基于正交试验法的矿井通风机通风特性的优化研究

仝 晖

（大同市焦煤矿有限责任公司，山西 怀仁 038300）

引言

为满足和维持煤矿井下工作场所的气流需求，风量调节是必要的。矿井通风管理是保证矿井安全生产的一项重要工作。在风量、转速、风压等控制在合理范围内的情况下，寻求能使通风总能耗最小化的最佳调节方案是十分必要的。

1 矿用通风机性能参数测定

1.1 风量测定

被测试对象为离心式通风机，在通风机入风口附近进行测量，检查无漏风现象。风量计算如式（1）[1]：

式中：qi为通过通风机的风量，m3/s；n为测点数；vi为第i测点测得的风速，m/s；Ai为测风断面第i块的面积，m2。

1.2 风压计算

式中：Pt为通风机全压，Pa；n1为通风机入口测点数；Pt，i为通风机入口第i测点全压。

1.3 通风机转速测定

因为通风机与电动机直接相连接，可以只测电动机转速，每调一个工况点测3次，取其算术平均值[2]。

1.4 通风机轴功率及效率的测定

式中：Pa为通风机轴功率，kW；ηt为机械传动效率；ηm为电动机效率；Pe为电动机输入功率，kW。

2 正交试验步骤

1）确定试验指标。本试验的目的是要寻求一个最佳的能耗指标使通风总能耗最小化。因此可用风机的能耗P作为试验指标。

2）确定试验因素并选取适当水平。选取试验因素时，过多的实验次数会造成繁杂且无效的结果，因此根据要求尽量少选试验因素，本试验选择风量、风压、转速、效率作为试验因素。

3）选用合适的正交表。满足试验条件的常用正交表[3]有L9（34）、L27（313）和L81（340），用前者试验只需做9次试验，用后者要做27项和81项试验，本次试验采用L9（34）。

4）表头设计。正交表中的每一列代表一个因素，因素间无交互作用，因此，因素可以没有顺序地任意放置。本次试验各因素无关联作用，因此可以在表头任意放置，如表1所示。

表1 表头设计

5）编制试验方案。在表头设计的基础上，将所选正交表中的各列的不同数字换成对应因素的相应水平，便形成了试验方案。极差分析的方法确定因素影响目标结果，确定试验的最优因素水平及因素的最优组合，判断各因素对试验指标的影响见表2所示，“1”“2”“3”分别代表各因素水平。

表2 各因素水平

6）数据结果处理。使用极差分析[1]对数据结果进行处理，用Ki代表在某列因素某水平下目标指标之和来代表因素的变化幅度，值越大代表此因素造成的影响越大，是主要因素。值越小代表此因素是次要因素。

3 工程应用

3.1 工程概况

本次试验风机测量在山西宁武某煤矿进行，在此煤矿1号巷道采用抽出式通风设备安装一台G4-73-28D型离心式风机，具体参数可以详细见产品说明手册。详细测量数据见表3。

表3 风机通风参数测量

3.2 实测数据处理

根据上述风机参数值调整风量、风压、转速、效率调节工况，测得目标值功率如表4所示。

表4 测试结果

其中：K1为因素所在列中数字“1”所对应的目标值之和；K2为因素所在列中数字“2”所对应的目标值之和；K3为因素所在列中数字“3”所对应的目标值之和。

3.3 结果分析

1）根据极差大小列出各因素重要程度由大到小依次为风压、风机效率、转速、风量，优化组合方案为A1B2C3D4。

2）由图1可看出：随着风量的增加功率消耗也在增加；风压值增加功率开始会有明显的下降随后再增加的过程；随着转速的增加功率会先增加随后出现明显下降；功率和效率呈现反比趋势，功率提升效率会下降。

图1 各因素对功率影响的变化趋势

4 结论

1）在煤矿安全生产过程中，通风机风量、风压、功率、效率被实时进行监测并传递到监测屏幕系统，根据本文研究内容可实时根据风机耗能情况进行调节风机特性参数，达到节能目的。

2）在煤矿通风系统的风机运行中，影响其耗能大小的因素有很多，采用正交试验方法，合理地安排试验，通过典型工况因素数据，就可以分析实际运行过程中，影响通风机耗能的主要因素及变化规律。