王家?guī)X煤礦掘進工作面智能通風管控系統(tǒng)

孫 峰，李紅波，張 金

（中煤華晉集團有限公司 王家?guī)X礦，山西 河津 043301）

目前，中國的一次能源消費中,燃煤的使用率達到了56%[1]，在中國燃料消費中仍將一直處于主導地位。鑒于開采深度的加大和因此而發(fā)生的煤礦自然災害的頻率增加，在保持高效生產(chǎn)的同時保障安全生產(chǎn)成為當下亟需解決的問題[2-5]。

礦井通風系統(tǒng)是礦山生產(chǎn)過程中的必不可少的一個組成部分,在礦井安全生產(chǎn)中有著重要作用，因通風系統(tǒng)出現(xiàn)故障所導致的煤塵及瓦斯爆炸嚴重制約著煤礦安全生產(chǎn)的發(fā)展[6]。隨著現(xiàn)代工業(yè)智能化、自動化地不斷普及，近年來煤炭行業(yè)投入了大量資金以對生產(chǎn)系統(tǒng)和采煤設備進行了升級改造，作為煤礦安全的根本保證，通風系統(tǒng)的智能化現(xiàn)代化是智能礦井發(fā)展的重要組成部分[7-10]。

隨著變頻技術、監(jiān)測技術、智能控制技術、數(shù)字化技術、工業(yè)通信技術、5G 通信技術的日益普及，使得將整個礦井的巷道、主要通風機、各工作面的局部通風機、風門、瓦斯、溫度、粉塵等各種因素納入全礦井通風的數(shù)學模型成為可能。進而建立起整個礦井通風的數(shù)學模型，采用智能技術解決方案來集中調控和管理，達到按需通風、節(jié)能環(huán)保的要求。

王家?guī)X煤礦瓦斯絕對涌出量為12.05 m3/min，其中，掘進工作面瓦斯絕對涌出量0.34 m3/min，回采工作面瓦斯絕對涌出量5.09 m3/min。屬于高瓦斯礦井，存在瓦斯和煤塵爆炸危險性。

基于此，以王家?guī)X礦12307 掘進面為例，結合礦井基本通風情況及防爆抑爆需求，在12307 智能掘進工作面設置了1 套智能局部通風控制系統(tǒng), 通過根據(jù)瓦斯含量、環(huán)境溫度等技術參數(shù)自主調整局部通風機速度,并進行風速的自主調整。套智能局部通風控制系統(tǒng)極大程度上提升了王家?guī)X煤礦的生產(chǎn)自動化和智能化管理水平。

1 智能變頻通風管控系統(tǒng)

王家?guī)X煤礦智能變頻通風管控系統(tǒng)由地面監(jiān)測和控制部分、網(wǎng)絡傳輸部分、環(huán)境監(jiān)測部分、數(shù)據(jù)采集部分、變頻控制部分和局部通風機系統(tǒng)共同組成。

1.1 總體設計

系統(tǒng)設計圖如圖1。

圖1 系統(tǒng)設計圖Fig.1 System design

通風機控制室監(jiān)控上位機通過以太網(wǎng)與井下數(shù)據(jù)采集控制箱通訊，實現(xiàn)遠程監(jiān)控功能，控制箱通過總線與風機電源開關內的綜合保護器通訊，讀取風機運行的電壓、電流、功率和故障保護類型等參數(shù)，同時采集局部通風主機、從機的遠程/就地狀態(tài)、運行狀態(tài)、合閘、分閘、復位等各種狀態(tài)以及風機進風口和風機開關10 m 范圍內的瓦斯數(shù)據(jù)，并通過PLC程序判斷，實現(xiàn)局部通風機的自動控制功能。礦用本安型觸摸屏通過MPI 與PLC 控制箱通訊，實現(xiàn)就地局部通風機信息顯示和控制功能。

1）系統(tǒng)能夠按照預定目標，完成主局部通風機和備用局部通風機的自動切換。當主局部通風機因斷電或其他故障而無法正常運行時，備用局部通風機立即啟動，提供備用通風，保障工作面供風和避免瓦斯超限。

