基于模糊理論的局部通風(fēng)機(jī)變頻控制系統(tǒng)設(shè)計

賈天毅，徐立軍，陳志峰，唐佳

（1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830052；2.新疆工程學(xué)院 新疆煤礦機(jī)電工程技術(shù)研究中心，新疆 烏魯木齊 830023；3.新疆工程學(xué)院 安全科學(xué)與工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830023；4.中國礦業(yè)大學(xué)（北京）應(yīng)急管理與安全工程學(xué)院，北京 100083）

0 引言

據(jù)統(tǒng)計，我國煤礦瓦斯事故發(fā)生次數(shù)占煤礦事故發(fā)生總次數(shù)的40%以上，約80%的瓦斯爆炸事故與礦井通風(fēng)系統(tǒng)不完善有關(guān)[1-3]。局部通風(fēng)機(jī)是礦井通風(fēng)的重要裝置，其使用的靈活性和效能將直接影響井下瓦斯?jié)舛萚4-6]。在進(jìn)行局部通風(fēng)機(jī)選型時，通風(fēng)機(jī)功率選擇通常是按照最遠(yuǎn)掘進(jìn)距離必須保證井下人員正常呼吸和瓦斯不超限的原則進(jìn)行的。在煤礦開采過程中，若局部通風(fēng)機(jī)長期處于滿載運(yùn)行狀態(tài)，將導(dǎo)致風(fēng)量浪費(fèi)和電能損失[7-9]。局部通風(fēng)機(jī)主要用于煤礦巷道內(nèi)外空氣交換，為巷道提供充足的新鮮空氣，將巷道內(nèi)瓦斯?jié)舛染S持在安全范圍內(nèi)[10-12]。因此，需要在保證局部通風(fēng)機(jī)工作效率的同時對其頻率進(jìn)行控制。

通風(fēng)機(jī)變頻控制技術(shù)通過巷道內(nèi)傳感器檢測信息改變通風(fēng)機(jī)運(yùn)行頻率，實(shí)現(xiàn)風(fēng)量調(diào)節(jié)，同時有效保護(hù)通風(fēng)設(shè)備，延長其使用壽命[13-14]。近年來，專家們針對煤礦通風(fēng)機(jī)變頻控制進(jìn)行了許多研究。劉丹[15]、Zhang Hongkui 等[16]基于PLC 對礦井通風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行改造，實(shí)現(xiàn)了對通風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的合理調(diào)節(jié)，但PLC 控制系統(tǒng)成本較高。模糊控制方法[17-18]、基于瓦斯?jié)舛鹊念l率等級劃分方法[19]、基于粒子群優(yōu)化的PID 控制算法[20]也被應(yīng)用到通風(fēng)機(jī)智能控制中，這些方法可在一定程度上對巷道通風(fēng)狀況進(jìn)行調(diào)節(jié)，但缺少對瓦斯突變量的預(yù)判，當(dāng)大量瓦斯異常涌出時，調(diào)節(jié)存在一定滯后性，易導(dǎo)致瓦斯積聚[21]。針對該問題，設(shè)計了基于模糊理論的局部通風(fēng)機(jī)變頻控制系統(tǒng)，結(jié)合局部通風(fēng)機(jī)特性，以最遠(yuǎn)工況點(diǎn)對應(yīng)風(fēng)量為輔助進(jìn)行頻率等級劃分，確定最優(yōu)變頻條件及每一級的最優(yōu)風(fēng)量，以此來預(yù)判瓦斯涌出，解決變頻控制滯后性問題。

1 局部通風(fēng)概況

1.1 局部通風(fēng)機(jī)布置

在掘進(jìn)巷道內(nèi)，局部通風(fēng)機(jī)及傳感器布置如圖1所示。局部通風(fēng)機(jī)及控制裝置安裝在進(jìn)風(fēng)巷道中，瓦斯傳感器T1-T3分別設(shè)置在掘進(jìn)工作面、回風(fēng)流、回風(fēng)巷處，風(fēng)量傳感器F 設(shè)置在巷道中10 m 內(nèi)沒有分支分流、拐彎和障礙且斷面無變化的位置。

