马兰矿主扇风机风量控制策略的优化研究

2020-03-14王凯

机械管理开发 2020年1期

王凯

（西山煤电马兰矿，山西太原 030205）

引言

矿井通风系统用于供给井下新鲜空气，排出有害气体及粉尘，从而保障井下人员的安全及煤矿安全生产的有序进行。主扇风机作为矿井通风系统的核心组件和风量来源，其安全性和稳定性极其重要。同时，井下风量、风速又是一个动态的过程，需按一定要求安全稳定地供给，因此，对主扇风机的工作状态、风速、风量的有序控制是一个重要的研究方向[1]。

马兰矿目前采用人工定时监测主扇风机运行参数的方法，通过读取仪表数据并进行记录的方式进行井下风量管理。该方法无法对井下各巷道进行实时、定点的风量管理，且风机控制粗放，能源浪费严重。

1 风量的调节理论和监测

根据典型风机的负载特性曲线，通风系统稳定运行状态时，处于风机负载特性曲线与系统阻力曲线的交点[2]，如图1所示。

图1 风机负载特性与系统风阻曲线

由图1可以看出，相同的通风量Q可以通过不同风阻曲线和风机负载曲线匹配得到，如上图B、C点。而根据流体力学，风机消耗的功率为P=KQH/η。

式中：Q为监测点流量；H为气压；K为风机常数；η为风机效率。

对于将风量Q1降到Q2，常用的方法为调节风阻，即将A点工况变为B点工况，此时节约的功率为：△PAB=△PA-△PB；而如果改为通过改变电机频率来改变风速时，当风量Q1降到Q2，即A点工况变为C点工况，此时节约的功率为：△PAC=△PA-△PC。由上述可知，采用改变电机频率比调节风阻多节约的功率△P=△PAC-△PAB=（△PA-△PC）-（△PA-△PB）=△PB-△PC=KQ2H2/η-KQ2H3/η=KQ2（H2-H3）/η。因此，在改变相同的风量下，可以通过不同的风速和风阻，调节风机的实际使用功率，从而达到优化主扇风机风量控制的目的。

风量和风压是风机的重要参数，关系着整个通风系统控制策略的实施。风量监测一般布置在巷道的平直段，通过大口径的风量流量计进行测量。

在马兰矿的风量状态监测中，采用井下总回风巷布置风量测量器，该风量测量器由两个取压管和压力变送器组成，其中一个取压管测量迎风压力，另一个取压管背对风流方向，取背风压力，最终接到压力变送器，通过PLC变成风量信号[3]，极大地简化了测量难度。风量测量方法如图2所示。

图2 风量测量方法

2 主扇风机系统的设计

根据前述主扇风机系统的控制要求进行风量控制的实时监控，目前，实时监控系统依据结构划分主要有集散控制系统、现场总线控制系统和工业以太网控制系统。依据马兰矿的现场实际，对其风量控制采用工业以太网控制系统，即将系统监测数据与信息管理层组成整体网络，其总架构如图3所示。

图3 主扇风机系统架构图

根据上述系统架构图，其数据来源为现场仪表设备层。现场仪表设备层作为基础层级，由各测量模块、传感器及执行模块组成。例如电机温度、轴承温度、风量、负压及电机控制器运行参数等[4]。

集散控制层作为连接上层决策与底层数据之间的层级，包括PLC工作站和动态交互界面。PLC工作站主要实现仪表设备层的变量采集和相应固定工况的执行器逻辑响应；动态交互界面提供人机交互，包括关键变量的显示、固定控制指令的发布及日志的生成等。

对于风量控制而言，主要涉及PLC工作站的模拟量采集和电机变频器的逻辑控制。通过前述风压传感器的模拟量采集，将迎风压力和背风压力信号输入PLC，计算得到风量信息，经过数值转换，将风量信息通过人机交互界面显示出来。同时，变频器是风量的执行器，当需风量信息给定在系统，通过该点的风量测量系统得到供给风量，系统计算此时应该给定的电机频率，并通过PLC将电信号传输到电机。

信息管理层中，上位机根据系统要求，采用图形化的界面显示，对各部位传感器状态、温度、风压、风量及风机和变频器的状态等信息进行显示，并对异常状态进行警示，主要用于异常工况的处置和主扇风机日常调度。

本系统通过以太网进行通信，各通信端口进行相应配置，使上位机I/O变量与下位机PLC进行数据交互。

3 风量控制策略

根据马兰矿主扇风机实际运行参数，对上述风量控制策略进行实验。系统给定需风位置风量为9 000 m3/min，系统输出电机变频器给定初始频率，当监测风量达不到需风风量时，频率值快速响应并使风量不断增大；当实际风量达到9 000 m3/min时，由于频率比所需频率较高，随即变频器将频率降低，最终达到稳定风量。风量调节实验响应曲线如图4所示。