煤礦局部通風(fēng)機(jī)風(fēng)量智能控制系統(tǒng)研究及應(yīng)用

李團(tuán)結(jié) ，黃維明 ，潘偉華 ，黨利鵬 ，諸德云 ，郭文芳 ，李 博

（1.陜西陜煤黃陵礦業(yè)有限公司, 陜西 延安 716000；2.西安重裝韓城煤礦機(jī)械有限公司, 陜西 韓城 715400）

0 引 言

局部通風(fēng)機(jī)需執(zhí)行每天切換主、備通風(fēng)機(jī)的操作。高瓦斯礦井切換通風(fēng)機(jī)的過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)短暫停風(fēng)，容易引發(fā)瓦斯超限甚至瓦斯爆炸事故。與此同時(shí)，巷道在掘進(jìn)過(guò)程中需要固定風(fēng)量供風(fēng)，風(fēng)筒延長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致漏風(fēng)量增加，需要操作人員不斷調(diào)節(jié)變頻器運(yùn)行頻率，把風(fēng)量調(diào)節(jié)到要求值，這種工作方法效率比較低下。因此，增加電動(dòng)風(fēng)門(mén)配合通風(fēng)機(jī)自動(dòng)切換實(shí)現(xiàn)不停風(fēng)切換尤為必要。

在局部通風(fēng)機(jī)的控制方面，目前國(guó)內(nèi)常用的局部通風(fēng)機(jī)風(fēng)量自動(dòng)調(diào)節(jié)方式主要有進(jìn)口導(dǎo)向器調(diào)節(jié)法和變頻調(diào)速調(diào)節(jié)法，其中變頻調(diào)速調(diào)節(jié)憑借其智能化和經(jīng)濟(jì)性方面的優(yōu)勢(shì)成為局部通風(fēng)機(jī)風(fēng)量智能控制的熱門(mén)發(fā)展方向[1-3]。在該領(lǐng)域，姚昕等[4]以對(duì)旋軸流式局部通風(fēng)機(jī)為對(duì)象，研究和設(shè)計(jì)了基于可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，簡(jiǎn)稱(chēng)PLC）的礦井局部通風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)下的瓦斯?jié)舛戎悄芸刂葡到y(tǒng)；吳銀成[5]設(shè)計(jì)一種采用XMC4500 的低成本局部通風(fēng)機(jī)用雙電源雙變頻調(diào)速器設(shè)計(jì)方案；張峰[6]對(duì)局部通風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)現(xiàn)狀進(jìn)行分析，并對(duì)PLC 變頻調(diào)速系統(tǒng)在煤礦通風(fēng)機(jī)中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)和井下局部通風(fēng)機(jī)瓦斯?jié)舛茸詣?dòng)調(diào)節(jié)控制技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)探究；董甲武等[7]設(shè)計(jì)了一套能夠?qū)崿F(xiàn)局部通風(fēng)機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)監(jiān)控的系統(tǒng)；孫會(huì)民等[8]研制了一種雙通風(fēng)機(jī)自動(dòng)切換控制器，該控制器具有對(duì)雙通風(fēng)機(jī)或雙旋通風(fēng)機(jī)自動(dòng)倒臺(tái)和監(jiān)測(cè)功能；陳東科等[9]研制了一種KJD11 型局部通風(fēng)機(jī)自動(dòng)切換監(jiān)控器。

雖然目前對(duì)局部通風(fēng)機(jī)的智能控制及運(yùn)行監(jiān)測(cè)等方面研究較多，但對(duì)于局部通風(fēng)恒定風(fēng)量條件下局部通風(fēng)機(jī)智能切換方面研究較少。針對(duì)以上現(xiàn)狀，分析了局部通風(fēng)機(jī)恒定風(fēng)量切換原理，在礦用局部通風(fēng)機(jī)PLC 變頻調(diào)速控制的基礎(chǔ)上，引入了比例-積分-微分（Proportion Integration Differentiation，簡(jiǎn)稱(chēng)PID）控制系統(tǒng)，測(cè)試分析了通風(fēng)機(jī)在運(yùn)行及切換過(guò)程中的風(fēng)量平穩(wěn)工況；設(shè)計(jì)并研發(fā)了一種礦用局部通風(fēng)機(jī)智能遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，系統(tǒng)中安裝了多種監(jiān)控傳感器（溫度、風(fēng)壓、風(fēng)速、振動(dòng)、噪聲等），實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)通風(fēng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中的參數(shù)變化，實(shí)現(xiàn)了通風(fēng)機(jī)切換過(guò)程中風(fēng)量恒定和通風(fēng)機(jī)運(yùn)行參數(shù)的遠(yuǎn)程、實(shí)時(shí)地監(jiān)控。研究結(jié)果能夠高效保障巷道通風(fēng)機(jī)切換過(guò)程中供給風(fēng)量的穩(wěn)定性，促進(jìn)局部通風(fēng)機(jī)的高效、節(jié)能及安全運(yùn)行。