圖1 局部通風(fēng)機(jī)及傳感器布置Fig.1 Layout of local ventilator and sensor

根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》第一百七十二條至一百七十六條規(guī)定，當(dāng)掘進(jìn)工作面處瓦斯傳感器T1監(jiān)測到瓦斯體積分?jǐn)?shù)≥1.0%時必須停止工作，撤出人員，并采取相應(yīng)措施，當(dāng)瓦斯體積分?jǐn)?shù)≥1.5%時應(yīng)進(jìn)行瓦斯電閉鎖，當(dāng)瓦斯體積分?jǐn)?shù)≥3%時應(yīng)停止通風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)；第一百三十六條規(guī)定，采煤工作面和掘進(jìn)中的煤巷內(nèi)的允許風(fēng)速為0.25～4 m/s；第一百三十八條規(guī)定，井下供風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)為人均4 m3/min。

1.2 局部通風(fēng)機(jī)通風(fēng)特性

局部通風(fēng)機(jī)采用變頻控制時的風(fēng)壓-風(fēng)量（H-Q）特性曲線如圖2 所示，n1，n2為通風(fēng)機(jī)不同轉(zhuǎn)速，R1，R2為不同風(fēng)阻，H1-H3和Q1-Q3分別為3 個工況點(diǎn)的風(fēng)壓和風(fēng)量。由圖2 可知，在局部通風(fēng)機(jī)實(shí)際工作過程中，通過降低轉(zhuǎn)速，可減小風(fēng)量與風(fēng)壓，從而減小輸出功率，實(shí)現(xiàn)變頻節(jié)能。

圖2 通風(fēng)機(jī)H-Q 特性曲線Fig.2 H-Q characteristic curve of ventilator

在實(shí)際工作過程中，局部通風(fēng)機(jī)供風(fēng)量Qf、風(fēng)壓H、功率P和轉(zhuǎn)速n之間有以下關(guān)系：Qf∝n，H∝n2，P∝n3。風(fēng)量Q與頻率f成正比：Q∝f。

2 局部通風(fēng)機(jī)變頻控制系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)原理

基于模糊理論的局部通風(fēng)機(jī)變頻控制系統(tǒng)采用瓦斯模糊控制器和風(fēng)量模糊控制器實(shí)現(xiàn)模糊控制，如圖3 所示。瓦斯模糊控制閉環(huán)中，模糊控制器輸入為掘進(jìn)工作面瓦斯?jié)舛绕頴1和偏差變化率ec1，將e1和ec1按比例放大后得到e′1和輸出為變頻器輸出控制量U1。風(fēng)量模糊控制器的輸出為變頻器輸出控制量U2。對U1和U2進(jìn)行比較，根據(jù)較大值確定通風(fēng)機(jī)變頻情況。當(dāng)兩者相等時以瓦斯模糊控制為主。與傳統(tǒng)控制模式相比，模糊控制器輸出的不是直接控制變頻器輸出的信號，而是一個控制量。為改變變頻器隨瓦斯不規(guī)則涌出一直變頻的狀況，將局部通風(fēng)機(jī)頻率預(yù)設(shè)為I-IV 四個等級進(jìn)行供風(fēng)，每一等級下通風(fēng)機(jī)供風(fēng)量能夠?qū)⒁欢ǚ秶鷥?nèi)的瓦斯?jié)舛瓤刂圃诎踩秶鷥?nèi)。

圖3 局部通風(fēng)機(jī)變頻控制系統(tǒng)原理Fig.3 Principle of frequency conversion control system of local ventilator

