劉謙

摘 要：隨著我國經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型發(fā)展的深入，特別是近年來能源行業(yè)面臨新的機(jī)遇與挑戰(zhàn)也促使相關(guān)行業(yè)對(duì)礦山設(shè)備提出新的要求。面對(duì)這一情景，本文從礦用風(fēng)機(jī)的選型為對(duì)象，在介紹風(fēng)機(jī)特性和風(fēng)機(jī)聯(lián)網(wǎng)工作情況下的影響因素的基礎(chǔ)上，分別介紹了傳統(tǒng)的選型和電算選型的方法。

關(guān)鍵詞：礦用風(fēng)機(jī);特性參數(shù);選型方法

0 引言

煤礦礦井主風(fēng)機(jī)的需求有特殊需求，如何準(zhǔn)確地選擇所需的礦井通風(fēng)機(jī)風(fēng)機(jī)產(chǎn)品，和參數(shù)與性能特性曲線，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)選擇，是我們迫切需要解決的問題[1]。

1 風(fēng)機(jī)選型的意義

隨著計(jì)算機(jī)的飛速發(fā)展，礦井通風(fēng)信息系統(tǒng)的開發(fā)越來越方便、快捷、高效，風(fēng)機(jī)模塊選型的研究開發(fā)工作不斷深入[2]。那因?yàn)樗闹匾晕覀兘?jīng)常把通風(fēng)機(jī)與礦井的“肝”相比。其工作特點(diǎn)和選擇已經(jīng)成為重要的研究對(duì)象，優(yōu)化選型方法是礦井通風(fēng)的一個(gè)重要的研究?jī)?nèi)容，良好的選型有益于系統(tǒng)功能的穩(wěn)定、壽命保持和礦山生產(chǎn)的高效。

2 風(fēng)機(jī)特性與影響因素

根據(jù)風(fēng)機(jī)特性，可以用流量等參數(shù)來表示風(fēng)機(jī)的工作狀態(tài)，其流量、風(fēng)壓、軸功率和效率參數(shù)都是可變的，并具有一定的規(guī)律。在工程應(yīng)用中，常用特征曲線來表示風(fēng)機(jī)（或靜態(tài)）的總壓力、軸功率和效率與風(fēng)機(jī)流量之間的關(guān)系變化的關(guān)系[3]。因此，礦井通風(fēng)機(jī)數(shù)學(xué)模型的曲線方程相當(dāng)于建立風(fēng)機(jī)H - Q、N - Q、ETA - Q特征曲線，建立系統(tǒng)模型，采用拉格朗日插值法對(duì)通風(fēng)機(jī)方程擬合。礦井通風(fēng)與風(fēng)量、風(fēng)壓與風(fēng)量、功率與效率的非線性多項(xiàng)式關(guān)系。假設(shè)礦井通風(fēng)機(jī)的實(shí)際性能曲線方程可以用函數(shù)y = f （x）來表示，可以建立一個(gè)n階多項(xiàng)式。

隨著煤礦開采模式的不斷擴(kuò)展，礦井在多軸、多進(jìn)氣道的應(yīng)用越來越多。風(fēng)機(jī)網(wǎng)絡(luò)有多種風(fēng)機(jī)作業(yè)，具有不同的通風(fēng)能力[4]。同時(shí)網(wǎng)絡(luò)對(duì)每臺(tái)風(fēng)機(jī)的要求有不通風(fēng)特性。通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)特性和不穩(wěn)定的氣流，由于有效合理的規(guī)劃，可能會(huì)導(dǎo)致各風(fēng)機(jī)運(yùn)行失效，導(dǎo)致不穩(wěn)定甚至喘振、反轉(zhuǎn)[5]。由于后果嚴(yán)重，需要研究如何避免因?yàn)槊旱V通風(fēng)機(jī)安全生產(chǎn)、氣流和礦井通風(fēng)系統(tǒng)聯(lián)合運(yùn)行方向的改變等造成的危害。風(fēng)機(jī)聯(lián)合作業(yè)對(duì)礦井通風(fēng)系統(tǒng)以保證安全生產(chǎn)。因此，可以用來描述通風(fēng)系統(tǒng)中氣流的穩(wěn)定性，來描述安全的工作條件。

此外，通風(fēng)機(jī)的更換、輔助風(fēng)機(jī)功率的增加以及礦井主風(fēng)機(jī)數(shù)量的增加，不僅會(huì)引起通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)的流量變化，還會(huì)引起其他支路的流量變化，如通風(fēng)機(jī)網(wǎng)絡(luò)工作點(diǎn)工作的影響[6]。

在單個(gè)風(fēng)機(jī)系統(tǒng)中，當(dāng)主風(fēng)機(jī)性能發(fā)生變化時(shí)，凈容積比的變化趨勢(shì)和變化量會(huì)隨著主風(fēng)機(jī)風(fēng)量的變化而變化[7]。多風(fēng)機(jī)系統(tǒng)，當(dāng)主風(fēng)機(jī)性能發(fā)生變化時(shí)，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)流量比例發(fā)生變化。當(dāng)主風(fēng)機(jī)容量增大時(shí)，風(fēng)機(jī)與子網(wǎng)或支路的體積呈串聯(lián)增大，并聯(lián)風(fēng)機(jī)與子網(wǎng)的體積減小。多風(fēng)機(jī)系統(tǒng)，即使網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和滑動(dòng)阻力不變，當(dāng)主風(fēng)機(jī)性能發(fā)生變化時(shí)，總風(fēng)量和風(fēng)機(jī)配置發(fā)生變化，主風(fēng)機(jī)阻力和凈總阻力發(fā)生變化。在通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)中，安裝輔助通風(fēng)機(jī)，不僅自身巷道風(fēng)量發(fā)生變化，其他風(fēng)量也發(fā)生變化。風(fēng)量范圍最大的，就是支路風(fēng)機(jī)本身，風(fēng)機(jī)位置變化越遠(yuǎn)，風(fēng)量變化越小。