2）可以通過地面控制室的計算機來調節(jié)井下局部通風機的運行和倒機試驗，只需按下測試切換按鈕即可進行自動切換測試。

3）對局部通風機的溫度、電流等參數(shù)進行監(jiān)測，當其超出安全范圍時，及時警報。

4）每臺局部通風機PLC 控制柜都配備了千兆網(wǎng)線接口，使其能夠直接接入進行工業(yè)環(huán)網(wǎng)。

5）瓦斯體積分數(shù)的數(shù)值及警報信號能直觀地從井下瓦斯監(jiān)測分站和地面監(jiān)測站中顯示和讀取。

6）安裝在地面監(jiān)測站的系統(tǒng)，用于記錄本地通風機系統(tǒng)的運行情況，并對測試切換歷史進行記錄，其中包括風機切換的日期和切換過程的耗時、遠程或自動本地切換、供電和設備故障的日期和時間等，以保證工作記錄留存。

1.2 智能變頻調節(jié)

1.2.1 智能變頻調節(jié)的特點

軸流風機電動葉片調節(jié)的主要優(yōu)點是在大范圍內修改流量時，效率變化不大，因此在調節(jié)流量時的經(jīng)濟性很高。另外，還可以從2 個方向改變流量，從額定流量到更低或更高的流量，從而獲得更大的調節(jié)范圍。它以比例法則為基礎，通過調整風機的速度來改變其性能曲線，從而發(fā)揮作用。風機變速調節(jié)曲線圖如圖2。

圖2 變速調節(jié)曲線圖Fig.2 Variable speed adjustment curves

圖2 中：n 為風機的轉速；H 為風壓；Q 為流量；P 為功率；η 為效率。由圖2 可知，當風機的工作速度增加時，流量和壓力上升；而當風機的工作速度減少時，流量和壓力下降。管道的變速調節(jié)的特性保持不變，不存在附加的調節(jié)阻力。這是風機是最合適的調節(jié)方式，因為它在提供增加調節(jié)阻力的同時，也提供了良好的調節(jié)經(jīng)濟性。

1.2.2 智能變頻調節(jié)的功能實現(xiàn)

根據(jù)采集到的瓦斯、溫度、風速、CO、粉塵等（選配）信號來設定控制模式。設有3 個工作模式，分別是“自控模式”下的通風和排瓦斯模式、以及“手控頻率給定模式”。

1）自控通風模式運行狀態(tài)下，調速裝置在工作面迎頭、回風區(qū)瓦斯體積分數(shù)低于設定值。一旦瓦斯體積分數(shù)超過預設值，則切換至以巷道風量、溫度、CO 含量、粉塵含量來綜合控制風機調速，此時巷道風量、溫度、CO 含量、粉塵含量任何1 個測點超過設定值時，調速裝置將自動提高轉速，增大供風量（上限頻率），直到超標信號恢復至設定安全數(shù)值以下后，風機轉速下降至正常水平（下限頻率）。在此過程中瓦斯體積分數(shù)需一直在安全值下，任何時候超標則快速切換至自控排瓦斯模式。風速、CO、粉塵、溫度傳感器位置及數(shù)量根據(jù)實際井下工況合理布置。

2）正常狀態(tài)下，調速裝置的工作模式為自控通風。當工作面迎頭實時瓦斯體積分數(shù)≥工作面迎頭設定值或回風區(qū)實時瓦斯體積分數(shù)≥回風區(qū)瓦斯體積分數(shù)設定值時，工作模式自動調整至自控排瓦斯。風機轉速隨工作面迎頭瓦斯體積分數(shù)變化而改變，呈正相關趨勢，通過風機輸出風量的自動調節(jié)，達到避免瓦斯體積分數(shù)超限的目的。當工作面迎頭瓦斯體積分數(shù)超過1.5%，調速裝置停止制動，且在工作面迎頭瓦斯體積分數(shù)未下降至設定值時不會自動重新啟動；當工作面迎頭瓦斯體積分數(shù)及回風區(qū)瓦斯體積分數(shù)皆小于其設定值時，調速裝置自動重新啟動，并在10 min 內轉入自控風模式。自控通風排瓦斯流程圖如圖3。