2.2 系統(tǒng)流程

基于模糊理論的局部通風(fēng)機(jī)變頻控制系統(tǒng)流程如圖4 所示。通風(fēng)機(jī)啟動，達(dá)到掘進(jìn)工作面需風(fēng)量后進(jìn)入自動控制狀態(tài)，對掘進(jìn)工作面的瓦斯?jié)舛燃跋锏里L(fēng)量進(jìn)行監(jiān)測，將信息輸入模糊控制器進(jìn)行處理，比較不同模糊控制器輸出的控制量，確定主要控制方式。根據(jù)Matlab 仿真結(jié)果，設(shè)置通風(fēng)機(jī)變頻條件，通過對控制量進(jìn)行判決，確定通風(fēng)機(jī)升頻或降頻。達(dá)到最高頻率等級后不再升頻，達(dá)到最低頻率等級后不再降頻，且頻率不能跨等級調(diào)節(jié)?？刂破髡{(diào)整輸出控制頻率，變頻器按照接收到的控制頻率控制通風(fēng)機(jī)變頻運(yùn)行，以此滿足系統(tǒng)實(shí)時控制要求。

圖4 局部通風(fēng)機(jī)變頻控制系統(tǒng)控制流程Fig.4 Control flow of frequency conversion control system of local ventilator

2.3 硬件設(shè)計

通過煤礦巷道內(nèi)布置的瓦斯傳感器、風(fēng)量傳感器等進(jìn)行信號采集，將掘進(jìn)工作面瓦斯?jié)舛茸鳛橹饕豢刂屏?。傳感器輸出信號?jīng)頻率電壓轉(zhuǎn)換后輸入模糊控制器，通過模糊控制算法進(jìn)行信息處理。模糊控制器輸出的數(shù)字信號經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換和電壓電流轉(zhuǎn)換后，驅(qū)動變頻器對通風(fēng)機(jī)供風(fēng)量進(jìn)行調(diào)整。通過放大器MCP2551 和CAN 模塊實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離通信。LCD 觸摸屏能夠就地顯示巷道內(nèi)各個位置瓦斯?jié)舛群惋L(fēng)量的變化情況，同時通過無紙記錄儀對數(shù)據(jù)變化進(jìn)行記錄。局部通風(fēng)機(jī)變頻控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖5 所示。

圖5 局部通風(fēng)機(jī)變頻控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)Fig.5 Hardware structure of frequency conversion control system of local ventilator

系統(tǒng)采用可用于煤礦井下的嵌入式風(fēng)冷變頻器，外部為防爆鋼制外殼，內(nèi)部主要包括變壓器模塊、接觸器、接線板、開關(guān)電源模塊、電容器模塊、變頻器控制模塊和散熱片模塊等，如圖6 所示。

圖6 嵌入式風(fēng)冷變頻器結(jié)構(gòu)Fig.6 Structure of embedded air-cooled frequency converter

變頻器發(fā)熱功率器件通過散熱銅板與鋼制防爆外殼和散熱片緊密連接，并嵌入到局部通風(fēng)機(jī)的風(fēng)道中。通風(fēng)機(jī)工作過程中，變頻器電力器件內(nèi)部芯片有源區(qū)溫度上升，散熱片引出熱源發(fā)出的熱量，利用通風(fēng)機(jī)風(fēng)流對散熱片進(jìn)行強(qiáng)制冷卻，能夠有效降低變頻器發(fā)熱功率器件的溫度。嵌入式風(fēng)冷變頻器與對旋式局部通風(fēng)機(jī)安裝位置如圖7 所示。

圖7 嵌入式風(fēng)冷變頻器安裝位置Fig.7 Installation position of embedded air-cooled frequency converter

變頻器嵌入式結(jié)構(gòu)能夠大大減小變頻器散熱器的體積，簡化變頻器散熱系統(tǒng)，減小礦用變頻器在煤礦巷道中占用的空間，提高設(shè)備的安全性和可靠性。變頻器與通風(fēng)機(jī)緊密連接，能夠縮短兩者之間的電力線，從而有效減少高頻諧波對變頻器和信號采集裝置的干擾，提高礦井通風(fēng)系統(tǒng)穩(wěn)定性。

