楊明瑞

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)忻州窯礦， 山西 大同 037021）

引言

煤礦的安全生產(chǎn)需要連續(xù)、可靠、穩(wěn)定的通風(fēng)，這就要求煤礦主通風(fēng)機(jī)始終保持穩(wěn)定可靠的持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，以保證井道的通風(fēng)量。然而礦井環(huán)境錯綜復(fù)雜，主通風(fēng)機(jī)的工作環(huán)境伴有大量渾濁污惡的氣流，并且工作電壓較大，以至于出現(xiàn)故障的概率較大；同時在倒機(jī)停機(jī)過程中，通風(fēng)機(jī)會頻繁發(fā)生啟動失常，以及備用風(fēng)機(jī)啟動存在不確定性等，上述情況都不能確保通風(fēng)系統(tǒng)的平穩(wěn)運(yùn)行[1-4]。因此本文設(shè)計了一種新型通風(fēng)系統(tǒng)模型，其分別從主通風(fēng)機(jī)輔助通風(fēng)系統(tǒng)失穩(wěn)控制和主通風(fēng)機(jī)運(yùn)行異常通風(fēng)失穩(wěn)防范兩個方向切入，建立了礦井主通風(fēng)系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行的維護(hù)方案，同時確定了通風(fēng)失穩(wěn)的控制總目標(biāo)，獲得了影響工況點(diǎn)的參數(shù)響應(yīng)。同時，以此模型為基礎(chǔ)，系統(tǒng)地討論了調(diào)節(jié)風(fēng)量的自動控制方法，進(jìn)而得到控制通風(fēng)機(jī)系統(tǒng)穩(wěn)定性的調(diào)節(jié)策略，從而實(shí)現(xiàn)對礦井主通風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的穩(wěn)定控制。

1 主通風(fēng)機(jī)通風(fēng)失穩(wěn)控制目標(biāo)

煤礦通風(fēng)系統(tǒng)主要由機(jī)械動力系統(tǒng)和三個通風(fēng)區(qū)段組成。通風(fēng)系統(tǒng)的三個區(qū)段依次為進(jìn)風(fēng)區(qū)、用風(fēng)區(qū)和回風(fēng)區(qū)。假設(shè)Q1、Q2、Q3分別為三個區(qū)段的風(fēng)量，H 為負(fù)壓，R1、R2、R3分別為三個區(qū)段的風(fēng)阻，基于礦井總阻力的優(yōu)化分配比例，規(guī)定進(jìn)風(fēng)區(qū)阻力占總阻力的1/4，用風(fēng)區(qū)占比9/20，回風(fēng)區(qū)占比3/10。忽略局部通風(fēng)機(jī)的動力不計，風(fēng)壓平衡方程如下：

由式（1）可以看出，主通風(fēng)機(jī)的通風(fēng)和動力與系統(tǒng)的通風(fēng)量緊密相連，當(dāng)改變通風(fēng)機(jī)工況時，通風(fēng)機(jī)的動力隨之變化，進(jìn)而直接影響到系統(tǒng)通風(fēng)量。

由于大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械工作時能耗較大，因此礦井中需要確保通風(fēng)機(jī)連續(xù)工作運(yùn)轉(zhuǎn)，進(jìn)而保證整個系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行，但是機(jī)構(gòu)零件不能確保一直處于健康運(yùn)行狀態(tài)，經(jīng)常會發(fā)生故障，所以對一臺風(fēng)機(jī)而言，通風(fēng)機(jī)發(fā)生失穩(wěn)是不可避免的。然而，煤礦風(fēng)機(jī)房的常見配置方式是安置兩臺型號相同的主通風(fēng)機(jī)，一臺主運(yùn)行，另一臺保備用，當(dāng)運(yùn)行風(fēng)機(jī)發(fā)生故障時，備用風(fēng)機(jī)啟動，保證系統(tǒng)平穩(wěn)通風(fēng)。通風(fēng)機(jī)輔助通風(fēng)系統(tǒng)包括風(fēng)門和兩臺通風(fēng)機(jī)，將其組合成一個整體作為研究對象開展研究，雖然通風(fēng)機(jī)的故障不可避免，但對于整體系統(tǒng)，可以利用控制方法來保證局部通風(fēng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