圖3 自控通風排瓦斯流程圖Fig.3 Flow chart of self-controlled ventilation and gas discharge

3）調速裝置在手動頻率調整模式下運行時，其輸出頻率與預設頻率匹配，誤差不超過0.5 Hz。工作面迎頭和回風區(qū)瓦斯傳感器不會對調速裝置的輸出頻率產(chǎn)生影響。

1.2.3 智能變頻調節(jié)的節(jié)能效果

變頻器的節(jié)能效果從以下4 個方面實現(xiàn)。

1）軟啟動。在大多數(shù)情況下，交流電機的啟動電流是電機額定電流的6～7 倍。而經(jīng)過軟啟動器的變頻和調速，電機的啟動電流不會超過電機的額定電流。

2）減少設計冗余。為保障設備在復雜多變的環(huán)境條件下正常運行，設計者必須一般都不得不考慮到設計冗余，但使用過程中大都是正常運行，這就造成了一定程度的冗雜，而變頻調速則可以把這部分冗余節(jié)省下來。

3）調速節(jié)電。根據(jù)流體力學理論，軸功率與速度的立方有關，隨著速度的降低，軸功率也按比例降低，這是變頻調速的主要節(jié)電原理。

4）系統(tǒng)功率因數(shù)高。通常超過0.95，導致無功功率消耗減少，變壓器的負荷較輕。

變頻調節(jié)特性曲線圖如圖4。

圖4 變頻調節(jié)特性曲線圖Fig.4 Variable frequency regulation characteristics

圖4 中：H 為風壓；曲線①、曲線③分別為風機在不同阻力下運行時的特性曲線；曲線②、曲線④分別為不同頻率下的流量和壓力關系的曲線。風機工作在A 點時,軸功率P1等于Q1與H1的乘積，即與圖中AQ1OH1A 的面積成正比。若要將流量叢Q1減至Q2時，如通過閥門調整，則將工作點由A 移到B時，同樣流速降低，但壓力也增大，因此軸功率降低程度不大；若采用變頻調速，則工作點由A 移動到C，在滿足同樣流量Q2的情沉下，壓力也降低，軸功率大大降低。因此通過調速裝置實現(xiàn)對流量的控制是變頻器節(jié)能的底層邏輯。

1.3 遠程監(jiān)控功能

1）故障監(jiān)測與診斷預警。系統(tǒng)主要包括現(xiàn)場傳感器數(shù)據(jù)監(jiān)控、智能開關故障監(jiān)控、無人值守監(jiān)控平臺報警等多平臺聯(lián)動。具備故障報警及自動切換功能，故障時能夠自動地切換至備用電源和備用風機，具備完整的故障保護功能。具備數(shù)據(jù)、視頻監(jiān)測及故障報警功能，實現(xiàn)對局部通風機風機系統(tǒng)的統(tǒng)一監(jiān)控，系統(tǒng)故障在上述中心實時報警提示，為快速處理故障提供多方面保證，實現(xiàn)局部通風機通風系統(tǒng)安全運行。系統(tǒng)具備歷史報警查詢功能：可對各子系統(tǒng)系統(tǒng)、報警類別、報警等級、起始日期、結束日期、持續(xù)時間大于某個值來查詢。并可按各子系統(tǒng)、日期、級別來統(tǒng)計當天的報警記錄。

2）地面監(jiān)控功能。與大屏顯示系統(tǒng)配合使用時，地面配置配置軟件可以完整顯示現(xiàn)場視頻和數(shù)據(jù)，以及每臺局部通風機的狀態(tài)和其他參數(shù)，為統(tǒng)一調度和遠程指揮提供決策依據(jù)。在上位機監(jiān)控畫面中，可以手動給定風機頻率、起停風機、切換風機等。配置6 個監(jiān)控功能模塊，實現(xiàn)視頻、工藝、可視化、應急流程、巡檢數(shù)據(jù)、報警的集中管控。當?shù)孛嬖O備發(fā)生故障如停電、斷網(wǎng)等時,若對井下局部通風機的無人值守系統(tǒng)不產(chǎn)生影響, 則由現(xiàn)場控制器完成緊急作業(yè)。