3 模糊控制方法

3.1 模糊量化處理

將模糊控制器輸入量瓦斯體積分?jǐn)?shù)的期望值定為0.8%，根據(jù)掘進(jìn)工作面通風(fēng)要求，瓦斯體積分?jǐn)?shù)應(yīng)控制在0～1.5%。設(shè)定瓦斯?jié)舛绕頴1的基本論域?yàn)閇-0.7，0.7]，按比例放大為[-7，7]，將其劃分為7 個等級，模糊語言集為{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}，含義為{負(fù)大，負(fù)中，負(fù)小，零，正小，正中，正大}。放大后偏差的隸屬函數(shù)如圖8 所示。

圖8 偏差 e′1的隸屬函數(shù)Fig.8 Membership function of deviatione′1

設(shè)定瓦斯?jié)舛绕钭兓蔱c1的基本論域?yàn)閇-0.4，0.4]，按比例放大為[-4，4]，并將其劃分為5 個等級，模糊語言集為{NB，NS，ZO，PS，PB}，含義為{負(fù)大，負(fù)小，零，正小，正大}。放大后偏差變化率的隸屬函數(shù)如圖9 所示。

圖9 偏差變化率的隸屬函數(shù)Fig.9 Membership function of deviation change rate of

設(shè)定輸出量U1的基本論域?yàn)閇0，80]，將其劃分為5 個等級，模糊語言集為{A，B，C，D，E}，含義為{小，較小，中，較大，最大}。輸出量U1的隸屬函數(shù)如圖10 所示。

圖10 輸出量U1 的隸屬函數(shù)Fig.10 Membership function of output quantity U1

3.2 模糊推理決策

表1 瓦斯?jié)舛饶：刂埔?guī)則Table 1 Fuzzy control rule for gas concentration

3.3 模糊判決

運(yùn)用Matlab 模糊工具箱的模糊控制規(guī)則將輸出模糊量清晰化，輸出量曲面如圖11 所示。

圖11 輸出量曲面Fig.11 Output surface

風(fēng)量模糊控制中，設(shè)通風(fēng)機(jī)供風(fēng)量的期望值為最遠(yuǎn)掘進(jìn)距離處所需最小供風(fēng)量，通風(fēng)機(jī)輸出風(fēng)量實(shí)際值與期望值的偏差e2的基本論域?yàn)閇-4，4]，偏差變化率ec2的基本論域?yàn)閇-2，2]，輸出量U2的基本論域?yàn)閇0，80]。風(fēng)量模糊控制規(guī)則：若風(fēng)量小于巷道所需最小供風(fēng)量，則風(fēng)量越小，偏差變化率越小，輸出值越小，需增大風(fēng)量；若風(fēng)量等于所需最小供風(fēng)量，可保持風(fēng)量不變，繼續(xù)監(jiān)測瓦斯?jié)舛茸兓?；若風(fēng)量大于所需最小供風(fēng)量，則風(fēng)量越大，偏差變化率越大，輸出值越大，可降低風(fēng)量。

4 通風(fēng)機(jī)頻率等級劃分

若通風(fēng)機(jī)滿頻運(yùn)行時的最大供風(fēng)量滿足最遠(yuǎn)掘進(jìn)距離處瓦斯排放的風(fēng)量需求，則一定滿足巷道掘進(jìn)過程中瓦斯排放的風(fēng)量需求，但若通風(fēng)機(jī)一直滿頻運(yùn)行，則會造成風(fēng)量損失和電能浪費(fèi)。以局部通風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)特性為理論依據(jù)，選取通風(fēng)機(jī)滿頻運(yùn)行時的H-Q特性曲線與最大風(fēng)阻特性曲線的交點(diǎn)為最遠(yuǎn)工況點(diǎn)。以最遠(yuǎn)工況點(diǎn)對應(yīng)風(fēng)量為輔助進(jìn)行頻率等級劃分，即將電網(wǎng)頻率50 Hz 作為最高等級的頻率。將通風(fēng)機(jī)頻率分為4 個等級，通過頻率等級轉(zhuǎn)換，使不同頻率等級下的供風(fēng)量滿足巷道掘進(jìn)過程中的需風(fēng)量，同時不會造成能量浪費(fèi)。

