五陽煤礦井下通風系統(tǒng)的優(yōu)化研究

李 允

（潞安化工集團五陽煤礦，山西 襄垣 046200）

五陽煤礦位于潞安礦區(qū)東北部邊緣，屬高瓦斯礦井，礦井瓦斯相對涌出量29.63 m3/t，礦井瓦斯絕對涌出量為101.71 m3/min。礦井通風方式為分區(qū)對角混合抽出式，南回風立井和北回風斜井分別安裝兩套對旋式風機，西山底回風立井安裝兩套軸流式主通風機。由于各個區(qū)域距離遠，通風系統(tǒng)相對分散，因此長期以來無法做到統(tǒng)一控制，均靠人工進行巡檢、調控，不僅效率低而且巡檢效果差，無法根據井下實際需求對通風機運行狀態(tài)進行調整，也無法對風機的運行情況進行實時監(jiān)測，導致通風能耗高、故障率高。

本文提出了一種新的煤礦井下通風控制系統(tǒng)，采用了集中控制、柔性調節(jié)模式，同時在系統(tǒng)中增加了故障自動診斷功能，不僅實現(xiàn)了對各區(qū)通風系統(tǒng)的集中控制，而且能夠根據井下的實際情況實現(xiàn)對風機運行狀態(tài)的靈活調整，滿足了柔性調節(jié)的需求，同時通過故障自動診斷系統(tǒng)實現(xiàn)了對風機運行故障的自動檢測預警。

1 礦井通風控制系統(tǒng)

根據五陽煤礦通風系統(tǒng)的實際情況，綜合改造成本、改造效益和改造可行性三個方面的因素，最終所確定的改造后通風系統(tǒng)的整體結構如圖1[1]。

圖1 五陽礦通風控制系統(tǒng)示意圖

由圖1 可知，改造后該控制系統(tǒng)主要包括了監(jiān)控對象模塊、數據信息采集模塊、信號轉換模塊以及人機界面四個部分。監(jiān)控對象模塊主要包括了通風機、電控柜、風門及變頻器，主要對其工作狀態(tài)進行監(jiān)測，滿足智能調控需求。數據信息采集模塊主要是利用設置在監(jiān)測對象或者井下的各類傳感器對影響監(jiān)測對象運行狀態(tài)的核心參數進行監(jiān)控，為進行通風系統(tǒng)調整提供數據支撐。信號轉換模塊主要是將各類傳感器監(jiān)測到的常量轉換為數字量信號，便于系統(tǒng)對監(jiān)測數據進行分析。人機界面主要包括工業(yè)以太網絡、計算機中心和監(jiān)控終端，主要用于顯示各通風系統(tǒng)的運行狀態(tài)及故障信息，還允許操作人員通過該操作界面進行遠程調整，滿足緊急情況下的調整需求。

2 通風機控制系統(tǒng)

為了滿足通風機集中控制、柔性調整的控制需求，結合五陽煤礦的實際情況，開發(fā)了一種全新的閉環(huán)反饋調節(jié)控制邏輯，該控制結構如圖2[2]。

圖2 礦井通風系統(tǒng)閉環(huán)控制邏輯

由圖2 可知，該控制系統(tǒng)在運行過程中，系統(tǒng)對監(jiān)測區(qū)域的風量、負壓、井下瓦斯、粉塵濃度等進行連續(xù)不斷的監(jiān)測，當監(jiān)測到目前的風量不能滿足井下通風安全性需求后，系統(tǒng)根據監(jiān)測結果所計算出的調整偏差量，輸出反饋調節(jié)信號，該信號經過濾波調整、PID 控制調整后轉換為輸出頻率信號XG，控制變頻器的輸出，進而實現(xiàn)對風機運轉狀態(tài)的柔性調節(jié)。為了滿足控制穩(wěn)定性的需求，在該系統(tǒng)中采用了對實際監(jiān)測數據進行雙重邏輯對比調整的模式，從而保證對通風系統(tǒng)調節(jié)的穩(wěn)定性。

由于五陽煤礦通風系統(tǒng)運行周期較長，為了確保在不同模式下井下的通風安全性能，在該控制系統(tǒng)內設置了故障下風機切換模式和正常情況下風機切換模式。若在正常情況下進行風機切換，則選擇等風量替代切換，對主風機和備用風機設置轉速聯(lián)動機制，根據主風機的運轉速度對備用風機的運轉速度進行調整，從而滿足不停機、不停風的切換需求。當在故障情況下，則系統(tǒng)快速切斷主風機的運行程序同時開啟備用風機的緊急啟動程序，實現(xiàn)最小風量損失情況下的風機切換。

3 風機故障診斷及預警系統(tǒng)

五陽煤礦項目組通過對大量的風機故障類型進行分析，采用故障樹分析的方式，建立了風機故障自動巡診系統(tǒng)[3]。該巡診系統(tǒng)基于監(jiān)控系統(tǒng)所監(jiān)測到的風機運行狀態(tài)數據，通過對異常數據逐級的分析，確定故障類別和解決方案。

診斷風機運行過程中的機械故障，則采用了SQL 數據庫方案[4]。收集不同故障下風機運行的診斷頻譜，將其轉換為特定的故障頻譜曲線存儲到數據庫內，當風機運行時系統(tǒng)對風機運轉頻譜進行監(jiān)測，若出現(xiàn)頻譜異常則系統(tǒng)進行報警并與數據庫內的故障頻譜進行匹配，最終確定故障類別。通風機運轉故障頻譜曲線如圖3。

圖3 通風機故障頻譜曲線

4 五陽煤礦應用情況

該通風控制系統(tǒng)已經在五陽煤礦穩(wěn)定運行約1年的時間，根據應用情況，目前已經取消了5 個井下通風巡查員，同時井下未再出現(xiàn)過因瓦斯、粉塵濃度超標而導致的生產事故。通過柔性調節(jié)模式，實現(xiàn)了通風系統(tǒng)耗電量降低14.6%，通風系統(tǒng)的運行故障率降低82.1%。目前該項目已經作為集團標桿項目在向兄弟單位推廣，獲得了極好的應用效果。五陽煤礦通風控制系統(tǒng)監(jiān)測界面如圖4。

圖4 通風系統(tǒng)監(jiān)測界面示意圖

5 結論

針對五陽煤礦通風系統(tǒng)分散度高、無法進行集中監(jiān)測控制、人工巡檢工作量大、效率低、可靠性差的現(xiàn)狀，提出了一種新的礦井通風系統(tǒng)優(yōu)化方案，采用了集中控制、柔性調節(jié)模式、故障自查的控制模式。根據實際應用表明，該系統(tǒng)提升了五陽煤礦的通風系統(tǒng)自動化程度，實現(xiàn)減員5 人，實現(xiàn)通風系統(tǒng)耗電量和運行故障率大幅度降低，極大地提升了礦井的通風安全性。