矿井通风机联合运转工况分析系统实现

矿井通风机联合运转工况分析系统实现
梁军
【摘要】目前随着煤矿开采,开采深度增加与井巷巷道越来越繁琐,通风总阻力不断增大,许多煤矿采用风机联合运转进行矿井供风,但由于缺乏有效的管理手段,对于不同类型风机联合运转无法精确把控.为保证风机联合运转可靠有效,计算其运行工况点对于判定通风串并联运行是否有效至关重要.研发了矿井通风风机联合运转工况分析系统,根据实测数据拟合风机实际运行特性曲线,分析风机以不同方式联合运转时的等效特性,并结合矿井阻力曲线精确计算运转工况点,判断利用该型号风机串并联进行联合供风时,通风系统是否可靠有效、效率是否优化.研究为风机选型、矿井通风安全管理提供可靠技术支撑.
【期刊名称】《中州煤炭》
【年(卷),期】2019(041)003
【总页数】4页(P23-26)
【关键词】矿井通风;联合运转;工况分析;通风安全;风机性能;特性曲线
【作者】梁军
【作者单位】中煤科工集团重庆研究院有限公司,重庆400037;瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室,重庆400037
【正文语种】中文
【中图分类】TD724
0 引言
矿井通风系统是煤矿安全生产的重要保证，它是一个复杂立体的网络结构。

为达到调节工作区温度、稀释及排出井下有害气体等目的，煤矿通风系统通过地面主风机提供的动力源，利用其产生的正压或负压将新鲜空气输送到井下各用风地点，形成通风管网。

在矿井通风系统中，主通风机是通风系统的核心，但通风系统随着井下开采工作进行，通风网络变得越来越复杂、矿井通风阻力不断增大，单一风机作业无法满足安全生产对通风的要求，需要多台风机协同作业，若操作不当，不仅无法达到预期通风效果，还会损坏风机。

因此，对风机选型、作业方式进行工况分析十分必要。

1 系统框架设计
1.1 界面层
计算风机联合运转工况点，需要计算风机的特性曲线及矿井阻力曲线。

系统基于Charts 图形图表显示控件构建显示模块，生成性能曲线方程，利用插值法[1-3]，插入多级密度值，显示平滑特性曲线；并利用图表方便的坐标标注，直观显示计算结果。

1.2 业务逻辑层
工况分析业务逻辑，主要是风机特性曲线拟合；风机在使用过程中，由于安装质量、扩散器及磨损等因素，其真实特性曲线与出厂时特性曲线会有较大差别，因此，对于未知特性曲线风机，需根据实测值，重新拟合出该风机特性曲线，拟合方法为最小二乘法[4-5]。

最小二乘法(最小平方法)是一种数学优化技术，通过最小化误差的平方和寻找数据的最佳函数匹配；利用最小二乘法可以简便地求得未知的数据，并使得这些求得的数据与实际数据之间误差的平方和为最小。

拟合的风机特性曲线方程为：
式中，a0，a1，a2，…，an为n次多项式中系数。

理论上利用最小二乘法拟合多次方程，实测数据组数应大于方程的次数。

计算工况点还需用到矿井风阻特性方程：hf=RQ2。

其中，R为阻力系数(常数)；Q为风量；工况点为上述2个方程联立的解。

1.3 数据访问层
系统提供多种数据存储方式，利用便捷的数据库Microsoft SQL Server 2008实现，实测数据与分析数据的分类存储，如图1所示使用三级模式结构数据管理机
制[6-8]，实现分析数据的安全存储与快速查询。

图1 数据存储模式Fig.1 Storage mode of data
2 功能设计与应用
风机性能可靠稳定是整个矿井通风系统安全稳定的重要保障，由于设备老化和矿井阻力的变化，风机联合运转时，风机实际临界工况点的确定对于风机协同工作是否有效至关重要。

若风机操作不当，会引起通风异常，甚至损坏风机，因此分析风机联合运转时特性、效率、稳定性等，对通风安全管理十分重要。

为保障通风系统动力源的稳定可靠且有效，设计通风机联合运转工况分析系统[9-10]对其进行分析和掌握，以精确掌握风机的运行情况。

2.1 系统设计思路
(1)强化风机参数管理模式，实现工况点快速计算。

系统建立标准曲线系数数据处
理体系，提取各通风机基础数据曲线系数，实现快速计算联合运转风机等效性能曲线，实时运行工况点快速计算。

(2)严格的数据存储设计，实现数据标准化存储。

矿井风机特性曲线是一个严格的
多项式方程曲线，系统需严格把控数据录入，非标准数据应予以排除，确保数据的有效性。

(3)建立便捷系统界面设计，用户只需一键操作即可得出系统分析结果。

系统设计有强大的自动分析功能，基于基本曲线，可自动计算风机联合运转时的综合性能曲线，集合矿井阻力曲线，便捷地分析通风机联合运转的有效性[11-16]。

2.2 风机特性曲线拟合
风机特性曲线分为风压特性曲线(H—Qf)、功率曲线(N—Qf)、效率曲线(η—Qf)是反映通风机在额定转速情况下，对于风量会有一系列风压、功率和效率。