文獻(xiàn)[19]將瓦斯體積分?jǐn)?shù)c劃分為5 個等級進(jìn)行通風(fēng)機(jī)變頻控制，5 個等級分別為c＜0.2%，0.2%＜c＜0.4%，0.4%＜c＜0.6%，0.6%＜c＜0.8%，c＞0.8%。每一等級的風(fēng)量不同，根據(jù)風(fēng)量與頻率之間的正比關(guān)系，可以將每一等級的通風(fēng)機(jī)供風(fēng)量轉(zhuǎn)換為頻率。該方法可在一定程度上對巷道通風(fēng)狀況進(jìn)行調(diào)整，但面對大量瓦斯異常涌出時，若等檢測到瓦斯?jié)舛茸兇笤龠M(jìn)行調(diào)節(jié)，很容易導(dǎo)致瓦斯超限。

本文采用基于瓦斯涌出量的等級劃分方法，將通風(fēng)機(jī)頻率劃分為4 個等級。根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定，當(dāng)掘進(jìn)工作面瓦斯體積分?jǐn)?shù)達(dá)到1%時，必須停止工作，撤出人員，因此給予20%的安全裕量，將瓦斯體積分?jǐn)?shù)達(dá)到0.8%設(shè)置為升頻條件，即每一等級的風(fēng)量要能夠?qū)⒕蜻M(jìn)工作面瓦斯體積分?jǐn)?shù)控制在0.8%以下?？紤]系統(tǒng)控制的穩(wěn)定性及節(jié)能減排，將降頻條件設(shè)置為掘進(jìn)工作面瓦斯體積分?jǐn)?shù)c1不大于0.6%或0.5%，同時設(shè)定通風(fēng)機(jī)降頻后的供風(fēng)量為達(dá)到降頻條件時將回風(fēng)流瓦斯體積分?jǐn)?shù)c2控制在0.7%或0.6%所需的供風(fēng)量。

采用本文所提方法時，雖然每一等級所控制的瓦斯涌出量范圍不同，但始終能夠?qū)⑼咚贵w積分?jǐn)?shù)控制在安全范圍內(nèi)（0.6%～0.8%或0.5%～0.8%）。當(dāng)大量瓦斯異常涌出時，可通過分析瓦斯涌出量變化導(dǎo)致的瓦斯?jié)舛炔▌?，判斷是否達(dá)到升頻條件。通風(fēng)機(jī)升頻后可降低瓦斯?jié)舛龋瑫r，通風(fēng)機(jī)供風(fēng)量可滿足更大的瓦斯排放需求，為調(diào)整提供一定緩沖，克服變頻控制滯后的缺點(diǎn)，使系統(tǒng)更加安全。

5 試驗(yàn)分析

設(shè)置降頻條件為c1≤0.6%或c1≤0.5%，降頻后通風(fēng)機(jī)供風(fēng)量為達(dá)到降頻條件時控制c2=0.7%或c2=0.6%所需的供風(fēng)量，進(jìn)行對比試驗(yàn)，尋找每一級的最優(yōu)風(fēng)量，從而確定最優(yōu)變頻等級。

5.1 試驗(yàn)平臺

以新疆焦煤（集團(tuán)）有限責(zé)任公司某礦井掘進(jìn)工作面為研究對象，結(jié)合煤礦巷道概況及通風(fēng)裝置布置情況，依據(jù)《煤礦安全規(guī)程》的相關(guān)規(guī)定對巷道內(nèi)瓦斯?jié)舛?、風(fēng)速、風(fēng)量進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)基于以煤礦掘進(jìn)工作面瓦斯?jié)舛葹橹饕豢刂屏康哪：刂品椒?，主要設(shè)備及儀器見表2。低濃度瓦斯傳感器測量范圍為0～4%，風(fēng)量傳感器的風(fēng)速測量范圍為0.3～15 m/s。

