多风机并联运转的优化及其控制.pdf

秘 辩 缝 K 矿井通风 ￡ 0 藕 耩 蜒 冀 糍 多风机并联运转的优化及其控制 锡矿 山矿务瑚 陈秉勘 提要 本文舟绍了矿山 在多 风机并联运转的通风系统中．如 何使用优化控制．以达到发 挥所有风机 的共同作用 ．保证总动力 自 耗最小的 目的 ． 我 国金属矿 山，采用 多台风机 在一 个通 风系统 中并 联运转 的情况是极 为普 遍的。不 用说在两翼对 角式或混合式通风系统 中是 如 此，即使在分区通风中，由于各区域之间的 风道没 有完全隔离， 风机也处 于一 种并联 运 转 的状 态。此外，在井下局部地 区， 由于安 装辅扇 或采 用多级机站通风，风机并联运行 的情况就更多 『。 但 是，对于多风机并联 运转 的 通 风 系 统 ，通 常的做法 将各 台风 机负担 的 区 域 隔 ＼ 开， 如图 1，每台风机负担一个区域的 通风 ，即凡经 由某通 风机通风的工作 面，不 能 利用另 一台风机来通风，这样做的优点是 矿井 通风 比较 稳定 ，风 流易于控制。但缺点 是当供风地点 和供 风量 发生 变化时， 在矿 井生产 中这样 变化 是 比较频繁的，各 台风 机之 间不能互相调 剂，以致 常常出现 某 台风 机 负担过重而另一 台风 机负担过轻的不平衡 现象，造成 电力上 的浪费。 随着 自动化技术特别是 电子 计算 机技术 的迅猛 发展 ，对 扇风 机的运转进 行 自 动 监 测 、 自动 调节、 自动控制 已经完全可能 了， 因此在 多风机并联 运转的情况 下 可以考 虑将 各 台风 机的总风道 联通 侧如打开 图 i中的 密 闭A 使各 台风机之 间能根据生产 的变 化互相调剂，以便进行优化控制。 一 、优化 的原理 根据通 风机 的原理可 丸I ， 通风 的能量 是 一 20 一 图 1 ／ C 消耗在克服风道 的阻力上 。如果 第 i 条风道 的风 阻为Ri ， 通过的风量 为Q i ，对 于由几条 风遭组成 的通 风阿路来说，总通风能耗 N R i Qi 。但是 当在 计算 机 上求 解 时， i 一 1 果实 际的风流 方向与拟定的风流方 向相反， Q i 将 出现 负值 ，从而Ri Q i 。 亦为负值 。为了防 I l 负值的 出现，还应当乘 以该风道 的风 向符 号Ai ， 当实际 的风 向与拟定 的风 向一致时 ， 有 色矿 山一 l 9 9 0 ． 4 维普资讯 Ai _ 1，硎Ai _一 A i 。 因为多风机并联运转 的优化就是要 求N为 最 小，故优化 的 目标 函数 即为 N AiRiQi s 其约束条件是满足 网路 中各节 点的风量 平衡和各 网孔 的风压平衡。 上式是一个非线性规 划问题， 可 以利用 求多元素函数极值的拉格朗日乘数法求解， 其结果 为 f 三Q Q 1 H． H -- - ⋯ H L 式中Q 矿井急 需风量 J Q 第i 台风机 的风量j H． 第i 台风机的风压j 这就是多台风机并联运转优化的数学模 型 二、优化模型 的验证 上述优化模型 的正 确仕可 以在计算机上 进行 验证 通风网路经简 化后如 图 2。设总需风量 为1 0 0 米。 ／秒，按 照上述优化模型 可以用计 算机 求出三 台风机优化运行 的风量分 别为Q 3 5 ． 7 9 米 。 ／秒，Q 3 2 ． 6 l 米。 ／秒 ，Q c 3 1 ． 6 0 米。 ／ 秽J风压HHBH c6 1 5 8 ． 4 1 帕 通 风 阿 路的总能耗N6 1 6 千瓦。 