（电力系统及其自动化专业论文）矿井通风系统动态控制方法分析研究.pdf

s u b j e c t ：t h ea n a l y s i sa n dr e s e a r c hf o rd y n a m i cc o n t r o lo ft h em i n e v e n t i l a t i o ns y s t e m s p e c i a l t y ：p o w e rs y s t e ma n da u t o m a t i o n n a m e ：z h a n g x i a i n s t r u c t o r ：s h a n gl i q u n a b s t r a c t ( s i g n a t u r e l 型均业l 一 ( s i g n a t u r e ) s a f e t ya n ds t a b i l i t yo ft h em i n ev e n t i l a t i o ns y s t e mi st h eb a s i cs a f e g u a r df o rt h es a f e p r o d u c t i o ni nc o a lm i n e t h em a i n m i n ev e n t i l a t o ri st h ep o w e r s o u r c eo ft h em i n ev e n t i l a t i o n s y s t e m t h ec h a r a c t e r i s t i co ft h em i n ev e n t i l a t o ri so n eo ft h eo b j e c t sn e e dt oa n a l y z ei nt h e m i n ev e n t i l a t i o ns y s t e m t h ev e n t i l a t i o nn e t w o r kc a l c u l a t i o ni sab a s i cw o r kf o rt h ev e n t i l a t i o n s y s t e m f o rf u r t h e rr e a s o n a b l ev e n t i l a t i o n a n da d j u s t m e n t ，t h ea n a l y s i sa n dr e s e a r c hf o r d y n a m i cc o n t r o lo ft h e m i n ev e n t i l a t i o ns y s t e mi sn e e d e d a n a l y z i n ga n di n t r o d u c i n gt h e v e n t i l a t o rc h a r a c t e r i s t i ca n dv e n t i l a t i o nn e t w o r k c a l c u l a t i o n u s i n go b j e c t o r i e m e d p r o g r a m m i n gl a n g u 列g ev i s u a lb a s i c6 0 ，s q ls e r v e rd a t a b a s et e c h n o l o g y , f u z z yc o n t r o la n d d y n a m i cs i m u l a t i o nt o o ls i m u l i n k s t u d yo nt h em e t h o df o rd y n a m i cc o n t r o lo ft h em i n e v e n t i l a t i o ns y s t e m t h ef u n c t i o no fv e n t i l a t i o nn e t w o r kc a l c u l a t i o ne v e nt h ev i s u a lo ft h e r e s u l t si nt h em i n ev e n t i l a t i o ns y s t e m ，d r a w i n gt h ec h a r a c t e r i s t i co f t h ev e n t i l a t o ra u t o m a t i c a l l y ， ， ， t l l e ， ， 1 1 ， f u z z y c o n t r o l t h e s i s ：a p p l i e dr e s e a r c h 压姜科技大学 学位论文独创性说明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 其取得研究成果尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科技大学 或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：；梃依 日期：加7 b , s 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间 论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。