1 恒定風(fēng)量切換原理

1.1 工作面風(fēng)量計(jì)算

根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》按照瓦斯涌出量計(jì)算采煤面的需風(fēng)量，計(jì)算公式（1）如下[10]：

式中：Qc為采煤工作面的需風(fēng)量，m3/min；qws為采煤工作面的絕對(duì)瓦斯涌出量，m3/min；Kc為采煤工作面的瓦斯涌出不均衡系數(shù)，其為工作面瓦斯絕對(duì)涌出量的最大值和平均值之比。

按工作人員數(shù)量驗(yàn)算計(jì)算時(shí)，計(jì)算公式如下：

式中：N為掘進(jìn)工作面同時(shí)工作的最多人數(shù)；K為備用系數(shù)。

根據(jù)工作面最大和最小風(fēng)速要求，風(fēng)量Qc須滿(mǎn)足：

式中：Vmin為掘進(jìn)工作面的最低風(fēng)速，m/s；Vmax為掘進(jìn)工作面的最高風(fēng)速，m/s；S為掘進(jìn)工作面巷道的凈斷面積，m2。

對(duì)于局部通風(fēng)機(jī)而言，考慮風(fēng)筒漏風(fēng)影響，通風(fēng)機(jī)出口風(fēng)量Qf滿(mǎn)足：

式中：Qf為通風(fēng)機(jī)出口風(fēng)量，m3/s；D為風(fēng)筒直徑，m；P為漏風(fēng)系數(shù)；Vc為風(fēng)筒出口風(fēng)速，m/s；k為修正系數(shù)。

當(dāng)通風(fēng)機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定時(shí)，通風(fēng)機(jī)的風(fēng)壓、風(fēng)量、功率和轉(zhuǎn)速有以下比例關(guān)系[11]：

式中：n1、n2為通風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)前后的轉(zhuǎn)速，r/min；Q1、Q2為通風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)前后的風(fēng)量，m3/s；P1、P2為通風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)前后的風(fēng)壓，Pa；Pxh1、Pxh2為通風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)前后的功率，W。

根據(jù)最大用風(fēng)量將局部通風(fēng)機(jī)選定后，在工作面不同掘進(jìn)階段遠(yuǎn)程設(shè)定通風(fēng)機(jī)的供風(fēng)量，自動(dòng)調(diào)節(jié)當(dāng)前出口風(fēng)量。實(shí)現(xiàn)了節(jié)能運(yùn)轉(zhuǎn)，同時(shí)避免不斷更換大功率局部通風(fēng)機(jī)的麻煩，提高工作效率。

1.2 風(fēng)量調(diào)節(jié)基本原理

1）瓦斯涌出反饋調(diào)節(jié)。礦井采掘工作面及其他作業(yè)點(diǎn)風(fēng)流中，瓦斯體積分?jǐn)?shù)達(dá)到1.5%時(shí)，必須停止工作，切斷電源撤出人員，立即進(jìn)行排瓦斯[12-16]。瓦斯的涌出隨機(jī)并不可預(yù)測(cè)，因此需要預(yù)設(shè)瓦斯?jié)舛萈ID 控制參考值，使用PID 控制方法得到通風(fēng)機(jī)所需設(shè)定頻率。PID 控制器由比例單元、積分單元和微分單元組成。PID 控制的基礎(chǔ)是比例控制。積分控制可消除穩(wěn)態(tài)誤差，但可能增加超調(diào)。微分控制可加快大慣性系統(tǒng)響應(yīng)速度以及減弱超調(diào)趨勢(shì)。由于煤礦實(shí)際生產(chǎn)的需要，工作面需風(fēng)量在一定范圍區(qū)間，如果PID 計(jì)算的通風(fēng)機(jī)頻率在實(shí)際工作面需風(fēng)量區(qū)間內(nèi)則直接輸出給通風(fēng)機(jī)變頻器；如果低于實(shí)際工作面需風(fēng)量區(qū)間的最小值則輸出最小值；如果高于實(shí)際工作面需風(fēng)量區(qū)間的最大值則輸出最大值，使掘進(jìn)工作面瓦斯?jié)舛冉档揭?guī)定安全標(biāo)準(zhǔn)。風(fēng)量調(diào)節(jié)原理如圖1 所示。

