馬蘭礦主扇風(fēng)機(jī)風(fēng)量控制策略的優(yōu)化研究

王 凱

（西山煤電馬蘭礦， 山西 太原 030205）

引言

礦井通風(fēng)系統(tǒng)用于供給井下新鮮空氣，排出有害氣體及粉塵，從而保障井下人員的安全及煤礦安全生產(chǎn)的有序進(jìn)行。主扇風(fēng)機(jī)作為礦井通風(fēng)系統(tǒng)的核心組件和風(fēng)量來源，其安全性和穩(wěn)定性極其重要。同時，井下風(fēng)量、風(fēng)速又是一個動態(tài)的過程，需按一定要求安全穩(wěn)定地供給，因此，對主扇風(fēng)機(jī)的工作狀態(tài)、風(fēng)速、風(fēng)量的有序控制是一個重要的研究方向[1]。

馬蘭礦目前采用人工定時監(jiān)測主扇風(fēng)機(jī)運(yùn)行參數(shù)的方法，通過讀取儀表數(shù)據(jù)并進(jìn)行記錄的方式進(jìn)行井下風(fēng)量管理。該方法無法對井下各巷道進(jìn)行實時、定點(diǎn)的風(fēng)量管理，且風(fēng)機(jī)控制粗放，能源浪費(fèi)嚴(yán)重。

1 風(fēng)量的調(diào)節(jié)理論和監(jiān)測

根據(jù)典型風(fēng)機(jī)的負(fù)載特性曲線，通風(fēng)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)時，處于風(fēng)機(jī)負(fù)載特性曲線與系統(tǒng)阻力曲線的交點(diǎn)[2]，如圖1所示。

圖1 風(fēng)機(jī)負(fù)載特性與系統(tǒng)風(fēng)阻曲線

由圖1可以看出，相同的通風(fēng)量Q可以通過不同風(fēng)阻曲線和風(fēng)機(jī)負(fù)載曲線匹配得到，如上圖B、C點(diǎn)。而根據(jù)流體力學(xué)，風(fēng)機(jī)消耗的功率為P=KQH/η。

式中：Q為監(jiān)測點(diǎn)流量；H為氣壓；K為風(fēng)機(jī)常數(shù)；η為風(fēng)機(jī)效率。

對于將風(fēng)量Q1降到Q2，常用的方法為調(diào)節(jié)風(fēng)阻，即將A點(diǎn)工況變?yōu)锽點(diǎn)工況，此時節(jié)約的功率為：△PAB=△PA-△PB；而如果改為通過改變電機(jī)頻率來改變風(fēng)速時，當(dāng)風(fēng)量Q1降到Q2，即A點(diǎn)工況變?yōu)镃點(diǎn)工況，此時節(jié)約的功率為：△PAC=△PA-△PC。由上述可知，采用改變電機(jī)頻率比調(diào)節(jié)風(fēng)阻多節(jié)約的功率△P=△PAC-△PAB=（△PA-△PC）-（△PA-△PB）=△PB-△PC=KQ2H2/η-KQ2H3/η=KQ2（H2-H3）/η。因此，在改變相同的風(fēng)量下，可以通過不同的風(fēng)速和風(fēng)阻，調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)的實際使用功率，從而達(dá)到優(yōu)化主扇風(fēng)機(jī)風(fēng)量控制的目的。

風(fēng)量和風(fēng)壓是風(fēng)機(jī)的重要參數(shù)，關(guān)系著整個通風(fēng)系統(tǒng)控制策略的實施。風(fēng)量監(jiān)測一般布置在巷道的平直段，通過大口徑的風(fēng)量流量計進(jìn)行測量。

在馬蘭礦的風(fēng)量狀態(tài)監(jiān)測中，采用井下總回風(fēng)巷布置風(fēng)量測量器，該風(fēng)量測量器由兩個取壓管和壓力變送器組成，其中一個取壓管測量迎風(fēng)壓力，另一個取壓管背對風(fēng)流方向，取背風(fēng)壓力，最終接到壓力變送器，通過PLC變成風(fēng)量信號[3]，極大地簡化了測量難度。風(fēng)量測量方法如圖2所示。

圖2 風(fēng)量測量方法

2 主扇風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計

根據(jù)前述主扇風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的控制要求進(jìn)行風(fēng)量控制的實時監(jiān)控，目前，實時監(jiān)控系統(tǒng)依據(jù)結(jié)構(gòu)劃分主要有集散控制系統(tǒng)、現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)和工業(yè)以太網(wǎng)控制系統(tǒng)。依據(jù)馬蘭礦的現(xiàn)場實際，對其風(fēng)量控制采用工業(yè)以太網(wǎng)控制系統(tǒng)，即將系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)與信息管理層組成整體網(wǎng)絡(luò)，其總架構(gòu)如圖3所示。