学校有权保留并向国家有关部门或 机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课 题再撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：；托镪指导教师签名：商夏昀 问年月j 日 1 绪论 l 绪论 1 1 课题的提出 本课题是针对矿井风机安全管控一体化系统中的通风系统动态分析单元所进行的 研究，是系统的子模块，为了更好的了解本课题提出的背景，先简要对矿井风机安全管 控一体化系统进行介绍。 1 1 1 矿井风机安全管控一体化系统 矿井通风系统的安全与可靠性，是我国煤矿安全生产的重要保障【l l 。而矿井通风系 统由其主要通风机及其附属装置、通风网络、风流监测与控制设施等多个环节组成一个 有机整体，其中矿井主要通风机作为矿井通风系统的动力源，其工作特性影响矿井通风 效果，而矿井通风网络受矿井开采方式、环境及生产过程的工艺等因素的影响，矿井通 风参数与通风系统控制密切相关。将上述各环节有机结合使通风效率最优作为矿井风机 安全管控一体化系统的重要任务。 矿井风机安全管控一体化系统就是以矿井主要通风机性能管理和控制作为研究对 象，对主要通风机的工作性能进行优化和自动控制为研究目标，结合生产矿井通风系统 优化管理的辅助计算工具，以现代变频调速技术为依托，充分发挥变频调速的节能效益； 采用现代智能技术手段，实现矿井通风网络与主要通风机工作特性的合理匹配、有效地 提高通风机运转效率，实现通风机的最优运行，提高矿井通风系统的可靠性和安全性； 根据矿井通风系统的动力学模型，加入智能控制的思想，形成了一个完整的闭环系统； 采用管控一体化的设计思想，使风机控制系统可方便地接入现有的矿井安全监测监控系 统，实现数据共享及远方监控。系统的首要任务提高风机的工作效率，其次是配合通风 网络优化对风机进行优化控制。 矿井风机安全管控一体化系统结构如图1 1 所示。图中数据采集卡实时采集井下通 风网络、电动机和通风机的工作参数，并由智能控制模块进行通风机工作策略控制，同 时实现与上位机的信息共享。 矿井风机安全管控一体化系统的部分子模块介绍如下： ( 1 ) 智能控制模块 通风机智能控制模块是实现对矿井主要通风机优化控制和对其安全可靠性分析评 价的核心处理系统。智能控制不依赖于被控对象的精确数学模型，且能克服非线性因素 的影响，对调节对象参数的变化具有较强的鲁棒性特点，而矿井通风系统是一个复杂的、 非线性的、多变量的动态系统，其安全状态的数学模型很难确定 2 5 f 2 6 1 ，因此在对矿井通 西安科技大学硕士学位论文 风机工作性能进行分析和决策时，利用模糊控制思想吲，对其安全性进行智能化自适应 地分析、辨识决策和自优化，以实现风机的安全经济运行。 ( 2 ) 通风网络与通风机性能分析单元 将通风机工作特性与通风网络相互匹配在最佳状态，是该单元所要进行的工作。通 风机与矿井通风网络的关系如图1 2 所示。 风 图i 1 矿井风机安全管控一体化系统结构图图1 2 矿井通风巷道风阻与风机性能关系 图1 2 反映了通风网络与矿井主要通风机性能是动态变化的关系，为了维持其相互 匹配关系，当其中一方发生变化时，要求另外一方也进行必要的调整变化。如图1 2 中 b 是某一时期矿井通风网络与矿井主要通风机的关联点，此时假定矿井通风机提供的风 量正好是安全生产必需的风量，当过了一段时间之后，矿井通风巷道发生变化，通风网 络的风阻曲线变为“风阻曲线l ”。为了保证安全生产所需要的风量，就需要调节通风机 的性能曲线，使其增大至“风机性能曲线l ”的位置。这个调节通风机性能曲线的过程， 需要通过变更通风机输入功率( 轴功率) 来进行。 ( 3 ) 矿井通风系统动态分析单元 对于矿井通风系统的动态分析，首先是将其网络模型化采用节点分支矩阵来描 述通风系统，为了能够得到主要通风机控制单元所需要的关于通风网络特征值的网络风 量、风压以及风阻参数等值，有必要进行通风系统网络解掣1 1 i 。 通风系统网络解算是模拟矿井通风系统风流分布的一种手段，在解算过程中需要预 先得知通风网络中各条分支的风阻值、通风机性能曲线方程等基本参数。这样，在分析 矿井通风系统安全性、稳定性问题时，就可动态的模拟得到通风机性能曲线方程。经过 反复多次的模拟计算，便可以得到图1 2 中的风阻曲线和通风机性能曲线的最佳关联点。 矿共通风网络解算模块，由于涉及大量的网络结构拓扑分析、巷道参数变更以及模 拟计算精度要求，所以将其单独设计，放置在工控机中，可以随时调用为智能控制服务。 2 1 绪论 ( 4 ) 管控安全一体化 系统配置专用工控机，作为可以为用户自定义的环节，本工控机的设计采用管控一 体化的设计思想，利用v b 6 0 可视化的编程语言、m a t l a b 6 5 模糊逻辑工具箱及动态 仿真工具s i m u l i n k ，编制出友好的用户界面，实现风机特性曲线( 风机风压一风量曲线、 风机输入功率风量曲线、风阻曲线等) 自动绘制，动态显示风机实时运行状况，实现 了对主要通风机的变频调速就地监控。