圖1 瓦斯?jié)舛确答佌{(diào)節(jié)原理Fig.1 Principle of gas concentration feedback regulation

2）風(fēng)筒漏風(fēng)調(diào)節(jié)。通過(guò)安裝在通風(fēng)機(jī)出風(fēng)口的風(fēng)速傳感器監(jiān)測(cè)通風(fēng)機(jī)出口風(fēng)量，在生產(chǎn)前期實(shí)際測(cè)量得到風(fēng)筒的百米漏風(fēng)率，用戶(hù)每天交接班輸入總掘進(jìn)長(zhǎng)度，自動(dòng)控制軟件控制通風(fēng)機(jī)變頻器使通風(fēng)機(jī)實(shí)際出口風(fēng)量=工作面需風(fēng)量+通風(fēng)機(jī)實(shí)際出口風(fēng)量×百米漏風(fēng)率×(總掘進(jìn)長(zhǎng)度/100)。百米漏風(fēng)率可根據(jù)公式（8）測(cè)得。

式中：Q500為500 m 處風(fēng)筒風(fēng)量；Qf為通風(fēng)機(jī)出口風(fēng)量；Q0為風(fēng)筒進(jìn)風(fēng)處風(fēng)量，m3/s。

3）通風(fēng)機(jī)切換恒定風(fēng)量調(diào)節(jié)。局部通風(fēng)機(jī)需執(zhí)行每天切換主備通風(fēng)機(jī)的操作，針對(duì)高瓦斯礦井，切換通風(fēng)機(jī)的過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)短暫停風(fēng)可能引發(fā)瓦斯超限，因此增加電動(dòng)風(fēng)門(mén)配合通風(fēng)機(jī)自動(dòng)切換實(shí)現(xiàn)不停風(fēng)切換通風(fēng)機(jī)尤為必要[17-20]。主副通風(fēng)機(jī)切換過(guò)程為先啟動(dòng)原靜止通風(fēng)機(jī)，同時(shí)原運(yùn)行通風(fēng)機(jī)按固定步幅降頻一次，原靜止通風(fēng)機(jī)按固定步幅升頻一次，固定步幅為原通風(fēng)機(jī)運(yùn)行頻率與預(yù)設(shè)切換中脈動(dòng)次數(shù)的比值，同時(shí)按固定開(kāi)度調(diào)節(jié)步幅調(diào)節(jié)一次（固定開(kāi)度調(diào)節(jié)步幅=100 預(yù)設(shè)切換中脈動(dòng)次數(shù)-1），打開(kāi)原靜止通風(fēng)機(jī)風(fēng)門(mén)關(guān)閉原運(yùn)行通風(fēng)機(jī)風(fēng)門(mén)。每一次風(fēng)門(mén)和變頻器頻率調(diào)節(jié)后如果發(fā)現(xiàn)超調(diào)情況不需要對(duì)風(fēng)門(mén)進(jìn)行反向控制，系統(tǒng)自動(dòng)對(duì)兩臺(tái)通風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行固定步幅調(diào)節(jié)。若風(fēng)量偏大則原運(yùn)行通風(fēng)機(jī)降頻，若風(fēng)量偏小則原靜止通風(fēng)機(jī)升頻，進(jìn)行快速風(fēng)量修正，修正完成后就進(jìn)行下一個(gè)調(diào)節(jié)控制過(guò)程。整個(gè)調(diào)節(jié)過(guò)程中逐步減小原運(yùn)行通風(fēng)機(jī)風(fēng)門(mén)開(kāi)度加大原靜止通風(fēng)機(jī)風(fēng)門(mén)開(kāi)度，逐步減小原運(yùn)行通風(fēng)機(jī)運(yùn)行頻率加大原靜止通風(fēng)機(jī)運(yùn)行頻率，直到最后原靜止通風(fēng)機(jī)風(fēng)門(mén)全開(kāi)（同時(shí)升頻到所需頻率），原運(yùn)行通風(fēng)機(jī)風(fēng)門(mén)全關(guān)（同時(shí)降頻到0 頻率），停止原運(yùn)行通風(fēng)機(jī)。在主副通風(fēng)機(jī)切換過(guò)程中影響風(fēng)量變化的是預(yù)設(shè)切換中脈動(dòng)次數(shù)，脈動(dòng)次數(shù)越大，則切換過(guò)程中風(fēng)量越穩(wěn)定，切換過(guò)程越長(zhǎng)；脈動(dòng)次數(shù)越小，則切換過(guò)程中風(fēng)量變化越大，切換過(guò)程越短。