表2 試驗(yàn)設(shè)備及儀器Table 2 The equipments and instruments used in the test

5.2 最小供風(fēng)量計算

在試驗(yàn)掘進(jìn)工作面，瓦斯涌出量主要包括暴露煤壁產(chǎn)生的瓦斯涌出量和落煤產(chǎn)生的瓦斯涌出量，預(yù)測絕對瓦斯涌出量為1.23 m3/min。將掘進(jìn)巷道回風(fēng)流瓦斯體積分?jǐn)?shù)控制在1%以內(nèi)時的需風(fēng)量為

式中：K為瓦斯涌出不均勻系數(shù)，取1.6；Wg為絕對瓦斯涌出量，m3/min。

將相關(guān)數(shù)值代入式（1）可得Qhg≈197 m3/min。為保證巷道內(nèi)瓦斯體積分?jǐn)?shù)不超限，風(fēng)筒出風(fēng)量Qh應(yīng)大于等于需風(fēng)量Qhg。最遠(yuǎn)掘進(jìn)距離處局部通風(fēng)機(jī)的供風(fēng)量為

式中 φ為風(fēng)筒漏風(fēng)備用系數(shù)，取1.2。

局部通風(fēng)機(jī)全壓為

局部通風(fēng)機(jī)工作風(fēng)阻為

結(jié)合局部通風(fēng)機(jī)FBDNo_5.0/2×7.5 的H-Q特性曲線及風(fēng)阻特性曲線，可得局部通風(fēng)機(jī)工況點(diǎn)，如圖12 所示，可看出通風(fēng)機(jī)在最大工作風(fēng)阻條件下的實(shí)際工況點(diǎn)風(fēng)量為255 m3/min，風(fēng)壓為783 Pa。

圖12 局部通風(fēng)機(jī)工況點(diǎn)Fig.12 Working point of local ventilator

絕對瓦斯涌出量為

式中c0為風(fēng)流中的平均瓦斯體積分?jǐn)?shù)，%。

根據(jù)實(shí)際工況點(diǎn)參數(shù)及式（2）可得，當(dāng)通風(fēng)機(jī)供風(fēng)量為255 m3/min 時，風(fēng)筒出風(fēng)量為212.5 m3/min。在此條件下，由式（5）可得，將瓦斯體積分?jǐn)?shù)控制在0.8%時，最遠(yuǎn)掘進(jìn)距離處最大絕對瓦斯涌出量為1.7 m3/min。

根據(jù)煤礦井下工作條件，按照工作人數(shù)及巷道內(nèi)風(fēng)速要求，巷道最小需風(fēng)量為132 m3/min。隨著巷道推進(jìn)，風(fēng)筒產(chǎn)生漏風(fēng)，由式（2）可得，巷道貫穿時通風(fēng)機(jī)供風(fēng)量為158 m3/min。因此，巷道掘進(jìn)所需最小供風(fēng)量范圍為132～158 m3/min。

5.3 試驗(yàn)結(jié)果

5.3.1 第1 種降頻條件下（c1≤0.6%）的試驗(yàn)結(jié)果

第1 種降頻條件下，當(dāng)通風(fēng)機(jī)降頻運(yùn)行后，所提供的風(fēng)量要能夠?qū)⑼咚贵w積分?jǐn)?shù)控制在0.6%～0.8%。瓦斯體積分?jǐn)?shù)接近0.6%時，以較大風(fēng)量控制較低濃度瓦斯，存在能量浪費(fèi)；瓦斯體積分?jǐn)?shù)接近0.8%時，易超出安全范圍，使系統(tǒng)安全性下降。因此，設(shè)置降頻后通風(fēng)機(jī)供風(fēng)量為達(dá)到降頻條件時控制c2=0.7%所需的供風(fēng)量。計算可得通風(fēng)機(jī)IV-I 級的供風(fēng)量分別為255.0，219.5，188.5，161.2 m3/min，具體見表3。IV 級的頻率為滿頻工作時的頻率（50 Hz），根據(jù)風(fēng)量與頻率之間的正比關(guān)系可得出III-I 級對應(yīng)的頻率為43.1，36.9，31.6 Hz。

表3 達(dá)到第1 種降頻條件時控制c2=0.7%所需的供風(fēng)量Table 3 The air supply required to control c2=0.7% when the first frequency reduction condition is achieved

