矿井通风机风量测试系统及功能验证

贾振华

（山西平舒煤业有限公司，山西 寿阳 045400）

引言

近年来，因通风机故障造成的瓦斯浓度升高，甚至瓦斯爆炸的事故时有发生，而市面上通风机型号层出不穷，通风机质量难以保证。风量是评价通风机工作性能好坏的基本参数，通过搭设风量测试系统实现对通风机工作性能的测试，是杜绝通风机故障及煤矿瓦斯灾害发生的可靠手段，也可对选用通风机的性能进行检测。风量测试系统中主要环节为风速传感器的布设及数据处理，随着国内外风量测算技术的提升，虚拟器技术、传感器技术、数值模拟技术等风速测算手段逐步取代了传统的风速测量方法[1]。本次研究将选用风速传感器对风量进行测算。

1 某矿通风机概况

山西省平遥县某矿通风机选用2K56-No30 型号，通风机选型符合设计要求，本文需用参数见表1。在实际生产中为了避免因供风量不足而造成煤矿瓦斯积聚，对该矿工作面的安全生产造成影响甚至发生瓦斯爆炸等事故灾害，该矿安装了风量测试系统对通风机通风性能进行监测，现对该系统的应用效果进行分析研究。

表1 2K56-No30 型号通风机参数

2 风量测试系统

2.1 系统组成

合理选择系统组成构件可极大增加系统运作效率，提高精确性，因此应确保每个系统构件在整个测试系统中能够平稳可靠运行，该系统组成构件包括风速传感器、信号传输电路、数据接收采集、控制及数据处理中心四个部分。系统运作流程为对风速传感器测点进行，由风速传感器进行风速采集，并将采集信号由信号传输电路传输至控制中心进行数据处理。整个系统实现了将风量收集这一模拟信号转化为数字信号并进行处理分析的过程。风量测试系统的整体操作较为简洁方便，在进行风速传感器布设后，系统只需在控制及数据处理中心对所测得风速进行处理分析即可得出具体风量，整个系统运行预计每班4～5 名工作人员即可完成，3 名值班人员，2 名风速传感器装置维护人员，成员结构简约，系统投入成本也较小，整体效果较为理想。

2.2 风量测定

通风机运行状况可由测量风量进行评判，现代风量测试方法主要为风量传感器、虚拟器技术、数值模拟分析法三种，现根据布设风速传感器测算风速风压对该矿风量进行监测。风速传感器测量风量的优点在于可直接对风流速度进行读取，并对每个测点风速变化情况进行实时监测，而且测试过程中对单个传感器的故障判断处理也十分方便准确，可在通风机井口、巷道及各种风口使用。该系统拟将风速传感器布置于风硐中，具体风量计算方法为：

式中：Q 为风量；S 为井筒或巷道断面面积；v 为平均风速。

由于矿井内部风速的无规律分布，风流常以层流及紊流的形式存在。层流即流体的层状分布，两流体之间有明显的分层界面互不干扰；紊流则会呈现一种漩涡形式，流体之间摩擦作用力大且影响较大。由于矿井复杂的巷道构造及各种设备的影响，矿井正常生产过程中基本处于紊流状态，该状态下新鲜风流能够更好地与有毒有害气体及粉尘进行融合，降低浓度，保障工人生命安全[2]。因此利用风速传感器进行风速测定时，为保证测风面风流均匀稳定，将风速传感器布置在风速均匀波动较小地带，本此实验将测点布设在风硐口布设测点18 个，分布在a、b、c3 条直线上，具体方式如图1 所示。1～6 号测点按顺时针布设，箭头所指为1 号测点，7～12 号与13～18 号测点布设方式相同。布设方式即通过在风硐搭建支架，并在18个测点分别布设风速传感器，将所测得风速代入公式即可计算巷道风量。风量计算公式为：

图1 测点布设图

式中：vi表示各测点的风速，m/s；S 表示风硐断面面积，m2；n 为测点数量。

2.3 数据处理

系统由风速传感器输入的信号传至数据接受采集卡，在此处将信号转化为±10 V 的电信号进行存储，再通过A/D 转换转换为数字信号，传入控制及数据处理中心，对接收到的数据进行处理，完成风量计算。为了保障测试能够顺利完成，在风速传感器布置过程中必须选用合理的风量测试流程，满足相关测试规范，并根据现场条件进行调整，如风硐断面面积的确定、测点的合理布置等，以达到可靠测量数据的采集，但在采集过程中由于无法规避因现场环境、气压、温度等外界条件不同对数据采集造成的影响，以及搭设支架对风速测算的影响，将在系统测算过程中加入补偿算法[3]。通过对18 个测点风速传感器所测数据进行误差补偿，将补偿后的测试数据再进行计算得出实际的风量数据，根据实际风量数据在后续计算过程中由专业技术人员进行数据整理计算。

3 测试结果及功能验证

风速传感器数据划分，基于风速在圆形硐室状态下的运行规律对测得数据进行验算，1～6 号测点测得数据应具有一致性，同理7～12 号测点以及13～18 号测点的数据也应具相似性，误差不应超过2 m/s。本实验仅考虑紊流状态，对系统运行过程中的热交换、漏风情况不做考虑。温度等环境因素用补偿算法进行数据差值补偿，测算具体结果如下。

通过对风硐处进行风速传感器的布设得到18 个测点的风速值，具体结果见表2。由表2 所得数据可知，风速整体分布呈现同心圆分布的特点，即位于同心圆上的测点风速较为接近；在风硐中心处的测点数值较大。经计算风速均值为22.94 m/s。并根据式（1）进行风量计算，风硐断面面积取4 m2，所得总风量91.76 m3/s。由于忽略环境等因素对数据的影响，使得测算数值存在误差，以及在风速传感器布设过程中由于使用支架造成的风速影响，现根据补偿算法对所得数据进行调整，对各个风速传感器所得数据进行误差补偿，再根据进行补偿之后的风速传感器数据进行测试结果的分析处理。根据具体实验结论可知，风速传感器布设支架最大误差可达13.2%，在2 m/s 的风速测算过程中风速误差值可达0.16 m/s，风量误差为2.01 m3/s。因此基于这一数据，本此实验将支架误差带来的影响及环境等因素造成的风速值降低量调整至0.81 m/s。因此补偿后的风硐风速取值为23.75 m/s。

表2 各测点风速

由图2 可知，18 个风速传感器测点经对所测数据进行误差补偿后，两者误差值平均降低到0.1 m/s。保证每个测点误差不超过0.25 m/s，并且在风硐边缘处这一差值更小。经加入补偿算法后对风硐风速进行测算取值为23.75 m3/s。再根据上述风量计算公式进行计算，按风机效率75%进行测算，输送风量为93.75 m3/s，按风硐断面面积为4 m2进行计算所得风速为23.43 m3/s。与测试结果基本相近，误差在0.5 m/s 之内，因此得出该系统对通风机风量测试性能较好，能够有效实现对通风机的风量进行精度较高的测算。

图2 各测点数据绝对误差比较

4 结语

通过系统验证，该矿通风机实际测算风量与出厂风量基本相同，误差为0.5 m/s，在接受范围之内。从而证明系统在该矿得到了良好的实际应用效果，也反映出了该2K56-No30 型号通风机在运行过程中具有良好的工作性能。通风机作为矿井安全生产不可或缺的设备，其通风风量的充足供应是十分重要的，该矿通风机风量测试系统的成功应用，为周边煤矿矿井通风机功能验证提供了良好的验证方案，促进了煤矿企业的安全发展生产，也为煤矿资源正常开采提供了保障，带来了巨大经济效益。