同时，通过通信口方便地接入矿井的监控监测系 统，实现远方的监控与管理，从而将主要通风机的变频调速系统纳入了矿井综合自动化 系统中，不但保持了本系统的相对独立性，也与监控监测系统实现了信息共享。 1 1 2 国内外研究现状 矿井通风系统合理与否对矿井安全生产具有重要而长期的影响。鉴于矿井复杂的通 风系统，如何保证矿井通风系统的风量及风流的稳定性，优化各种调节设施，降低矿井 通风功耗，使整个矿井通风系统工作在最佳区域，实现矿井通风系统的动态监测与实时 控制，是目前亟待解决的问题。 现代科学技术发展对于主要通风机的自动监测、自动控制乃至遥控，已经越来越受 通风机生产厂商和用户的重视，如目前在我国矿山普遍推广使用的d b k 系列主要通风 机，其控制台上可以自动监测通风机的全压、静压、入口空气温度、电机定子三相绕组 温度、轴承温度、电机功率、通风机启停状态和正反转状态等。主要通风机这些功能参 数的获取，使得通风机管理人员对于风机工作状态有了一个全面、明晰的了解掌握。但 是，由于矿井主要通风机和矿井通风网络是一个相互匹配的关系，如何建立通风网络与 主要通风机的协调关系，使矿井主要通风机工作在最优的工况点上，这是煤矿现场还难 以解决，并为煤矿安全生产科技人员所关注的一个问题。 利用智能控制技术实现风机工作状态与通风网络相结合的闭环控制，做到在线辨识 决策和自优化、自寻优的功能，更适合于矿井这个复杂多变的非线性动态系统 2 5 1 。 对于矿井主要通风机的运行，采用智能化仪器进行运转控制，对促进煤炭行业科学 技术进步，以及煤矿生产节能具有重要的现实意义。中国矿业大学研制的智能化在线实 时监测通风机性能的监测仪，它对于通风机的工作性能实现了在线测定和控制，但是未 能实现与矿井通风网络的相关联控制，仍属开环控制范畴。 利用现代变频调速技术【1 6 1 实现风机转速调节控制，可实现矿井通风网络所需风量、 风压及风速等参数，为要求的最先进的控制技术手段。 为此，本文将通风系统网络模型化后进行解算，获得动态控制所需要的参数，应用 模糊控制技术实现风机的最优运行，提高矿井通风系统的可靠性和安全性。本文的研究 工作将围绕上述问题而展开。 西安科技大学项士学位论文 1 2 矿井通风系统动态控制概述 本课题通过对矿井通风系统中风机特性和网络分析，运用v i s u a lb a s i c 6 0 可视化编 程语言结合s q ls e r v e r 数据库技术【1 1 2 0 1 1 2 2 1 ，综合应用通风网络理论、集合论、图论等 进行程序及相应界面显示设计，并应用通风网络参数进行了验证，经使用证明，运行稳 定，解算数据结果准确，为通风系统优化方案的确定提供了科学的依据。最后采用模糊 控制技术结合m a t l a b 6 5 模糊逻辑工具箱和动态仿真工具s i m u l i n k ，设计模糊控制器和 仿真模型，从对仿真结果的分析来看，达到预期效果，证实方案的可行性。 课题具体实现的内容： ( 1 ) 通风网络数据的数据库存储和访问； ( 2 ) 数据库以文本形式保存； ( 3 ) 通风机特性参数的存储管理和曲线方程计算处理； ( 4 ) 通风机性能曲线和风阻曲线的自动绘制和对各曲线的相关操作包括对各曲线的 选择显示、打印等； ( 5 ) 通过网络解算实现风机的性能分析和工况分析； ( 6 ) 控制决策风机的风量、转速给进，通过界面动态显示工况的自动调节，保证风机 最优运行；， ( 7 ) 以友好的界面给出具体操作的步骤以及限制操作权限： ( 8 ) 利用串行通信技术传递数据信息实现数据共享。 课题实现的主要功能及特点： ( 1 ) 输出界面 系统包含7 个输出界面：封面、主界面、数据结果显示界面、风机特性曲线、登录 界面、通讯窗口，曲面图。界面清晰明了，显示直观，方便用户操作。 ( 2 ) 数据库应用 对于输入的网络结构和解算结果数据都存放在数据库中。由于风网数据库管理的最 终目的是要为风网解算提供数据，解算数据结果除了可在界面上直接显示外，程序将巷 道的编号、始节点、末节点、巷道风阻等数据转换为一个t x t 文件，供风网解算调用。 ( 3 ) 风机特性曲线自动生成 根据已知通风网络中各条分支的风阻值、通风机特性等基本参数，动态模拟得到通 风机性能曲线方程，经过反复多次的模拟计算，便可以得到风阻曲线和通风机性能曲线 的最佳关联点。 ( 4 ) 界面登录功能 在生产现场中，通风机的作用是至关重要的，医此对它的管理和控制是很严格的。 在本课题所作的系统中，对通风机的监测管理设置了登录对话框，这样可以使具有管理 4 1 绪论 权限的使用者以管理用户的身份登录，能够对用户名和密码进行更改以及使用系统全部 功能，包括查看和编辑通风机运行参数和历史数据。实现了通风机的用户管理，限制使 用权限，防止非管理人员进行操作可能发生的意外，保证系统在现场的应用安全。 ( 5 ) 通讯接口 使用m s c o m m 控件及r s 2 3 2 ( 或r s 4 8 5 ) 通讯方式将数据结果通过串口发送出 去，可实现与远方监控系统的信息共享。