由于各种原因，实际运行中风机的特性曲线与出厂时的特性曲线会有较大差别，因此根据实测数据拟合数据曲线，对以后的通风机分析起到奠基的作用；该系统利用最小二乘法拟合特性曲线(表1)。

拟合二次三项式方程分别为：风压曲线
y=1497.64+45.82x-1.03x2；功率曲线y=-50.82+5.72x-0.07x2；效率曲线y=-68.58+6.96x-0.09x2。

根据方程系统，插入多个连续风量值，在系统界面显示拟合方程曲线如图2所示。

2.3 风机串联工作判定
使风机进风口与另外的风机出风口通过直接或间接的形式相连并同时运转，称为风机串联工作，其特性为每个风机的总风量为矿井总风量，而压力之和为克服管网的总阻力；计算风机串联工作时工况点，则需要计算风机串联工作时的等效特性曲线[17-20]；系统根据风量相等、风压相加的原理，计算风机串联工作时等效特性曲线，得出方程式与矿井阻力特性方程，求解得出工况点，并计算临界工况点，判断风机串联工作是否合理有效。

表1 实测数据Tab.1 Measured data实测风量/(m3·s-1)实测静压/Pa实测功率/kW实测效率/%51.8491 065.0054.13253.24648.1281
253.7559.15755.67344.3571 578.9168.66360.57034.5821
925.8065.29257.15023.3021
939.8244.31544.51355.215725.8139.29043.63659.869381.4522.28927.9346
6.188121.98
7.79610.8924
8.5261 344.3463.9575
9.013
注：1号风机叶片角度27.5°，转速1 700 r/min。

图2 特性曲线拟合Fig.2 Characteristic curve fitting
风机串联运转工况如图3所示。

2台风机特性曲线方程Ⅰ号曲线：y=1
497.64+45.81x-1.04x2，Ⅱ号曲线：y=1 688+55x-0.9x2；串联运转时等效曲线Ⅰ+Ⅱ为：y=3 185.64+100.81x-1.94x2；矿井阻力曲线系数为1.32，求解出运
行工况点：Q=50.0 m3/s，hf=3 346.61 Pa。

由此可知，计算工况处于安全区域，所以该情况下风机串联工作有效。

图3 串联运转工况计算Fig.3 Series operation condition calculation
2.4 风机并联工作
当矿井总风量不足，需要增加矿井风量时，一般采用多台风机并联工作方式来增加矿井风量。

其方式主要有：集中并联、对角并联及多井口并联。

风机并联特性：通过风机总风量之和为矿井总风量，每台风机静压相等，为管网阻力；计算风机并联时，等效特性曲线基于风压相等风量相加的原理；系统根据风机并联等效特性曲线计算风机并联工况点及临界工况点即可判断风机并联运转是否合理有效。

风机并联运转工况如图4所示。

Ⅰ+Ⅱ 并联曲线方程为： y=1 388.78+28.22x-0.25x2，矿井阻力系数为1.32，求解出的工况点为：Q=40.0 m3/s，hf=2 397.36 Pa，计算值处于临界阻力曲线的非安全区域，则此风机并联方案不能满足矿井实际需求，易造成供风不足，甚至损坏风机。

图4 并联运转工况计算Fig.4 Parallel operation condition calculation
3 结语
(1)系统基于标准化数据存储，灵活的功能结构设计，融合计算风机联合运转时所
需算法，一键实现特性曲线方程拟合、工况点计算、临界阻力曲线自动计算等功能。

(2)基于图形显示及拟合算法的风机联合运转计算系统研发，使通风安全工程技术
人员对风机的联合运转及工况点有更加精确的把控，并能根据功能进行风机串并联分析，为矿井特定条件下风机选型及布置通风方式提供参考依据；系统为矿井通风安全管理提供了现代化手段，对促进矿井安全生产具有重要意义。

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