風(fēng)量恒定調(diào)節(jié)系統(tǒng)主要由礦用雙電源變頻調(diào)速裝置、局部通風(fēng)機(jī)、電動(dòng)蝶閥、雙電源切換開(kāi)關(guān)、傳感（變送）器、通信裝置組成。目的是為了使局部通風(fēng)機(jī)切換過(guò)程中保持風(fēng)量恒定不變，同時(shí)杜絕了切換過(guò)程風(fēng)量過(guò)大對(duì)風(fēng)筒造成的機(jī)械沖擊，電動(dòng)風(fēng)門(mén)和通風(fēng)機(jī)運(yùn)行頻率跟隨輸出風(fēng)量變化而變化，從而降低切換過(guò)程中風(fēng)量不夠的問(wèn)題。通風(fēng)機(jī)切換恒定風(fēng)量調(diào)節(jié)原理如圖2 所示。由通風(fēng)機(jī)的運(yùn)行特性（式(5)）可知，風(fēng)量與電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在一定時(shí)間段內(nèi)成正比關(guān)系，風(fēng)量調(diào)節(jié)閉環(huán)控制中，采用實(shí)時(shí)平均風(fēng)量作為反饋量進(jìn)行風(fēng)量調(diào)節(jié)。控制原理圖如圖3 所示。

圖2 風(fēng)機(jī)切換恒定風(fēng)量調(diào)節(jié)原理Fig.2 Principle diagram of fan switching constant air volume regulation

圖3 風(fēng)量反饋調(diào)節(jié)原理Fig.3 Schematic diagram of air volume feedback regulation

圖3 中參數(shù)KP、KI、KD分別表示模糊PID 控制的三個(gè)參數(shù)，分別為比例參數(shù)、微分參數(shù)和積分參數(shù)；e和Δe分別表示誤差和誤差率。

通過(guò)給定工作面所需風(fēng)量Q1減去測(cè)量平均風(fēng)量Q2得到誤差e,誤差率e為

進(jìn)一步地，PID 控制器和模糊控制器進(jìn)行誤差分析，模糊控制器根據(jù)模糊推理取得PID 運(yùn)算所需參數(shù)。然后PID 控制器輸出量u，控制變頻器輸出相應(yīng)頻率，得到相應(yīng)風(fēng)量。模糊控制PID 控制器通過(guò)PLC 編程來(lái)實(shí)現(xiàn)，控制算法如式（10）所示[10]:

式中：u(Q2)為控制輸出量；e(Q2)為誤差值；Kp為比例系數(shù)；KI為積分系數(shù)；KD為微分系數(shù)；ε(t)為初始風(fēng)量。

2 恒定風(fēng)量智能控制系統(tǒng)