为了提高本程序的可移植性，在用v b 6 0 编制 该电算程序时将其编译成可执行文件。这样即使离开了v i i 的操作环境软件仍可正常运 行。同时，该程序本身和计算结果均可作为子程序或原始数据被其他程序任意调用，从 而为其他程序的正确解算提供了准确无误的基础数据。 ( 6 ) 帮助系统 为了使现场人员能够比较容易的应用本系统，能够较为轻松的操作，随时解决现场 人员在使用过程中可能遇到的困难，同时也为了方便用户能够随着现场条件的变化不断 更新系统参数，使用户使用起来更加简单、方便、快捷，系统提供了功能完善的帮助系 统，用户按照向导的提示步骤便可顺利实现基础数据的输入及风网解算过程。 ( 7 ) 模糊控制和仿真 利用模糊控制技术实现对矿井通风系统安全性进行智能化自适应地分析、辨识决策 和自优化，保证风机始终处于最佳工况区，以实现风机的安全经济运行。 l - 3 课题研究的意义 矿井通风的主要动力是通风机。通风机是矿井的“肺脏”。其日夜不停的运转，加 之其功率大，因此其能耗很大据统计全国国有煤矿主要通风机平均电耗约占矿井电耗 的1 6 。所以合理的选择和使用通风机不仅关系到矿井的安全生产和职工的身体健康， 而且对矿井的主要技术经济指标也有一定影响【l 】。因而有必要对矿井通风机进行安全管 理与控制研究。本课题是矿井风机安全管控一体化系统中非常重要的一部分，由此对它 的研究和开发也有重要的意义。 此外，应用和推广自动控制系统对通风机设备的安全与经济运行具有较大的经济效 益和社会效益。这是由于该系统的最终目的是能够根据不同时间生产过程中所需的风量 和风压对通风机进行自动调节，使得通风机能与实际工况实现最佳的配合，从而将节约 大量的能源，其经济效益将十分可观。而且该系统的开发使得通风机设备的自动化程度 进一步提高，工人工作环境得以改善，符合科学技术发展的趋势。所以本课题的研究和 推广应用有重大的意义。 西安科技大学硕士学位论文 2 通风机运转特性及分析 通风机是矿井通风系统的主要动力源。通风机特性是矿井通风系统分析的对象之 一因此，对矿井通风系统进行分析，必然涉及到通风机工作特性的研究【l i 2 i 。本章对 通风机特性参数及其计算、通风机特性方程、通风机工况点及其合理工作范围等进行了 研究和分析，便于进一步对矿井通风系统的分析和控制。 2 1 通风机类型 矿用通风机按其服务范围可分为三种： ( 1 ) 主要通风机，服务于全矿或矿井的某一翼( 部分) ； ( 2 ) 帮助通风机，服务于矿并网络的某一分支( 采区或工作面) ，帮助主要通风机通 风，以保证该分支风量： ( 3 ) 局部通风机，服务于独头掘进井巷等局部地区。 按通风机的构造和工作原理可分为离心式通风机和轴流式通风机两种。 本课题中进行分析和研究的为矿井主要通风机。 2 2 通风机性能的相关参数及计算公式 通风机的工作状况可用风量q 、风压h 、风机轴功率n 、效率，7 、转速n 等参数表 达。 ( 1 ) 通风机风量q ：在单位时问内流过通风机的空气体积。单位为m 3 s ，m 3 m i n ， m 。 ( 2 ) 通风机风压h ：单位体积的空气流经通风机所获得的能量。单位为 p a ( 1 p a = 1 n m 2 = 1 n m m 3 ) 。通风机所产生的风压可分为静压风、动压h v 和全压h 。在通 风机全压中，用来克服矿井通风阻力的压力能部分，叫做通风机静压。使空气在通风机 出口断面内流动时所损失的风压，叫做通风机的动压。通风机在通风系统中工作时，通 风机出口的总压力与进口的总压力之差，叫做通风机的全压，也就是静压和动压之和。 h t = 以+ t( 2 1 ) ( 3 ) 通风机功率n ：通风机的功率可分为有效功率、轴功率和原动机功率三种。有效 功率( 通风机输出功率) 指通风机在单位时间内对流经它的空气所做的有效功。轴功率 ( 通风机输入功率) 指电动机传递给通风机轴上的功率。电动机功率指通风机所选用的 电动机的功率【”。 ， 通风机有效全压功率( 全压输出功率) ： m = 皿q 1 0 。( 2 2 ) 6 2 通风机运转特性及分析 通风机有效静压功率( 静压输出功率) ： l = 巩q 1 0 。( 2 3 ) 通风机轴功率( 输入功率) ： = 鲁= 而h , q ( 2 4 ) 仉l u u u 仉 或- 生1 , 舞 ( 2 5 ) l u u u 仇 式中旃、玩分别为风机的全压效率和静压效率。 电动机功率( 配用功率) ： 以= 丧= 丽h , q ( 2 6 ) l u u u 仉 式中、分别为电动机的效率和传动效率。 ( 4 ) 通风机效率r ：通风机在工作时，由于要产生磨擦损失、流动损失和泄漏损失等 内部损失，故其有效功率必然小于轴功率，反应损失多少的变量就是通风机的效率。通 风机的效率分全压效率和静压效率。 通风机全压效率 r t 2 百1 v t 1 0 0 ( 2 7 ) 通风机静压效率 仉2 蚩。1 0 0 ( 2 8 ) ( 5 ) 通风机特性方程：通风机运转时，其工作风压h 、轴功率n 和效率r 都是工作风 量q 的函数。这些函数都可用n 次多项式表示，称为通风机的工作特性方程1 2 1 。 