阻力支路對(duì)其它支路風(fēng)量和風(fēng)壓的影響，當(dāng)一個(gè)支路阻力增大時(shí)，包括支路的其他支路在所有路徑上的風(fēng)壓也隨著風(fēng)量上平行支路和支路的增大而減小，相比阻力減小時(shí)，風(fēng)壓也增大。如果外部分支阻力調(diào)節(jié)導(dǎo)致其進(jìn)出氣風(fēng)量的變化，則相同風(fēng)量的內(nèi)部分支變化趨勢(shì)。在風(fēng)機(jī)網(wǎng)絡(luò)中，一個(gè)支路阻力變化，隨著支路風(fēng)量和壓力的變化。

在網(wǎng)絡(luò)中，主要巷道阻力的變化幅度和影響范圍由巷道引起的空氣阻力變化和影響較小。風(fēng)機(jī)網(wǎng)絡(luò)中一個(gè)支路的阻力增大，阻力和氣流的減小值大于增加的支路阻力減小量，增加的支路阻力減小量大于增加的支路阻力減小量。這種差別是因?yàn)楫?dāng)一個(gè)支路阻力增加或減少時(shí)，總阻力系統(tǒng)會(huì)隨著變化，導(dǎo)致總風(fēng)網(wǎng)也隨之變化而引起。氣密和滲透對(duì)氣流的影響相當(dāng)于支路抗風(fēng)能力向無窮大的增加，因此支路風(fēng)量降為零對(duì)其他支路的影響與支路抗風(fēng)能力的增加是相同的。巷道通過時(shí)，當(dāng)空氣阻力增大，對(duì)巷道其他支路的影響相同，方向取決于巷道的兩個(gè)端點(diǎn)之間。通過以上分析可以看出，影響氣流穩(wěn)定性的因素可以分為兩種：一種是通風(fēng)功率，包括機(jī)械功率，自然功率是另一種通風(fēng)系統(tǒng)布置，包括通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、巷道布置。

3 風(fēng)機(jī)選型的方法與步驟

傳統(tǒng)的方法，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)煤礦生產(chǎn)需要，確定礦井總風(fēng)量，最大風(fēng)力航路（通風(fēng)困難時(shí)期）總壓強(qiáng)，或計(jì)算最大的阻力。然后根據(jù)所需的總風(fēng)量和風(fēng)壓，在風(fēng)機(jī)性能表中查找或在對(duì)數(shù)曲線上確定風(fēng)機(jī)的對(duì)應(yīng)坐標(biāo)垂直線，最終確定風(fēng)機(jī)數(shù)量、轉(zhuǎn)速和功率。具體如下：

根據(jù)礦井總風(fēng)量、總阻力和漏風(fēng)系數(shù)計(jì)算礦井主風(fēng)機(jī)工作風(fēng)量和風(fēng)壓，建立風(fēng)機(jī)參數(shù)庫，同時(shí)輸入各種流量、壓力和效率。

風(fēng)機(jī)選型操作依據(jù)礦井總風(fēng)量、總阻力及外部漏風(fēng)系數(shù)，轉(zhuǎn)換礦井主風(fēng)機(jī)工作流量及工作壓力-功能判斷-功率選擇-選擇輸出的相關(guān)參數(shù)。

但傳統(tǒng)的方法精度低，需要設(shè)計(jì)師好的經(jīng)驗(yàn)。

電算法是利用計(jì)算機(jī)優(yōu)化礦井主風(fēng)機(jī)選型的一種最常用的風(fēng)機(jī)優(yōu)化方法。

風(fēng)機(jī)選型方法如下：根據(jù)風(fēng)機(jī)所需的總風(fēng)量和總阻力，計(jì)算風(fēng)機(jī)的工作容積和工作壓力，選擇最經(jīng)濟(jì)的風(fēng)機(jī);在此基礎(chǔ)上，提出了一系列可選通風(fēng)機(jī)和通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)匹配方案，并分別通過掛網(wǎng)獲得最佳方案;此外，建立一個(gè)虛擬，并參與通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算，得到風(fēng)機(jī)的工作點(diǎn)，然后計(jì)算通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)的阻力，最后從選定的中選擇工作位風(fēng)（下轉(zhuǎn)第254頁）（上接第252頁）機(jī)的功率要求;之后，數(shù)學(xué)規(guī)劃-當(dāng)各支路的總風(fēng)阻和風(fēng)阻已知時(shí)，就知道了礦井的通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)。

該方案采用非線性規(guī)劃方法，計(jì)算支路阻力和總壓，滿足礦井總風(fēng)量和總壓的要求，以及風(fēng)機(jī)的最小功耗。

4 結(jié)論

本文以礦用風(fēng)機(jī)為對(duì)象展開優(yōu)化選型方法研究，在從流量、風(fēng)壓、功率、效率、轉(zhuǎn)速等角度分析風(fēng)機(jī)性能參數(shù)的基礎(chǔ)上，著重分析了風(fēng)機(jī)并網(wǎng)后，干網(wǎng)和支網(wǎng)內(nèi)風(fēng)阻對(duì)風(fēng)流產(chǎn)生的影響，以確定對(duì)風(fēng)機(jī)動(dòng)力的要求。最后通過對(duì)比傳統(tǒng)選型和電算法選型的優(yōu)劣以此來為風(fēng)機(jī)優(yōu)化選型方法提供參考。

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