1）系統(tǒng)框架。礦用局部通風(fēng)機(jī)智能遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)由ZFJ1140 局部通風(fēng)機(jī)智能監(jiān)控裝置、礦用雙通風(fēng)機(jī)雙電源組合變頻器、低噪聲局部通風(fēng)機(jī)三大部分組成。ZFJ1140 煤礦局部通風(fēng)機(jī)智能監(jiān)控裝置包含地面PC 機(jī)、礦用隔爆型可編程控制箱、電動(dòng)蝶閥、雙電源切換開(kāi)關(guān)、多種監(jiān)測(cè)監(jiān)控傳感器（涵蓋溫度、風(fēng)壓、風(fēng)速、振動(dòng)、噪聲）。系統(tǒng)原理如圖4 所示。ZFJ1140 局部通風(fēng)機(jī)智能監(jiān)控裝置中選用ABB PM564-ETH 型PLC，它具有緊湊的設(shè)計(jì)良好的拓展性、高可靠性、強(qiáng)大的通訊功能，可滿(mǎn)足小規(guī)?？刂葡到y(tǒng)的要求。還搭載了工業(yè)交換機(jī)方便其他設(shè)備的接入，并配備了大容量不間斷電源，用于電源故障后能夠持續(xù)維持控制箱正常工作。

圖4 礦用局部通風(fēng)機(jī)智能遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)Fig.4 Intelligent remote control system of local mine fan

2）硬件開(kāi)發(fā)。低噪聲局部通風(fēng)機(jī)則采用長(zhǎng)環(huán)形消聲集流器結(jié)構(gòu)。在相同風(fēng)量下，進(jìn)氣壓力損失小，因此采用長(zhǎng)環(huán)形消聲集流器以達(dá)到降噪效果最好，流動(dòng)風(fēng)量損失最小的目的。通風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 低噪聲局部通風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)和實(shí)物Fig.5 Low-noise local ventilator design and physical drawing

3）軟件開(kāi)發(fā)。選用WinCC 組態(tài)軟件設(shè)計(jì)礦用局部通風(fēng)機(jī)在線監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)局部通風(fēng)機(jī)的運(yùn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，設(shè)備運(yùn)行電流、電壓、風(fēng)量、瓦斯?jié)舛取㈦姍C(jī)震動(dòng)、溫度等關(guān)鍵參量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，軟件操作如圖6 所示。①局部通風(fēng)機(jī)配電點(diǎn)總覽界面。通過(guò)界面可對(duì)10 個(gè)配電點(diǎn)運(yùn)行情況進(jìn)行瀏覽，實(shí)時(shí)查看運(yùn)行狀態(tài)，電壓、電流、風(fēng)量、通訊狀態(tài)等主要參數(shù)。②主控界面。通過(guò)此界面可實(shí)現(xiàn)局部通風(fēng)機(jī)配電點(diǎn)電力監(jiān)控以及局部通風(fēng)機(jī)切換等操作，可具體查看設(shè)備運(yùn)行電流、電壓、通訊狀態(tài)、瓦斯等氣體濃度、風(fēng)量、噪聲、累計(jì)運(yùn)行時(shí)間、單次運(yùn)行時(shí)間。③報(bào)警查詢(xún)。根據(jù)報(bào)警重要程度為報(bào)警、警告、故障3 類(lèi)，分別設(shè)置不同的顏色，告警到達(dá)和離開(kāi)分別使用不同的顏色表示，對(duì)告警持續(xù)時(shí)間自動(dòng)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。除了告警和狀態(tài)，操作記錄也會(huì)被記錄。④Web 瀏覽器。可在內(nèi)網(wǎng)其他電腦上通過(guò)IE 瀏覽器打開(kāi)相應(yīng)網(wǎng)頁(yè)訪問(wèn)該系統(tǒng)，查看所有局部通風(fēng)機(jī)實(shí)時(shí)運(yùn)行情況、參數(shù)設(shè)置、實(shí)時(shí)告警和歷史告警。

圖6 系統(tǒng)軟件操作界面Fig.6 Operating interface of system software

3 性能測(cè)試

為得出通風(fēng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行效率，在保證通入通風(fēng)機(jī)風(fēng)量不變的條件下，分別在通風(fēng)機(jī)風(fēng)筒上進(jìn)氣處、側(cè)進(jìn)氣處，通風(fēng)機(jī)集流器進(jìn)氣通道、出氣通道4 個(gè)地方安設(shè)多個(gè)測(cè)試點(diǎn)（圖7），進(jìn)行局部通風(fēng)機(jī)空氣動(dòng)力性能測(cè)試。