现在 ，我 们在保持 总需风量 不变的前提 下 ，稍微 改变一下各主嗣的风量分配，把每 台主扇 的风量分 别增 减 5米。 ／ 秒，组 成六 种 不 同方案，即 方案 I QA 0 5 方案 ⅡQ 0 Q 。一 5 方案 ⅢQA 5 QB 0 方案 ⅣQ 5 Q 。一 5 方 案 V Q 一 5 Q 。 0 方案 ⅥQ A 一 5 Q 5 有 色矿 山一 1 9 9 0 ． 4 Q c一 5 Q c 5 Q c一 5 Qc 0 Q c 5 Qc 0 然后，再用计算机来计算每种方案的通 风网路总能耗 见表。从表中可以看 出， 这 六种方案中，无论 哪一 个方案，通风 网路 的总{ 墼 弗都比优化方案高。 囝 2 三、实现最优 运行的途径 当风机 的最优工 况已经确定之后，如何 来 实现 在最优工况下运行，就必须 依靠灵 活 的调节 手段。 在风机 已经选定的情况下，要想改变 风 机的特性曲线以满足所要求的工况，可以采 用 以下三 种手段 1 ． 改变叶片安糖 角 这是在轴流式风机上最常采用 的一 种手 段 。但 是要 想在风机运转过程中 随着生产 的 变 化及时来 改变 叶片安装角 以改变风机工 况 规是非常 困难的， 目前在国 内还 只有极少数 风机能实现在运转过程中改变 叶 片 安 装 角 如上海鼓风机 厂由西德 引进 技 术 生 产 的 G AF 型轴流风机 ，这类 风机 的造 价昂贵， 目前尚难普及使用 2 ． 改变前导器叶片安糖 角 从通风机 的二 I 作原理可 知， 风机 产生的 理 论压头H为 H Pu C u 2 一Cu、 式中p 气体密度 j u 叶片外 圆周 速度 j c u 气 流进 入叶片时 的 扭 旋 速度j ， c u 。 气流流出叶片时盼 扭 旋 速 度 。 所谓扭旋 速度 ， 即气流 的绝 对速 度存圊 一 21 ～ 维普资讯 各 方 案 通 风 网 络 总 能 耗 表 l Ⅱ Ⅳ V Ⅵ ql 2 0 ． 8 7 2 0 ． 9 5 2 0 ． 8 1 2 3 ． 4 I 2 3 ． 3 B 1 8 ． 4 9 I 8 ． 5 8 Q 2 1 1 ． 6 7 1 2 ． O 4 l 1 ． 3 B 】 1 ． 2 8 l O ． 9 5 1 2 ． 3 7 1 2 ． T 2 Q a 2 1 ． 5 5 2 2 ． 1 3 2 1 ． t 6 2 1 ． 0 2 2 O ． 3 B 2 j ． 6 9 2 2 ． t l q 4 1 T ． T 7 l 8 ． 3 4 1 8 ． 5 0 1 8 ． 0 5 I 7 ． 4 2 1 6 ． 0 B 1 8 ． t 7 Q 5 9 ． 1 4 l D ． 1 9 8 ． 5 7 0 ． 8 4 8 ． 9 5 8 ． 7 T 0 ． 3 3 q 6 1 8 ． 9 0 l B ． 4 3 2 1 ． T O l 6 ． 3 8 1 8 ． 9 6 2 1 ． T 3 l 0 ． 0 3 Q 1 4 ． 9 1 】 4 ． 8 3 1 4 ． 0 8 t 7 ． 3 T 1 7 ． 4 3 1 2 ． 3 0 t 2 ． I Q 8 3 ． 2 5 2 ． T 0 3 ． 6 2 6 ． I 9 B ． 4 8 一 0． 0 7 一 D ． 5l _ Q 0 1 8 ． 3 0 】 9 ． 0 4 l ． 4 4 l 4 ． 驰 1 3 ． 8 9 2 1 ． T 5 2 2 ． 0 2 _ Ql 0 1 4 ． 3 0 1 8 ． 2 6 1 0 ． 1 T I 7 ． 6 8 1 3 ． f 2 1 0 ． 8 6 j 4 ． 