2 通風(fēng)機(jī)輔助通風(fēng)失穩(wěn)控制對象模型

將兩臺通風(fēng)機(jī)列向布置對齊，同時分別在各自的風(fēng)道通道內(nèi)設(shè)置立風(fēng)門；當(dāng)風(fēng)機(jī)啟動運(yùn)轉(zhuǎn)時，所對應(yīng)的立風(fēng)門開啟，同時備用風(fēng)機(jī)配備的立風(fēng)門關(guān)閉，若違背上述操作，則會使風(fēng)路出現(xiàn)短路，以及減小井下的有效抽風(fēng)量。改造升級的主通風(fēng)機(jī)輔助通風(fēng)系統(tǒng)，如圖1 所示。

圖1 改造升級的主通風(fēng)機(jī)輔助通風(fēng)系統(tǒng)

為了方便實(shí)施控制，構(gòu)建“通風(fēng)機(jī)輔助通風(fēng)系統(tǒng)”的控制對象模型。在原系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，添設(shè)了水平風(fēng)門，且備用通風(fēng)機(jī)可借助水平風(fēng)門隨時啟動。此外，當(dāng)大氣與水平風(fēng)門連為一體時，電機(jī)將調(diào)整到全開模式，此時風(fēng)阻值約等于零。備用風(fēng)機(jī)能夠平穩(wěn)輕載啟動，這樣就提升了電機(jī)安全平穩(wěn)啟動的概率，進(jìn)而克服了主通風(fēng)機(jī)啟動故障等困難。

3 通風(fēng)機(jī)輔助通風(fēng)系統(tǒng)等效變位風(fēng)機(jī)性能研究

3.1 風(fēng)井入口等效變位通風(fēng)機(jī)研究

假設(shè)礦井總風(fēng)阻為R0，通風(fēng)機(jī)的兩個風(fēng)道中水平調(diào)節(jié)風(fēng)門的風(fēng)阻分別為R1s和R2s，風(fēng)量為Q1s、Q2s，立風(fēng)門的風(fēng)阻分別為R1c、R2c，如圖2 所示。

圖2 通風(fēng)機(jī)輔助通風(fēng)系統(tǒng)及各部分風(fēng)阻示意圖

分析時簡化圖2，將示意圖變換成通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)模型，如圖3-1 所示。設(shè)水平風(fēng)門風(fēng)阻-風(fēng)量方程分別為：

由于R1s和R2s分別為通風(fēng)機(jī)Ⅰ與通風(fēng)機(jī)Ⅱ映射通風(fēng)系統(tǒng)的地面漏風(fēng)風(fēng)阻值，因此可解算通風(fēng)機(jī)Ⅰ與R1s，將其等效成通風(fēng)機(jī)Ⅰ'，R1s的函數(shù)對應(yīng)等效變位風(fēng)機(jī)的性能曲線，則等效通風(fēng)機(jī)Ⅰ'和Ⅱ'特性曲線方程為：

式（3）中，aⅠ'1、aⅠ'2、aⅠ'3、aⅡ'1、aⅡ'2、aⅡ'3為曲線方程系數(shù)在相同風(fēng)量下，立風(fēng)門的風(fēng)阻與等效風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的風(fēng)壓成反比關(guān)系，前者越小后者越大。進(jìn)而解算之后的風(fēng)網(wǎng)模型，如圖3-2 所示。

由于等效通風(fēng)機(jī)Ⅰ″和Ⅱ″為并聯(lián)式工作，基于解算規(guī)則可知，兩等效通風(fēng)機(jī)風(fēng)量之和等效變位通風(fēng)機(jī)Ⅲ的風(fēng)量，兩風(fēng)量方向疊加可得到后者的特性曲線；風(fēng)量的負(fù)壓表達(dá)式如下：

式中：bⅠ"1、bⅠ"2、bⅠ"3、bⅡ"1、bⅡ"2、bⅡ"3為曲線方程系數(shù)。

3.2 等效變位通風(fēng)機(jī)工況點(diǎn)模型

假設(shè)總風(fēng)阻為R0，可表示為：R0=R1+R2+R3，如圖3-3 所示，即可得到等效變位通風(fēng)機(jī)Ⅲ的工作點(diǎn)（Q0，H0），所以風(fēng)道的有效總通風(fēng)量的數(shù)學(xué)模型為：