圖7 測(cè)試位置示意Fig.7 Schematic of the test location

1）風(fēng)筒上進(jìn)氣處空氣動(dòng)力性能測(cè)試。在通風(fēng)機(jī)風(fēng)筒上進(jìn)氣處管道內(nèi)文丘里噴管間隔相同距離安設(shè)10 個(gè)測(cè)試點(diǎn)（圖8），記錄不同測(cè)試點(diǎn)截面的風(fēng)壓和風(fēng)流容積流量，測(cè)試數(shù)據(jù)如圖9 所示。隨著測(cè)試點(diǎn)變化，風(fēng)筒管徑逐漸減小，風(fēng)筒截面處的容積流量相應(yīng)減小，通風(fēng)機(jī)壓力相應(yīng)增大，測(cè)試點(diǎn)1 處風(fēng)流容積流量最大，容積流量值為1 048 m3/min；測(cè)試點(diǎn)10 處風(fēng)流容積流量最小，容積流量值為846.22 m3/min。

圖8 文丘里管測(cè)點(diǎn)布置Fig.8 Schematic of test points in Venturi pipe

圖9 上進(jìn)氣各測(cè)試點(diǎn)處測(cè)量風(fēng)壓變化Fig.9 Variation diagram of measured pressure change

由于風(fēng)筒筒壁并不是絕對(duì)光滑的，風(fēng)流沿風(fēng)筒流動(dòng)會(huì)存在摩擦阻力和局部阻力。考慮風(fēng)筒漏風(fēng)等因素的影響，不同測(cè)試點(diǎn)測(cè)出的測(cè)試壓力和計(jì)算壓力會(huì)存在偏差，實(shí)際偏差情況如圖10 所示。隨著測(cè)試點(diǎn)1～10 測(cè)量風(fēng)壓不斷變化，風(fēng)壓測(cè)量誤差很小，基本維持在3.0%～3.5%，說(shuō)明試驗(yàn)數(shù)據(jù)精度基本滿(mǎn)足要求。由圖10 可知，伴隨著測(cè)試點(diǎn)增加，通風(fēng)機(jī)全壓效率在80%～85%內(nèi)波動(dòng)。

圖10 上進(jìn)氣各測(cè)試點(diǎn)風(fēng)機(jī)全壓效率變化Fig.10 Variation diagram of fan total pressure

2）風(fēng)筒側(cè)進(jìn)氣處空氣動(dòng)力性能測(cè)試。在通風(fēng)機(jī)風(fēng)筒側(cè)進(jìn)氣處管道內(nèi)文丘里噴管間隔相同距離安設(shè)12 個(gè)測(cè)試點(diǎn)，測(cè)試數(shù)據(jù)如圖11 所示。與通風(fēng)機(jī)風(fēng)筒上進(jìn)氣口規(guī)律相似，隨著測(cè)試點(diǎn)的增大，風(fēng)筒管徑逐漸減小，風(fēng)筒截面處的風(fēng)量也相應(yīng)減小，測(cè)量風(fēng)壓相應(yīng)增大，測(cè)量風(fēng)壓與標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)壓誤差很小，基本維持在3%左右。由圖12 所示，伴隨著測(cè)試點(diǎn)增加，通風(fēng)機(jī)全壓效率在82.5%～85.0%內(nèi)不斷波動(dòng)，測(cè)試點(diǎn)4 和7 通風(fēng)機(jī)全壓效率值處于波峰位置，其值達(dá)至85%，說(shuō)明測(cè)試點(diǎn)4 和7 處通風(fēng)機(jī)全壓效率最能滿(mǎn)足要求。

圖11 側(cè)進(jìn)氣各測(cè)試點(diǎn)處測(cè)量風(fēng)壓變化Fig.11 Variation diagram of measured pressure change

3）集流器進(jìn)氣通道空氣動(dòng)力性能測(cè)試。在通風(fēng)機(jī)集流器進(jìn)氣通道錐形進(jìn)氣口處間隔相同距離安設(shè)15 個(gè)測(cè)試點(diǎn)，記錄不同測(cè)試點(diǎn)截面的風(fēng)壓及風(fēng)流容積流量，測(cè)試數(shù)據(jù)如圖13 所示。隨著測(cè)試點(diǎn)增大，容積流量不斷降低，測(cè)試點(diǎn)1 處容積流量最大，為1 058.32 m3/min，其與測(cè)試點(diǎn)10 處差值達(dá)到272.12 m3/min。

圖13 集流器進(jìn)氣通道各測(cè)試點(diǎn)風(fēng)壓Fig.13 Variation diagram of measured pressure change