嘴 Ql l 3 ． 4 6 0 ． 0 7 6 ． 3 3 0 ． 0 T 3 ． 6 9 6 ． t 0 3 ． t 9 Q J 2 1 2 ． B O l 0 ． 1 T l 4 ． 0 0 1 0 ． 2 2 1 2 ． 6 4 1 4 ． 8 7 1 2 ． 5 7 Q J a 3 2 ． 5 4 3 3 ． 0 0 3 2 ． 】 7 3 4 ． T 0 3 4 ． 3 I 3 0 ． 8 6 3 1 ． 3 0 q 2 8 ． I 4 2 B ． 5 3 3 0 ． 2 T 2 B ． 2 3 2 7 ． 9 t 3 O ． 5 0 2 8 ． 4 t q1 6 5 4 ． 0 9 5 5 ． 1 3 5 3 ． 2 3 5 5 ． 7 2 5 4 ． B 8 5 2 ． 5 4 5 3 ． 4 2 q1 6 4 5 ． 9 1 4 4 ． 8 T 4 B ． 7 T 4 4 ． 2 8 { 5 ． 3 2 4 7 ． 4 6 4 B ． 5 8 一 Q 2 0 1 0 0 t 0 0 Q A 3 5 ． T 0 3 5 ． 7 口 3 5 ． 7 9 4 0 ． T 9 4 0 ． 7 9 3 0 ． 7 9 3 O ． 9 ● H 62 8 ． 2} B 4 T． 3 2 6l 2． 7 8 6 8 7． g 0 6B 8． T 2 5 T 5 ． 5 2 5 9I ． 】 4 QB 3 2 ． 6 1 3 T ． B 】 2 7 ． 6 t 3 2 ． 6 】 2 7 ． B j 3 2 ． 6 I 3 7 ． e t t t B B 2 8． 2 2 6 65 ． 5 6 5 9 7． 6 2 ． B 3 5 ． 3 2 6O 0 ． T 9 6 2 T． 0 4 6 6 0． 盯 Q c 3 1 ． B 0 2 6 ． 6 0 3 B ． 舯 2 6 ． 日 0 3 t ． B D 3 6 ． 6 0 3 t ． 6 0 t t c 6 2 8． 25 5 75 ． 1 S 6 84． 3 8 56 3． 1 B B1 6．t 5 6 9 9． 0 0 6 42 ． 41 短风 同 路总能 耗 N 6 2 2 表中Q 一风量，米。 ／秒；I t --风压，毫米东柱 【 毫米水柱 9 ． 8 0 6 3 7 5 帕；N一能耗．千瓦 周速度 方向上的投影 。在 风机 的叶片安装角 和叶轮转速 固定时， u 和 C u z 不变 ，但 是 cu 却是可以改变的。如果设法改变气流进入叶 片时的扭旋速度c u ，或者简单地 说，设 法 改变气流进入 叶片时 的方向，就可 以改变风 机产生 的压 头， 也就 改变了风机的工况。例 如当进入气流 的方向顺着 叶轮转 动方向扭 转 一 2 2 一 时，c u 【 为正值． 风机的压头将减 少}当 进 入气流的方向逆着 叶轮转动方向 扭 转 时 ， c u 为负值 ，风 机的压头将增加。 改变进 入叶片时的气流方 向呵以通过 改 变风 机前 导器 叶片 的安装角来实现，但通 常 前导叶 的安装 角是 固定的，如果将它改 为 可 调的并安装迅速 同对 改变 各前导 叶角度 的装 有 色矿山一 l 9 9 O ． 4 维普资讯 置 这是不难 实现 的，就 可以通过调 前 导 叶来 及时调节 风机 的工况点，使 之能 随时 保持在最优工 况点 上运行，这 种调节方 法是 一 种很有前途 的方法 投资较少 、但需 风 机制造 厂配合进行 才能实现。 3 ． 