圖3 通風(fēng)機(jī)輔助等效風(fēng)網(wǎng)簡化模型圖

式中：Q0為通風(fēng)機(jī)并聯(lián)運(yùn)行時從井下吸上的有效通風(fēng)風(fēng)量；H0為通風(fēng)機(jī)輔助通風(fēng)系統(tǒng)的負(fù)壓。

由式（5）可知，Q0是QⅠ、QⅡ、R1s、R1c、R2s、R2c和R0的函數(shù)。

4 通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)量調(diào)節(jié)方法對比分析

常見的風(fēng)量調(diào)節(jié)方法包括風(fēng)門調(diào)節(jié)和變速調(diào)節(jié)，在這里對比通風(fēng)機(jī)在兩種方法下的節(jié)能效應(yīng)（圖4）。假設(shè)通風(fēng)機(jī)初始工況點(diǎn)為A，A-H1-O-Q1所圍成的面積代表A 點(diǎn)處的軸功率；當(dāng)風(fēng)量與負(fù)壓近似成反比例變化時，即Q1遞減為Q2、H1升至H2時，若選用風(fēng)門調(diào)節(jié)法，礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)曲線將由曲線1變?yōu)?，而通風(fēng)機(jī)的工作點(diǎn)由點(diǎn)A 運(yùn)行至點(diǎn)B，B-H2-O-Q2圍成的面積表示軸功率P2；若采用變速調(diào)控時，通風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速由n1遞減到n2，得到通風(fēng)機(jī)特性曲線2，O-H3-C-Q2所圍成的面積代表工況點(diǎn)C的軸功率。

圖4 主通風(fēng)機(jī)各工況下風(fēng)量調(diào)節(jié)對比分析

對比兩種方法可發(fā)現(xiàn)，風(fēng)門消耗的無益功率為H2-H3-C-B 所圍成的面積，面積占比較大，表示所產(chǎn)生的無益功率對風(fēng)機(jī)（特別是在長時間運(yùn)行下時間越長損耗越大）產(chǎn)生較大的損耗，這與風(fēng)機(jī)的節(jié)能目的（減少無用損耗）相背馳；當(dāng)確保Q2、H3取值，采用變頻調(diào)節(jié)可減少風(fēng)門產(chǎn)生的無用損耗，從而完成節(jié)能目標(biāo)?？偟膩碚f，變頻調(diào)節(jié)比風(fēng)門調(diào)節(jié)節(jié)能效率高40%～50%，從而可實(shí)現(xiàn)節(jié)電效應(yīng)，如果僅對風(fēng)量作臨時性調(diào)整，則風(fēng)門調(diào)節(jié)更加快速有效。

5 結(jié)論

本文制定了通風(fēng)機(jī)通風(fēng)失穩(wěn)控制的總體目標(biāo)，改進(jìn)了通風(fēng)系統(tǒng)的布置形式，在此基礎(chǔ)上開展了如下工作，并得到了相應(yīng)的結(jié)論，具體內(nèi)容如下：

1）從系統(tǒng)角度出發(fā)制定了便于實(shí)施控制的“通風(fēng)機(jī)輔助通風(fēng)系統(tǒng)”的升級策略。

2）構(gòu)建了通風(fēng)機(jī)輔助通風(fēng)系統(tǒng)模型，在此基礎(chǔ)上基于風(fēng)機(jī)等效變位理論，將模型中兩臺獨(dú)立的風(fēng)機(jī)和風(fēng)門、風(fēng)路的組合等效成一臺位于風(fēng)井出口的變位通風(fēng)機(jī)，進(jìn)一步解算了此等效數(shù)學(xué)模型，分析了影響通風(fēng)機(jī)輔助通風(fēng)系統(tǒng)有效通風(fēng)量的工況參數(shù)。

3）發(fā)現(xiàn)變速調(diào)節(jié)比風(fēng)門調(diào)節(jié)節(jié)能效率高40%～50%，節(jié)能效果明顯，因此可以作為通風(fēng)機(jī)輔助通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)量平穩(wěn)調(diào)節(jié)的方法。本文的研究結(jié)論能為礦井主通風(fēng)機(jī)穩(wěn)定可靠運(yùn)行提供新的思路和參考方法。