风压特性方程 h = 4 + 4 q + 以+ + 以q ” ：窆4 q 效率特性方程 ，7 = 岛+ 蜀q + 易q 2 + + 鼠矿 ：窆置 g 1 功率特性方程 n = g + c l q + c 2 + + g q “ ：ncf(21d 7 西安科技大学硕士学位论文 上述三个特性方程皆为n 次多项式。n 取值的大小将影响用上述方法描述风机特性 的精度。根据研究，一般情况下，取n = 3 就可达到较高的精度。n = 2 得到的精度即能 满足一般矿井通风网络分析的需要，故本课题采用n = 2 ，即用二次方程来描述风机特性。 2 3 通风机的工况点 所谓工况点，即是风机在某一特定转速和工作风阻条件下的工作参数，如q 、h 、 n 和叩等，一般是指q 和h 两参数。通风机的特性曲线用来表明通风机的全压( 或静压) 、 轴功率以及效率同通风机的流量之阋的变化关系，它是选择和分析通风机的重要依据。 在矿井通风系统中，通风机的应用主要通过通风机的工况点进行分析，既要保证能为矿 井通风提供足够的通风动力，又要保证通风机的运行安全经济性 2 3 1 工况点的确定方法 已知通风机的特性曲线，设矿井自然风压忽略不计，则可用下列两种方法求风机工 况点i i ( 1 ) 图解法 当管网上只有一台通风机工作时，只要在风机风压特性( h q ) 曲线的坐标上，按相 同比例做出工作管网的风阻曲线，与风压曲线的交点之坐标值，即为通风机的工作风压 和风量。通过交点做q 轴垂线，与n - q 和，7 q 曲线相交，交点的纵坐标即为风机的轴 功率n 和效率玎。 图解法的理论依据是：风机风压特性曲线的函数式为h = f 【q ) ，管网风阻特性( 或称 阻力特性) 曲线函数式是h 爿t q 2 ，风机风压h 是用以克服阻力h ，所以h = h ，因此两曲 线的交点，即两方程的联立解。可见，图解法的前提是风压与其所克服的阻力相对应。 ( 2 ) 解方程法 风机的风压曲线可用髀面多项式拟合 h = a o + a t q + a 2 q 2 + 口3 q 3 ( 2 1 2 ) 式中a t 、a 2 、a 3 一曲线拟合系数。 在风机风压特性曲线的工作段上选取i 个有代表性的工况点( 壬l i ，q ) ，一般取i = 6 。 通常用最小二乘法求方程中各项系数，也可将已知的h i 、q i 值带入上式，即得含i 个未 知数的线性方程，解此联立线性方程组，即得风压特性曲线方程中的各项拟合系数。 对于某一特定矿井，可列出通风阻力方程 n h = r q 2 ( 2 1 3 ) 式中r 为通风机工作管网风阻，可根据上述方法确定。解式( 2 1 2 ) 和( 2 1 3 ) 两联立方程， 即可得到风机工况点。本课题采用两者结合的方法来确定工况点。 3 2 通风机运转特性及分析 2 3 2 通风机工况点的合理工作范围 为使通风机安全、经济地运转，它在整个服务期内的工况点必须在合理的范围之内。 从经济的角度出发，通风机的运转效率不应低于6 0 ；从安全方面来考虑，其工况 点必须位于驼峰点的右下侧、单调下降的直线段上。由于轴流式通风机的性能曲线存在 马鞍形区段，为了防止矿井风阻偶尔增加等原因，使工况点进入不稳定区，一般限定实 际工作风压不得超过最高风压的9 0 ，即t h o 9 巩。 轴流式通风机的工作范围如图2 1 的阴影部分所示。上限为最大风压0 9 倍的连线， 下线为r = o 6 的等效曲线。 通风机叶( 动) 轮的转速不应超过额定转速。 吖一s + 1 图2 1 轴流式通风机的合理工作范围 2 3 3 主要通风机工况点调节 在煤矿中，通风机的工况点常因采掘工作面的增减和转移、瓦斯涌出量等自然条件 变化和风机本身性能变化( 如磨损) 而改变。为了保证矿井的按需供风和风机经济运行， 需要适时地进行工况点调节。实质上，工况点调节就是供风量的调节。由于风机的工况 点是由风机和风阻两者的特性曲线决定的，所以，欲调节工况点只需改变两者之一或同 时改变即可。据此，工况点调节方法主要有”j ： ( 1 ) 改变风阻特性曲线 当风机特性曲线不变时，改变其工作风阻，工况点沿风机特性曲线移动。 增风调节 为了增加矿井的供风量，可以采取下列措施： 1 ) 减少矿井总风阻。在矿井( 或系统) 的主要进、回风道采取增加并联巷道、缩短 风路、扩刷巷道断面、更换摩擦阻力系数小的支架( 护) 、减小局部阻力等措施，均可 9 西安稍技大学硕士学位论文 收到一定效果。这种调节措施的优点是，主要通风机的运转费用经济，但有时工程费用 较大。 2 ) 当地面外部漏风较大时，可以采取堵塞地面的外部漏风措施。这样做，通风机的 风量虽然因其工作风阻增大而减小，但矿井风量却会因有效风量率的提高而增大。这种 方法实施简单，经济效益较好，但调节幅度不大。 减风调节 当矿井风量过大时，应进行减风调节。其方法有： 1 ) 增阻调节。对于离心式通风机可利用风硐中闸门增阻( 减小其开度) 。这种方法实 旌较简单，但因无故增阻而增加附加能量损耗。调节时间不宜过长，只能作为权宣之计。 2 ) 对于轴流式通风机，当其n q 曲线在工作段具有单调下降特点时，因种种原因不 能实施降低转速和减少叶片安装角度p 时，可以用增大外部漏风的方法，来减少矿井风 量。