改变 叶轮转 散 根级风机的 比例定 律，当 转 数 n改 变 时，有 导Q } n，鲁 H 11 2 2 ’ 2 2 ／ 若 已知某一转 速F 风机 的特性 曲 线，要 求 出满足最优 工况点 的风机转速时，可按 以 下方法进行 设 己知转速 为n 满足最优 工观点的转速 为n z ，并令 K ，则 Q l KQ 2 ， HK K 2 。 如果已知转速n - 时风机特性曲线的方程 为 Hl a 0 a Ql a 2 Q{a 3 Q i 式中a 。 、a 、a “ a 8 在事先 求风 机 性 能 曲线 的回归方程时 已确定 。 那么，当转数改 变为n 时的性能 曲线 方 程就应变 成 K H2 a 0 a l KQ2 a 2 K Q 2 a 3 Ka Q 2 。 即 a 0 a t Q 2 K a 2 Q 2 一H2 K a 3 Q g K 0 由 于a 、a 、a a 。 为已知， 风机 的 最 优 工况点Q 、H z 也 已确定，故上式是 一个 K 的一元 高次方程，可 以用 牛顿选代法 艇出K 来。解 出K后就 不难 求出满足风机最优工 况 点 的转 速n 。 了。 由此可知，通过改变 叶轮转速，完全可 以把风机调节到最优 工况点上运行。 改变 叶轮 转速 可以有多种方 法，例如 1在绕 线式 电机转子 内 串入电阻，通过 改 变 串入的 电阻值来改变 电机转速 } 2 在 电机转轴与风机 转轴 之问加一 电磁离合 器 有 色矿 山一 1 9 9 0 ． 4 滑差调速或液 压 离 台 器 进 行 调 速 ， 3，通过 叮控硅 由电网向绕线式 电机转 子内加 ～反 电势，改变这一反 电势 的大小来 改变 电机转速 串级调速 j 4通过改 交 进入电机的 电源频率来改变 电机转速 变 频 调速 5风机采用 F 调速 的直流 电 机拖动。 以上这些方法在技 术 卜都是成熟的 井有生产产 品 可供选 啊 I 四 最优运行 的实际控制过程 当矿井生产发生变化时，倒如作业地点 变动或作业量改变 ，为了保 持主扇始终按优 化 的数 学模 型来运行，依靠 手工 调节是 无法 适 应的，必须采用 自动控制手段， 这些手段 包括 1能 及时对风量风压进行 自动检 测的传感器 } 2将传感器检 出的讯号 发 往控制中心的信号传输系统} 3 能接收 检’唰信号并按照优化模型进行判断，然后向 风机 发出相 应控 制信号 的计算 机， 4能 接收控翩信号并能根据控制情号改变主崩工 况的调节装置。 由于要 想通过对实 际生产矿 井的通风网 路不断进行 网路解算来随时确定风机的最优 工况点是非常困难的，甚至可以说在当前条 件下几乎没有可能。但我们控制的 目的只是 使风 机的工 况符合优化模型的要求，因此 多 台风机并联运转优化的实际控制过程是将 各 台风 机的风量 风压 由传 感器检出后转换成 电讯号 ， 通过导线传输至控制 中心 ， 信号一般 需经 过 电气 隔离和模数转换才能 进入电子 计 算机，计算机 以极快 的速度不 断对所有 输入 信号进行扫描，而将 检测 结果 的平均值 在萤 光屏显示器上显示或 通过打 印机 印成裘。 此 同时将检测结果 与控制的优化模型进行对 照，如果总风量不等 于所 需风量，则首先 向 各台风机发j { 5 调节 信 号，使 总风 量 符 合 需 要，在此基础上检查各 台风机的风压是否干 H 等，如果不等则对风 压过 高和 风压过低 的风 下转第 1 2 页 维普资讯 减 少 了柴油设备对井 下环境 的污染，改善 了 作 业条件， 6进路通风采用局扇压入式通风 ， 改 变 了常 规下向充 填法 进路通常 靠风流扩 散 曲 通风方式，使工 作面 经常 保持 一定量的新 风 送 入，工作面条件较 好。 