2 關鍵技術

2.1 風機狀態(tài)監(jiān)測

對于電機的性能，溫升是一個關鍵參數(shù)，不同耐熱等級的電機對溫升的要求有一定的差異。溫升與溫度呈正相關，雖然電機不同部位的溫度不盡相同，但其分布非常有規(guī)律。

繞組與電動機鐵心之間的溫升是影響電動機溫升的最主要原因。因為這些元件都是導熱介質，它們的熱量在空氣中一般總是按照某種規(guī)則均勻分布在同一個曲線上，則最高溫升和平均溫升之間必然存在差異。因此，雖然可以應用各部件的最高溫升來確定各部件的發(fā)熱極限，但在實際計算中，作為一個整體只能計算出發(fā)熱部件的平均溫升；而平均高溫上升和最高溫上升之間也有必然的規(guī)律關系, 所以也可以用于判斷發(fā)電機的發(fā)熱情況。局部通風機為徑向散熱方式，風流流過電機表面，經(jīng)過各個徑向通風通道產(chǎn)生的熱空氣量幾乎一致, 繞組和鐵心都在電動機中央附近達最高的工作溫度。熱部分通過鐵心和通風通道散入空氣中, 而熱部分則沿著繞組走向二端,最后在繞組末端處散入空氣中，通過鐵芯和通風通道,分散在空氣中。當電機出現(xiàn)絕緣下降或鐵芯出現(xiàn)異常時，電機損耗增加，溫度上升，溫度出現(xiàn)異常，雖然電機可維持工作，但隨時都可能完全損壞。通過采樣電機的實時溫度，繪制溫度曲線，既可提前判斷電機狀況。

電機溫度采集框圖如圖5。在數(shù)據(jù)采集分站中，配置了溫度采集模塊，掃描周期小于1 s。PLC 通過modbus 通訊，每0.5 s 讀取1 次采集的電機溫度數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)上傳至上位機終端中保存，并實時繪制溫度曲線。當溫升出現(xiàn)異常時，報警提醒。用戶可通過上位機終端查詢電機溫度歷史曲線，由此判斷分析設備問題。

圖5 電機溫度采集框圖Fig.5 Block diagram of motor temperature acquisition

2.2 風機轉速控制

在滿足降低瓦斯體積分數(shù)、CO/CO2體積分數(shù)、粉塵濃度和新風供應的前提下，盡量降低風機的轉速，既可以降低風機噪音，改善工作環(huán)境，又可以節(jié)約大量的能源。

智能控制系統(tǒng)，通過采集瓦斯體積分數(shù)、CO 體積分數(shù)、CO2體積分數(shù)和風速，通過綜合計算，控制變頻器頻率，從而實現(xiàn)風機轉速的最優(yōu)控制。數(shù)據(jù)采集及控制框圖如圖6。

圖6 數(shù)據(jù)采集及控制框圖Fig.6 Data acquisition and control block diagram

3 結 語

針對王家?guī)X煤礦智能通風建設問題，設計布局了掘進工作面智能通風管控系統(tǒng)，建設局部通風機遠程監(jiān)測及控制系統(tǒng)，替代傳統(tǒng)的人工測風、調風、控風方式，形成了基于以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)交匯，達到了煤礦通風智能化的目標。

自2021 年6 月王家?guī)X12307 掘進工作面配備智能通風管控系統(tǒng)至今，在智能通風管控系統(tǒng)的調配下，12307 掘進工作面的瓦斯體積分數(shù)、一氧化碳體積分數(shù)及粉塵濃度均未發(fā)生過超限情況，實現(xiàn)了工作面的安全生產(chǎn)。