这种方法比增阻调节要经济，但调节幅度较小。 ( 2 ) 改变风机特性曲线t 这种调节方法的特点是矿井总风阻不变，改变风机特性，工况点沿风阻特性曲线移 动。调节方法有： 轴流式风机可采用改变叶片安装角度达到增减风量的目的。但要注意的是，防止 因增大叶片安装角度而导致进入不稳定区运行。对于有些轴流式风机还可以改变叶片数 改变风机的特性。对于能力过大的双级叶( 动) 轮风机，还可以减少叶( 动) 轮级数， 减少供风。 装有前导器的离心式通风机，可以改变前导器叶片转角进行风量调节。风流经过 前导器叶片后发生一定预旋，能在很小或没有冲角的情况下进入风机。前导叶片角由o o 变到9 0 0 时，风压曲线降低，风机效率也有所降低。但调节幅度不大( 7 0 以上) 时， 比增阻调节经济。 改变风机转速。无论是轴流式通风机还是离心式通风机都可采用。调节的理论依 据是相似定律，即旦：旦：f 旦：j 旦当转速下降一半时，则流量也减少一半，全 粕蜴y h o1 f o 压减少到原来的i 4 ，轴功率减少到原来的1 1 8 ，q - h 性能曲线下移，与管道性能曲线的 交点由m l 移至m 2 且q 2 q i 、1 - 1 2 h i ，从而改变风机的运行工况点，达到调节的目的。 1 1 改变电机转速。可采用可控硅串级调速；更换合适转速的电动机和采用变速电机 等方法。 2 ) 利用传动装置调速。这种方法只适用于小型离心式通风机。 调节转速没有额外的能量损耗，对风机的效率影响不大，因此是一种较经济的调节 方法，当调节期长，调节幅度较大时应优先考虑。 调节方法的选择，取决于调节期长短、调节幅度、投资大小和实施的难易程度。调 1 0 2 通风机运转特性及分析 节之前应拟定多种方案，经过技术和经济比较后择优选用。选用时还要考虑实施的可能 性。有时可以考虑采用综合措施。 通常情况下，若将扇风机风压特性曲线所在的坐标平面划分为五个区域，如图2 2 ( a ) 所示，则这五个区域为： p i 区 区 区 区 p p c p f q - i n ( a ) q 啦 q q c ( b ) q - i 图2 2 风机风压曲线坐标平面的五个区域及调节图 合理工作区域； 增能或降阻调节区； 增阻调节区： 不可调节区； v 区，增加风量调节区。 其中，增能调节法主要是采用辅助通风机等增加通风能量的方法，增加局部地点的 风量；降阻调节法是通过在巷道中采取降阻措施，降低巷道的通风阻力，从而增大与该 巷道处于同一通路中的风量，或减小与其并联通路上的风量；增阻调节法是通过在巷道 中安设调节风窗等设施，增大巷道的局部阻力，从而降低与该巷道处于同一通路中的风 量，或增大与其并联的通路上的风量。 那么当要求的扇风机工况点位于合理工作i 区时，可通过调节扇风机转速或叶片安 装角来实现按需供风；当要求的扇风机工况点位于合理工作区域以外时，则为了使扇风 机安全、经济和稳定的运转，单纯依靠调节扇风机转速或叶片安装角就不能实现按需供 风了，这就要借助扇风机本身以外的能力或调节矿井总风阻，才能使工况点移入扇风机 合理工作区域内。如当扇风机工况点位于区c 点时( 如图2 2 所示) ，扇风机转速 为n l ，矿井风阻曲线为r c 由图中可以看出，保证风机工作风量为q c 的风机的临界稳 定运转速度为n o ，但为了使扇风机安全运转，应将风机转速调至n 2 ( n 2 o ，故应采用串联辅助扇风机或降 西安科技大学硕士学位论文 低矿井通风阻力的调节措旌。当串联辅助扇风机时，其工作风压为印，工作风量为q c 当采用降低矿井风阻时，降低的阻力值为p ，巷道通过的风量为q c ，此时矿井风阻为 r 。当要求的工况点位于区时，则可通过增大矿井总风阻的措施( 如关闭扇风机风硐 中闸门的部分面积) 来实现扇风机的合理运行；当要求的工况点位于区时，则无论采 取什么措施都不可能使扇风机处于合理运行状态；当要求的扇风机工况点位于v 区时， 可通过增加工作风量( 如并联扇风机) 的措施实现工况点的合理化，但当p c p 一时，则无论采取何种措施都将无法实现工况点的合理化。 在本课题中，通过改变电机转速实现风机特性曲线的改变，达到按需供风的目的。 2 4 本章小结 本章介绍了通风机类型、通风机性能的相关参数及计算公式、通风机特性方程、通 风机工况点的确定方法及其合理工作范围与调节；提出应用图解法和解方程法两种方法 相结合来确定通风机工况点；对通风机工况点调节的几种方法进行了分析比较，提出通 过改变电机转速来实现风机特性曲线的改变，达到调节风量的目的；为进一步进行矿井 通风系统的分析起到了铺垫作用。 3 矿井通风网络分析 3 矿井通风网络分析 矿井通风系统是由纵横交错的井巷构成的一个复杂系统。用图论的方法对通风系统 进行抽象描述，把通风系统变成一个由线、点及其属性组成的系统，称为通风网络。通 风系统中各井巷分配的风量大小及其方向遵循一定规律“ 2 1 。本章将介绍通风网络的形 式与特性、通风网络中风流变化的规律、通风网络动态特性和应用计算机解算通风网络 的算法。 3 1 矿井通风网络与网络图 用直观的几何图形来表示通风网络就得到通风网络图，为了用数学方法来分析通风 网络，也可用集合和矩阵形式来表示通风网络。