隨著測(cè)試點(diǎn)不斷增加，測(cè)量風(fēng)壓與標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)壓變化趨勢(shì)一致，其誤差值逐漸增大，但風(fēng)壓誤差率很小，基本在3%上下波動(dòng)。由圖14 可知，伴隨著測(cè)試點(diǎn)變化，通風(fēng)機(jī)全壓效率呈波浪形波動(dòng)，測(cè)試點(diǎn)2 和10 處，通風(fēng)機(jī)全壓效率值最高，達(dá)到了85%。

圖14 集流器進(jìn)氣通道各測(cè)試點(diǎn)全壓效率Fig.14 Variation diagram of fan total pressure

4）集流器出氣通道空氣動(dòng)力性能測(cè)試。在通風(fēng)機(jī)集流器出氣通道內(nèi)ISO 文丘里噴管間隔相同距離安設(shè)11 個(gè)測(cè)試點(diǎn)，記錄不同測(cè)試點(diǎn)截面的風(fēng)壓及風(fēng)流容積流量變化，測(cè)試數(shù)據(jù)如圖15 所示。隨著點(diǎn)增加，容積流量不斷減小，測(cè)試點(diǎn)1 處容積流量為1 121.45 m3/min，測(cè)試點(diǎn)11 處風(fēng)流容積流量為

圖15 集流器出氣通道各測(cè)試點(diǎn)風(fēng)壓Fig.15 Variation diagram of measured pressure change

820.26 m3/min。

隨著測(cè)試點(diǎn)不斷增加，測(cè)量風(fēng)壓與標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)壓，風(fēng)壓誤差基本維持在區(qū)間3%～3.5%波動(dòng)。由圖16 可知，伴隨著工況點(diǎn)增加，通風(fēng)機(jī)全壓效率基本維持在區(qū)間82.5%～85%波動(dòng)。

圖16 集流器出氣通道各測(cè)試點(diǎn)全壓效率Fig.16 Variation diagram of fan total pressure

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

在通風(fēng)機(jī)切換恒定風(fēng)量自動(dòng)控制現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用前，需要對(duì)通風(fēng)機(jī)進(jìn)行恒定風(fēng)量測(cè)試。先在控制系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置界面設(shè)定“預(yù)設(shè)切換中脈動(dòng)次數(shù)”，然后在主控制界面選擇投入“不停風(fēng)倒機(jī)功能”，再進(jìn)行主通風(fēng)機(jī)切副通風(fēng)機(jī)和副通風(fēng)機(jī)切主通風(fēng)機(jī)，記錄切換過(guò)程中的風(fēng)量最大值、切換完成時(shí)間。測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。6 次實(shí)驗(yàn)的“預(yù)設(shè)切換中脈動(dòng)次數(shù)”設(shè)定從140 降到60 次，切換反應(yīng)時(shí)間由260 s 左右降低到120 s 左右，風(fēng)量變化由平均4.97%增加到12.98%，最后在切換時(shí)間和風(fēng)量穩(wěn)定性上取折中點(diǎn)，即“預(yù)設(shè)切換中脈動(dòng)次數(shù)”設(shè)為80 次時(shí)的效果最合適。

表1 智能局部通風(fēng)機(jī)恒定風(fēng)量切換測(cè)試Table 1 Test table for constant air volume switching of intelligent local ventilator