圖3 主扇風(fēng)機(jī)系統(tǒng)架構(gòu)圖

根據(jù)上述系統(tǒng)架構(gòu)圖，其數(shù)據(jù)來源為現(xiàn)場儀表設(shè)備層。現(xiàn)場儀表設(shè)備層作為基礎(chǔ)層級，由各測量模塊、傳感器及執(zhí)行模塊組成。例如電機(jī)溫度、軸承溫度、風(fēng)量、負(fù)壓及電機(jī)控制器運(yùn)行參數(shù)等[4]。

集散控制層作為連接上層決策與底層數(shù)據(jù)之間的層級，包括PLC工作站和動態(tài)交互界面。PLC工作站主要實現(xiàn)儀表設(shè)備層的變量采集和相應(yīng)固定工況的執(zhí)行器邏輯響應(yīng)；動態(tài)交互界面提供人機(jī)交互，包括關(guān)鍵變量的顯示、固定控制指令的發(fā)布及日志的生成等。

對于風(fēng)量控制而言，主要涉及PLC工作站的模擬量采集和電機(jī)變頻器的邏輯控制。通過前述風(fēng)壓傳感器的模擬量采集，將迎風(fēng)壓力和背風(fēng)壓力信號輸入PLC，計算得到風(fēng)量信息，經(jīng)過數(shù)值轉(zhuǎn)換，將風(fēng)量信息通過人機(jī)交互界面顯示出來。同時，變頻器是風(fēng)量的執(zhí)行器，當(dāng)需風(fēng)量信息給定在系統(tǒng)，通過該點(diǎn)的風(fēng)量測量系統(tǒng)得到供給風(fēng)量，系統(tǒng)計算此時應(yīng)該給定的電機(jī)頻率，并通過PLC將電信號傳輸?shù)诫姍C(jī)。

信息管理層中，上位機(jī)根據(jù)系統(tǒng)要求，采用圖形化的界面顯示，對各部位傳感器狀態(tài)、溫度、風(fēng)壓、風(fēng)量及風(fēng)機(jī)和變頻器的狀態(tài)等信息進(jìn)行顯示，并對異常狀態(tài)進(jìn)行警示，主要用于異常工況的處置和主扇風(fēng)機(jī)日常調(diào)度。

本系統(tǒng)通過以太網(wǎng)進(jìn)行通信，各通信端口進(jìn)行相應(yīng)配置，使上位機(jī)I/O變量與下位機(jī)PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

3 風(fēng)量控制策略

根據(jù)馬蘭礦主扇風(fēng)機(jī)實際運(yùn)行參數(shù)，對上述風(fēng)量控制策略進(jìn)行實驗。系統(tǒng)給定需風(fēng)位置風(fēng)量為9 000 m3/min，系統(tǒng)輸出電機(jī)變頻器給定初始頻率，當(dāng)監(jiān)測風(fēng)量達(dá)不到需風(fēng)風(fēng)量時，頻率值快速響應(yīng)并使風(fēng)量不斷增大；當(dāng)實際風(fēng)量達(dá)到9 000 m3/min時，由于頻率比所需頻率較高，隨即變頻器將頻率降低，最終達(dá)到穩(wěn)定風(fēng)量。風(fēng)量調(diào)節(jié)實驗響應(yīng)曲線如圖4所示。

圖4 實驗響應(yīng)曲線

由此說明該系統(tǒng)通過風(fēng)量調(diào)節(jié)計算可以快速給定需風(fēng)量對應(yīng)的風(fēng)機(jī)頻率，并通過小幅調(diào)整達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，該系統(tǒng)無大幅波動，風(fēng)量超調(diào)量小，系統(tǒng)穩(wěn)定。

4 結(jié)論

1）通過風(fēng)機(jī)負(fù)載特性-風(fēng)阻特性研究找到風(fēng)量控制方法可有效降低主扇風(fēng)機(jī)能耗；

2）馬蘭礦主扇風(fēng)機(jī)系統(tǒng)架構(gòu)可及時有效的監(jiān)控各需風(fēng)點(diǎn)的狀態(tài)并對其風(fēng)量進(jìn)行控制；

3）本風(fēng)量控制系統(tǒng)穩(wěn)定，對井下需風(fēng)點(diǎn)風(fēng)量供給超調(diào)量小。