通风网络图只反映风流方向及节点与分 支间的相互关系，节点位置与分支线的形状可以任意改变，因此网络图的形状可以千变 万化通风网络图是进行各种通风计算的基础。 设通风网络的节点号的集合为v - 如l ，v 2 ，v m ) ，m = l v l 为节点数；分支号的集 合为e = ( e l ，e 2 ，e n ) ，n = l e i 为分支数；则通风网络可表示为o - - ( v , e ) 。 图的几种矩阵表示如下； ( 1 ) 节点邻接矩阵 表示节点v i 、v j 之间邻接关系的矩阵 a 气8 n k m( 3 1 ) 其中a i j = 广l ，若v i 与v j 邻接，且v i v j ； l0 ，v i = v j 或v i 与v j 不邻接时。 ( 2 ) 基本关联矩阵 表示阿络中分支e j 与节点v i 关系的矩阵基本关联矩阵的各行均与线性无关。 b = ( b l j ) ( m - i ) x n( 3 2 ) rl ，节点v i 与分支e j 关联，且v i 为始节点； 其中b i j = j l ，节点v i 与分支e j 关联，且v i 为末节点； 10 ，节点v i 与分支e j 不关联。 ( 3 ) 独立回路矩阵 表示一个图的边与回路关系的矩阵。任取通风网络图的一棵生成数，以余数枝为独 立分支，得到一组线性无关的基本回路，称为独立回路，并以独立分支的方向作为独立 回路的方向。独立回路的个数n - - n - m + 1 。独立回路中的分支构成可用独立回路矩阵表示： c 邓) 呻m 1 ) x n( 3 3 ) 西安科技大学硕士学位论文 rl ，分支q 在回路i 中，且与回路同向； 其中。# = j - l ，分支c ! i 在回路i 中，且与回路反向； io ，分支q 不在回路i 中。 基本关联矩阵b 与独立回路矩阵c 问有如下关系 b o = o ( 3 4 ) 上式反映了回路中各分支首尾相连的特点，即与某节点相邻的分支必成对出现在同 一回路中。 ( 4 ) 独立割集矩阵 表示图的边与割集关系的矩阵。任取通风网络图的一棵生成树，以余树枝为独立分 支，得到一组线性无关的基本割集，称为独立割集。由独立割集中的分支构成独立割集 矩阵： 、s 气8 u k l ) n o 5 ) rl ，分支o j 在割集i 中，且与割集同向； 其中s i i = - l ，分支e j 在割集i 中，且与割集反向； l0 ，分支q 不在割集i 中。 独立回路矩阵c 与独立割集矩阵s 间有如下关系： c s t = 0 ( 3 6 ) 如图3 1 所示为一个简单的矿井通风网络图。这是一个有4 个节点、6 个分支组成 的有向图，图o r - - - ( 4 ，6 ) 。按照定义构造关联矩阵b 如下，实现了通风网络图的数学表示。 abcd ef 关联矩阵 由于关联矩阵的列数为图的边数，关联矩阵的行数加l 为顶点数，利用这个关系也 可找出关联矩阵所描述的图，它们可以相互转化。 图3 1 矿井通风网络图 1 4 1 2 3 们j 叫u o 0o 0 0 o o o 0 o o _，。l = 目 3 矿井通风网络分析 3 2 矿井通风网络内风流变化的规律 3 2 1 风量平衡定律 “ 风量平衡定律是指在稳定通风条件下，单位时间流入某节点的空气质量等于流出该 节点的空气质量；或者说，流入与流出某节点的各分支的质量流量的代数和等于零，即 m j = o( 3 。7 ) 若不考虑风流密度的变化，则流入与流出某节点的各分支的体积流量( 风量) 的代 数和等于零，即 q i = 0 ( 3 8 ) 对于整个通风网络，风量平衡定律可表示成如下矩阵方程： b q = 0 0 外 式中，b 为基本关联矩阵；q 为分支风量列向量，q = ( q l ，q 2 q n ) t 。， 3 2 2 风压平衡定律 风网的任何闭合回路内，各分支风压的代数和为零。分支风压包含通风阻力与通风 动力两部分。 对不含通风动力( 包括主要通风机、辅助通风机和自然风压) 的回路，若取顺时针 方向分支阻力为正，逆时针方向分支阻力为负，则各分支阻力的代数和为零，即 e 埒= o0 1 0 ) 对含风机、无自然风压的回路，各分支阻力的代数和等于该回路内各通风机风压的 代数和，即 h i = e h 6 ( 3 i i ) 若回路内既有风机、又有自然风压，则 h i 一b n e h s i = 0 ( 3 1 2 ) 即回路内各分支阻力的代数和等于该回路内通风机风压与自然风压的代数和。 3 2 3 阻力定律 井下正常风流一般均为紊流。各分支的风压与风量均符合紊流阻力定律。对风网而 言，将风网风阻以等值风阻r 代替，风网通过的总风量为q ，风网亦遵守阻力定律 h = r q 2 。 3 3 应用计算机解算通风网络 在生产矿井中，随着采掘工作面的向前推进或转移，通风网络中的风阻和风网的结 西安科技大学硕士学位论文 构将相应发生变化，风网内风流也随之发生变化。通风网络的动态特性就是指通风网络 的结构和分支风阻的变化对风流的大小和方向的影响规律。矿井通风网络中的这些影 响，使得所需的风量不断变化，因而需要及时对风量进行调节。风量调节对矿井安全和 节约通风能耗都有重大的影响。 