現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用選擇在陜煤黃陵礦業(yè)集團(tuán)一號(hào)煤礦1010 輔運(yùn)巷道，掘進(jìn)巷道全長(zhǎng)2 781.6 m。ZFJ1140型（2×45 kW）局部通風(fēng)機(jī)組安裝于北一進(jìn)風(fēng)巷，為掘進(jìn)工作面通風(fēng)用的局部通風(fēng)機(jī)，為1010 輔運(yùn)巷道提供新鮮風(fēng)，如圖17 所示。通風(fēng)機(jī)切換期間巷道風(fēng)量變化如圖18 所示，圖中紅線是切換過(guò)程風(fēng)量，包括切換前，切換開(kāi)始，切換中，切換結(jié)束后的風(fēng)量數(shù)據(jù)。為了能夠更直觀展現(xiàn)整個(gè)過(guò)程的風(fēng)量變化規(guī)律，故提供了整個(gè)切換過(guò)程的風(fēng)量，可以看出，風(fēng)量整體變化控制在8.89%以?xún)?nèi)，實(shí)現(xiàn)了預(yù)定目標(biāo)。并且，通過(guò)智能化變頻控制，剛開(kāi)始掘進(jìn)過(guò)程中風(fēng)量需求不大，所以通風(fēng)機(jī)可在低頻狀態(tài)下運(yùn)行，可節(jié)省大量電費(fèi)。同時(shí)，局部通風(fēng)機(jī)的參數(shù)可在上位機(jī)遠(yuǎn)程設(shè)置，遠(yuǎn)程切換通風(fēng)機(jī)，試驗(yàn)防爆開(kāi)關(guān)，減少了通風(fēng)機(jī)操作人員。以一個(gè)礦井3 個(gè)局部通風(fēng)機(jī)，每個(gè)局扇點(diǎn)3 個(gè)崗位工為例，可綜合節(jié)省電費(fèi)和人工費(fèi)用95 萬(wàn)元以上。此外，意外停電、停風(fēng)以后在地面集控室電腦集中快速恢復(fù)送電送風(fēng)功能降低了瓦斯超限的可能性，保障了長(zhǎng)距離巷道安全掘進(jìn)。

圖17 1010 輔助運(yùn)輸巷通風(fēng)機(jī)安裝位置Fig.17 Installation position of No.1010 auxiliary duct fan

圖18 風(fēng)機(jī)切換期間巷道風(fēng)量變化Fig.18 Variation of air volume during fan switching

5 結(jié) 論

1）開(kāi)發(fā)了一種礦用局部通風(fēng)機(jī)智能遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，通過(guò)在主、輔通風(fēng)機(jī)風(fēng)筒上增設(shè)電動(dòng)風(fēng)門(mén)，利用模糊PID 控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)運(yùn)行頻率配合風(fēng)門(mén)自動(dòng)切換，保證風(fēng)機(jī)運(yùn)行以及切換過(guò)程中供風(fēng)量平穩(wěn)；在運(yùn)行系統(tǒng)中ZFJ1140 局部通風(fēng)機(jī)智能監(jiān)控裝置，可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控風(fēng)機(jī)各個(gè)參數(shù)（如電流、電壓、風(fēng)量、瓦斯?jié)舛?、電機(jī)震動(dòng)、溫度）等的運(yùn)行狀態(tài)，保證風(fēng)機(jī)平穩(wěn)、安全、高效運(yùn)行。高效運(yùn)行。

2）在通風(fēng)機(jī)風(fēng)筒上進(jìn)氣處、側(cè)進(jìn)氣處，通風(fēng)機(jī)集流器進(jìn)氣通道、出氣通道4 個(gè)地方開(kāi)展了多個(gè)測(cè)試點(diǎn)進(jìn)行通風(fēng)機(jī)的空氣動(dòng)力性能測(cè)試，得出通風(fēng)機(jī)的空氣動(dòng)力性能較好，通風(fēng)機(jī)全壓效率在區(qū)間82.5%～80.0%內(nèi)波動(dòng)。

3）在陜煤黃陵礦業(yè)集團(tuán)一號(hào)煤礦1010 輔運(yùn)巷道應(yīng)用表明，通風(fēng)機(jī)切換期間巷道風(fēng)量變化控制在8.89%以?xún)?nèi)，與傳統(tǒng)局部通風(fēng)機(jī)相比，根據(jù)最大用風(fēng)量將智能局部通風(fēng)機(jī)選定后，在工作面初始掘進(jìn)階段只需低頻運(yùn)行通風(fēng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能運(yùn)轉(zhuǎn)；在工作面掘進(jìn)距離加大后自動(dòng)增加頻率穩(wěn)定風(fēng)量；避免不斷更換大功率局部通風(fēng)機(jī)的麻煩，提高了工作效率；智能局部通風(fēng)機(jī)的恒定風(fēng)量切換功能大減少了每天主副通風(fēng)機(jī)切換過(guò)程中工作面瓦斯?jié)舛瘸瑯?biāo)的風(fēng)險(xiǎn)；以上優(yōu)勢(shì)可以為煤礦安全生產(chǎn)節(jié)省大量的人力物力及財(cái)力。