根據(jù)Matlab 仿真結(jié)果，結(jié)合相關(guān)試驗(yàn)要求，通過設(shè)置相應(yīng)的偏差和偏差變化率，得到控制量U1，U2的范圍，見表4。

表4 第1 種降頻條件下控制量范圍Table 4 The range of control quantity under the first frequency reduction condition

5.3.2 第2 種降頻條件下（c1≤0.5%）的試驗(yàn)結(jié)果

第2 種降頻條件下，當(dāng)通風(fēng)機(jī)降頻運(yùn)行后，所提供的風(fēng)量要能夠?qū)⑼咚贵w積分?jǐn)?shù)控制在0.5%～0.8%。進(jìn)行2 組試驗(yàn)，分別設(shè)置降頻后通風(fēng)機(jī)供風(fēng)量為達(dá)到降頻條件時控制c2=0.7%和c2=0.6%所需的供風(fēng)量。

（1）設(shè)置降頻后通風(fēng)機(jī)供風(fēng)量為達(dá)到降頻條件時控制c2=0.7%所需的供風(fēng)量（表5）。計算可得通風(fēng)機(jī)IV-I 級的供風(fēng)量分別為255.0，181.7，130.3，92.5 m3/min，對應(yīng)的頻率分別為50，35.6，25.5，18.1 Hz。

表5 達(dá)到第2 種降頻條件時控制c2=0.7%所需的供風(fēng)量Table 5 The air supply required to control c2=0.7% when the second frequency reduction condition is achieved

（2）設(shè)置降頻后通風(fēng)機(jī)供風(fēng)量為達(dá)到降頻條件時控制c2=0.6%所需的供風(fēng)量（表6），計算可得通風(fēng)機(jī)IV-I 級的供風(fēng)量分別為255.0，212.0，176.0，146.0 m3/min，對應(yīng)的頻率分別為50，41.6，34.5，28.6 Hz。

表6 達(dá)到第2 種降頻條件時控制c2=0.6%所需的供風(fēng)量Table 6 The air supply required to control c2=0.6% when the second frequency reduction condition is achieved

第2 種降頻條件下，2 種情況采用相同升降頻條件，控制量范圍見表7。

表7 第2 種降頻條件下控制量范圍Table 7 The range of control quantity under the second frequency reduction condition

5.3.3 結(jié)果分析

瓦斯體積分?jǐn)?shù)一定時，瓦斯涌出量不同，所對應(yīng)的需風(fēng)量不同。在上述3 組試驗(yàn)中，將電網(wǎng)頻率50 Hz 作為IV 級的頻率，通風(fēng)機(jī)IV 級運(yùn)行時，若瓦斯體積分?jǐn)?shù)分別降至0.6%，0.5%，0.5%，則通風(fēng)機(jī)降頻至III 級，同時設(shè)定III 級供風(fēng)量為達(dá)到降頻條件時控制c2為0.7%，0.7%，0.6%所需的供風(fēng)量。根據(jù)式（5）可得3 種情況下的實(shí)際需風(fēng)量分別為182.9，151.4，176.7 m3/min。根據(jù)式（2）可得III 級供風(fēng)量分別為219.5，181.7，212.0 m3/min。根據(jù)IV 級至III 的變頻方法，得出3 種情況下的II 級供風(fēng)量分別為188.5，130.3，176.0 m3/min，I 級供風(fēng)量分別為161.2，92.5，146.0 m3/min。當(dāng)瓦斯體積分?jǐn)?shù)達(dá)到0.8%并升頻后，3 種情況下的通風(fēng)機(jī)供風(fēng)量能夠?qū)⑼咚贵w積分?jǐn)?shù)分別控制在0.69%，0.57%，0.66%。

