòng)機(jī)應(yīng)能進(jìn)行調(diào)速，現(xiàn)在應(yīng)用最廣泛的是變頻調(diào)速技術(shù)，采用變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)，或?qū)﹄妱?dòng)機(jī)進(jìn)行改造，加裝變頻器。
　　采用該方法的分析計(jì)算較繁瑣，建議通風(fēng)機(jī)生產(chǎn)廠家給出不同葉片安裝角度和不同轉(zhuǎn)速下的風(fēng)機(jī)性能曲線，以便用戶使用。
3.2.4 綜合調(diào)節(jié)方法及應(yīng)用
　　由上所述，很多情況下，采用單一改變?nèi)~片安裝角度或變速調(diào)節(jié)法，難以保證通風(fēng)機(jī)始終處于高效運(yùn)用區(qū)域，采用改變?nèi)~片安裝角度和變速法來綜合調(diào)節(jié)，常常可以達(dá)到較好的效果^[11] 。下面以一實(shí)例分析綜合調(diào)節(jié)方法的應(yīng)用。
　　某礦井采用FBCDZNo22/160×2通風(fēng)機(jī)，圖3為該通風(fēng)機(jī)的性能曲線（圖中靜壓軸功率沒有繪出），圖中曲線1為初期某一時(shí)期通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)特性曲線，采用43°/35°葉片安裝角，工況點(diǎn)M₁，滿足該時(shí)期礦井的通風(fēng)要求。從圖3中可以看出，通風(fēng)機(jī)的運(yùn)行效率即工況效率約為77%。為進(jìn)一步提高通風(fēng)機(jī)的運(yùn)行效率，采用改變?nèi)~片安裝角度和變速的綜合方法調(diào)節(jié)工況，提高通風(fēng)機(jī)的效率。調(diào)節(jié)方法是：先把葉片安裝角調(diào)節(jié)到49°/41°，此時(shí)通風(fēng)機(jī)的工況點(diǎn)為M，M點(diǎn)的靜壓效率約為85%，但此時(shí)風(fēng)量、風(fēng)壓都大于礦井所需的風(fēng)量和風(fēng)壓。然后用變速調(diào)節(jié)法使通風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速降低，把工況點(diǎn)從M調(diào)節(jié)到M₁。根據(jù)比例定律，在同一網(wǎng)絡(luò)下，改變轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，通風(fēng)機(jī)的效率幾乎不變，調(diào)節(jié)后通風(fēng)機(jī)的靜壓效率為85%，效率將提高約8%。該通風(fēng)機(jī)配備兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)，單臺(tái)電動(dòng)機(jī)的額定功率為160kW，節(jié)能效果顯著。