7进 路装药 时需清理 下落碎石 和掏 很 孔费时较长，一般 需 2个小时左 右，为凿 岩需时的2 倍左右，这一问题尚有 待 进一步 研 究解决， 以缩短作业 时间。 3 ． 充填工作 1应 用 了一套适 合金 川二矿 区厚大 矿 体，大面积下 向分层胶 结充 填工艺 的措施 和管理方法，初步看来，它可 以保 证进 路采 矿 的安全和正常 回采，解决 厚大矿 体应用下 l向水平进 路 回采方 法的采、充平 衡关 系。 2基本解决 了水平进 路充填 体接顶 和充填体弱面层理面脱层 问题，改善 了充填 体结构，提 高了充填体 的整体性与稳定性， 保 证了进路按顺序连续 两采和充 填 衔 接 问 题 。 3水平 进路充填 接顶 、大面积人工 假 顶 的建造成功 ，为国内之首创 ，为二矿 区 大规模机械化 下向开采提供 了成功 的经验 。 4 ． 技术经济效果显著 1实现 了无轨机械化配套作业，生 产能力大，采 区能力达 8 1 n／ d ，最高达1 4 4 0 t ／ d ；进路平 均生产能力2 0 4 t ／ d ，单 位 面 积 产 量为2 ． 1 9 t ／ m。 ，分 别为原用 下向倾斜 分层 充 填法的2 2 5 和l 8 2 ． 5 0 。 2劳动生产率 高。试 验 采 区 共9 9 人， 仝员效率8 ． 2 5 t ／ 人 班，工 作 面 工 效 1 3 ． O r ／ 工 班 ，分别为原用方法 的1 5 0 和 209． 55 3设备完好率达 到8 8 以上 。 4充填基本接顶 ，人工 假 顶 质 量 好，安全有 了保证，有 利于生产 能 力 的 提 高 5矿石损失 、贫化 率 低 ，分 别 为 2 ． 0 6 和 4 ． 7 1 。 6试验采 区出矿成 本5 ． 1 2 元 ／ E ，与 原用方法5 ． 0 6 元／ t 基本相 同。 、结话 通过 四年来 的试验 ，在 逐步 消化 、吸收 国外先进技术的过程 中，我们体验 到机械化 盘 区式下 向水平分层胶结充填采矿 法，对于 金 J f j 二矿区不稳定矿岩条件是适 合的，是一 种高效率的采矿 方法 它的试验成功充分显 示了新 工艺 、新设 备和新技术 的优越性。试 验采 区在 回果设计 、设备和 工艺 等方 面接近 8 O 年 代国际先 进水 平。 机械化 盘 区式 下向水平 分层 胶结充填采 矿 法在金川 的应 用，为改变金 川矿 山落后面 貌迈 出了重要一 步，它 的成功 匣用，为金1 J f 二矿区二期建设提供 了可靠的技术依据，为 我国地下矿山实现大规模开采，实现大型机 械化，无轨化采矿积累 了宝 贵经 验，为大面 积 回采应用下 向胶结充填法开辟 了道 路，为 我国矿 山步入世界先进行列具 有重要意 义。 本文 由郭春林执笔 上接第2 3 页 机进行 调节，直 至相等为止，此时检查 总风 量 是否相符， 以上过程反复进行，直至检测 结果 与控 制的优化 模型 一致 为止。 由于计 算 机 的工作 速度 极快 ，故 上述过程很快 地达 到 平 衡 。 按 这样 的过程来进行 自动控制，不 需要 一 12 一 通过 垒网路 的解算求最 优工 况点，也不需要 按最优工 况点来计 算风机转速， 因此具有很 大的现 实意为，在当前 条件下是 完 全 可 行 的。 实现 多风机并联 动转的优 化控制，不仅 大 大节 约通 风能 耗，而且有 利于保证矿井通 风的正常 进行 。 有 色矿 山一 l 9 9 O ． 4 维普资讯