不同降頻條件所對應(yīng)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖13 所示，圖中陰影部分為緩沖區(qū)域，可避免瓦斯體積分?jǐn)?shù)處于升降頻節(jié)點(diǎn)時頻繁變頻。緩沖區(qū)域的存在使通風(fēng)機(jī)變頻后能夠?qū)⑼咚贵w積分?jǐn)?shù)控制在較低位置，減少變頻次數(shù)，保護(hù)電路設(shè)備，使通風(fēng)系統(tǒng)安全平穩(wěn)運(yùn)行。由圖13（a）可知，在該變頻條件及供風(fēng)量下，I 級供風(fēng)量大于最遠(yuǎn)掘進(jìn)距離處所需最小供風(fēng)量158 m3/min，能夠滿足巷道通風(fēng)要求。由圖13（b）可知，在該變頻條件及供風(fēng)量下，II 級和I 級供風(fēng)量分別為130.3，92.5 m3/min，小于最遠(yuǎn)掘進(jìn)距離處所需最小供風(fēng)量158 m3/min，且差值較大，無法滿足巷道通風(fēng)需求，因此理論上不可行。掘進(jìn)巷道所需最小供風(fēng)量范圍為132～158 m3/min，由于I 級、II 級風(fēng)量小于132 m3/min，因此，在漏風(fēng)量少的短距離巷道中也無法應(yīng)用。若最低等級供風(fēng)量無法滿足最遠(yuǎn)掘進(jìn)距離處所需最小供風(fēng)量，但仍在最小供風(fēng)量范圍內(nèi)，則可在漏風(fēng)量少的短距離巷道中使用。由圖13（c）可知，在該變頻條件及供風(fēng)量下，I 級供風(fēng)量為146.0 m3/min，略小于最遠(yuǎn)掘進(jìn)距離處所需的最小供風(fēng)量158 m3/min?？尚略O(shè)一個介于I 級和II 級之間的頻率等級I*級，通過提高通風(fēng)機(jī)頻率來增加供風(fēng)量。將I*級頻率提升為31.0 Hz，則供風(fēng)量為158.1 m3/min，滿足最遠(yuǎn)掘進(jìn)距離處最小風(fēng)量需求。

圖13 不同降頻條件及供風(fēng)量所對應(yīng)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)Fig.13 Test data corresponding to different frequency reduction conditions and air supply volume

6 結(jié)論

（1）在不考慮偏差變化率的情況下，將掘進(jìn)工作面瓦斯體積分?jǐn)?shù)達(dá)到0.8%設(shè)置為升頻條件，瓦斯體積分?jǐn)?shù)不大于0.6%設(shè)置為降頻條件，進(jìn)行頻率等級劃分，能夠滿足系統(tǒng)通風(fēng)要求，但是每一等級瓦斯體積分?jǐn)?shù)控制范圍較窄，導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)行時穩(wěn)定性不足。

（2）將掘進(jìn)工作面瓦斯體積分?jǐn)?shù)達(dá)到0.8%設(shè)置為升頻條件，瓦斯體積分?jǐn)?shù)不大于0.5%設(shè)置為降頻條件，該情況下每一等級瓦斯體積分?jǐn)?shù)控制范圍較寬，系統(tǒng)運(yùn)行更加安全平穩(wěn)。

（3）將掘進(jìn)工作面瓦斯體積分?jǐn)?shù)不大于0.5%設(shè)置為降頻條件，降頻后供風(fēng)量為達(dá)到降頻條件時將回風(fēng)流瓦斯體積分?jǐn)?shù)控制在0.7%所需的供風(fēng)量，該情況下無法滿足巷道通風(fēng)需求。

（4）將掘進(jìn)工作面瓦斯體積分?jǐn)?shù)不大于0.5%設(shè)置為降頻條件，降頻后供風(fēng)量為達(dá)到降頻條件時將回風(fēng)流瓦斯體積分?jǐn)?shù)控制在0.6%所需的供風(fēng)量，該情況下，I 級供風(fēng)量可將瓦斯體積分?jǐn)?shù)控制在安全范圍內(nèi)，但不能滿足最遠(yuǎn)掘進(jìn)距離處最小風(fēng)量需求?？梢詥为?dú)定義一個新的等級I*，但是需要避免因I*級與I 級距離較近引起系統(tǒng)不穩(wěn)定。