本课题中对于矿井通风系统的动态分析，首先是采用基本关联矩阵来描述通风系 统，为了能够得到对通风系统进行动态控制调节所需要的关于通风网络特征值的网络风 量、风压以及风阻参数等值，有必要进行通风系统网络解算。由于矿井风网中各分支风 量与风阻间存在复杂的非线性关系，因此，其风量分配及调节方案不能用解析法直接求 解。随着计算机的普及，用计算机解算风网已较普遍m ，本节将介绍应用计算机进行通 风网络解算与调节的数学模型、算法等。 解算通风网络的各种数值法可分为两大类：一类是回路法，即首先根据节点风量平 衡定律假设初始风量，由回路风压平衡方程推导出风量修正计算式，逐步对风量进行修 正，直至满足回路风压平衡方程；另一类是节点法，即首先根据回路风压平衡定律假定 初始节点压力，由节点风量平衡方程推导出压力修正计算式，逐步对节点压力进行修正， 直至满足节点风量平衡方程。目前使用较广泛的是回路法【l 】【1 2 】1 1 4 1 ，也是本课题所采用的 方法。 3 3 1 通风网络解算的基本概念 汇总通风网络回路能量平衡方程的矩阵形式： c 叫g l 翘c 锡一c 够一巩= 0 ( 3 1 3 ) 和节点风量平衡方程的矩阵形式： q = c 1 q ， o 1 4 ) 对给定的通风网络，其独立回路矩阵c 是已知的，若所有分支的风阻、风机特性曲 线和自然风压已知，则方程( 3 1 3 ) 中只有独立分支( 即余树枝) 的风量未知。由于( 3 1 3 ) 中方程的个数n 等于独立分支个数n ，n - - n - m + i ，因此方程( 3 1 3 ) 有定解。当独立分支 风量计算出来后，由( 3 1 4 ) 式可计算出所有分支的风量。这种以自然的风网结构和分支 风阻求解风网内风量的自然分配的过程，称为自然分风计算。 3 3 2 通风网络解算数学模型 由( 3 1 3 ) 式，设 ， ，( g ) ；c i c 7 9 l 衄c 7 q ，一c h 一h n = 0 ( 3 1 5 ) 1 6 3 矿井通风网络分析 由于上式为非线性方程组，只能采取迭代法进行求解。 设第k 次迭代后的风量近似值为诺，将( 3 1 5 ) 式用泰勒级数展开并忽略二次以上微 分项得 故 删k + l ，f ( 咖矧西妨嘭= 。 ( 3 1 6 ) 谚= ( 、一o ；f ，1 。，- i 耐f ( 谚， ( 3 1 7 ) 式中，蟛= 彩“一谚，为独立回路风量的修正值列向量；若为雅可比矩阵， a ! f 蛾 锐 “ 锐 却一 弧 田n 锐 却，2 荔 a g ，2 钆 却，2 盟l f 既l 石i ；i 钆l 丽i j 。， 兹= 2 i 蛔c 考一西a h n 第k + 1 次迭代后的风量可由下式计算 q ：“= q ：+ q ； 上述式( 3 1 7 ) 和式( 3 2 0 ) 即为牛顿法解算通风网络的迭代计算模型。 若雅可比矩阵具有对角线优势，即 善殄薯蚤纠加， 却舞却耐。 。 ( 3 1 8 ) ( 3 1 9 ) ( 3 2 0 ) ( 3 2 0 则可略去雅可比矩阵的非对角元素，( 3 1 7 ) 式可简化为 咖一等芦l 玑 ( 3 2 2 ) a g 。 式( 3 2 2 ) 即为克劳斯叫c r o s s ) 近似试算法的计算公式，也有的称其为斯考德一恒斯雷斯 ( s t c - h i m l e y ) 法。 1 7 西安科技大学硕士学位论文 3 3 3 风量调节计算数学模型 本节仅介绍两种常用方法l l 】 ( 1 ) 独立回路法 回路法是事先人为地确定需进行调节的分支，将它们包含在通风网络的某一棵余树 中，其调节量大小由回路风压平衡方程即可算出。 设所有余树枝的风量均已确定，且可调节的分支包含在余树中。则有 趣，= c h 。( 3 2 3 ) 令h r = 网姆q = l c 7 9 i 瓤c 7 9 ( 3 2 4 ) 则可推导得， 凰，= c h f + h r c h r ( 3 2 5 ) 显然这种方法求出的调节方案的优劣完全取决于调节分支的选择。适用于调节点位 置确定后计算其调节量的大小。 ( 2 ) 固定风量法 这是一种在自然分风程序中加固定风量分支，以求解按需分风问题的方法。其实质 就是“回路法”。其算法原理是：求解时将固定风量分支选为独立分支( 余树枝) ，初拟 风量时先将固定风量加到其所在回路的所有分支中；此后在修正各回路风量的迭代计算 时把它从网络中分裂开，不进行迭代计算；在自然分风计算结果后，将固定风量分支所 在回路的风压闭合差作为该分支的阻力调节量。前一部分的自然分风计算，实际上就是 计算自然分风子网络的风量自然分配；后一部分计算调节量时，是假设需进行调节的分 支就是需风分支，因而根据回路风压平衡方程即可计算出调节量。 3 3 4 解算中自定义的函数及子程序 在进行程序设计时，可直接在程序中写入公式和过程。但是考虑到对一些复杂的计 算，公式较长，反复计算影响解算速度，故编程时对一些常用的公式或计算过程建立函 数或子程序，在程序中直接进行调用，引用时只要输入实参即可。简要说明如下： 3 矿井通风网络分析 3 4 本章小结 本章介绍了通风网络分析中所应用的图的一些基本概念和通风网络的形式与特性、 通风网络内风流变化的规律、通风网络动态特性分析以及应用计算机解算通风网络的算 法；详细推导了