一种矿井通风系统的联合优调优控方法技术方案

本发明专利技术提供一种矿井通风系统的联合优调优控方法，建立风机-系统联合调节非线性规划模型，根据矿井通风系统拓扑结构、根据指定的需风风道的需风要求和系统可调参数，适时计算出通风系统的最优调节方案，即：在最大限度地满足需风要求、并使总功率消耗最小、各种控制参数可实施的目标下，计算出风机控制参数和调节风道的调节参数；并发布调节和控制命令完成矿井通风系统的在线最优调节，从而实现风机和风网的联合调节，保证矿井通风系统的按时按需低功耗最优供风。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于矿井通风自动化控制
，具体涉及一种矿井通风系统的联合优 调优控方法。
技术介绍
矿井通风的核心任务是保证井下各用风地点按时按需供风，从而确保矿井安全、 高效和绿色的开采。由于井下通风系统错综复杂，从环境监测、需风量计算到系统调节是一 个复杂的系统工程，只靠人工分析调节或局部自动调节难以满足井下安全生产和节能的需 要，因此，实现矿井通风全局最优调节方案的自动计算是实现矿井通风自动化必须解决的 技术难题。 虽然人们对矿井通风系统优化调节问题进行了大量研宄，提出单风道卷帘门压差 调节法、固定风量风道调节法、最大通风调节法、线性规划调节法和非线性规划调节法等， 但上述调节方法均没有从本质上解决矿井通风系统优化调节问题的可行性、经济性和全局 性问题。原因如下： (1)对于单风道卷帘门压差调节法，主要通过调节本风道卷帘门的开启高度，进而 使通过本风道的风量达到目标风量要求。然而，对于流体管网来说，在原理上是行不通的。 理由为：由于整个风网需要满足风量平衡定律，因此，各风道相互制约。例如，在最简单的情 况下，对于并联的风道A和风道B，如果需要使通过风道B的风量达到最大，不仅需要将风道 B的卷帘门开启到最大，还需要将风道A的卷帘门关闭到最小。可见，单独调节风道B本身， 不可能使其通过的风量达到目标风量；另外，调节风道B时同样也影响到其它风道风量，使 整个系统处于混乱状态。 (2)对于固定风量解算法，由于不能进行调节点的转移，很容易求出不可行方案， 甚至出现风阻为负数的情况。 (3)对于最大阻力通路调节法，本身不具有经济性，而且，由于各风道风阻和各用 风点需风量的时变性，最大通路是变化的，调节点也是变化的，因此，最大阻力通路调节法 不可行。 (4)对于线性规划调节法，由于对矿井通风系统优化调节问题进行了过度简化，因 此，计算结果常常不符合实际。 (5)对于现有的非线性规划调节法，采用首先优化系统，再调节风机的两阶段法， 由于没有考虑系统和风机的联合优化，因此，无法获得全局最优的方案，更不适用于灾变时 期的实时均压要求。 由此可见，现有的各类矿井通风系统优化调节方案，均没有从本质上实现矿井通 风系统的全局优调优控，无法满足矿井正常时期和灾变时期供风需要。
技术实现思路
针对现有技术存在的缺陷，本专利技术提供， 可有效解决上述问题。 本专利技术采用的技术方案如下： 本专利技术提供，包括以下步骤： 步骤1，根据矿井通风系统调控目的，将风道划分为四类，分别为I类风道、II类风 道、III类风道和IV类风道；其中，I类风道、II类风道和III类风道为控制风道；IV类风道为 非控制风道；具体的，I类风道为风机所在风道；II类风道为需风风道；III类风道为安装有 风阻调节装置的调节风道； 然后，建立完整的矿井通风系统网络拓扑结构图并编号，形成用于优化调控计算 的通风系统网络图； 步骤2,设所述通风系统共有η条风道，m个独立回路；则对所述通风系统网络图 的η条风道由1开始进行编号，由此得到m行η列的基本回路矩阵；其中，bkj为 独立回路矩阵系数； 此处，令E代表所有风道的集合；令I代表独立回路对应的风道集；令E1代表1类 风道的集合；令E2代表1I类风道的集合；令E 3代表1II类风道的集合； 步骤3,对于III类风道集合^中的任意一个调节风道，记为调节风道j，将调节风 道j的总风阻&分解为： Rj = Rj0 + R1-0 + R1; 其中： -调节风道j的基础风阻，为已知值； Wf5-调节风道j的风阻调节装置不可开启部分产生的局部固定风阻，为已知值； < -调节风道j的风阻调节装置可开启部分产生的风阻增量，为控制参数； 步骤4,对每一台可调节的风机i，建立以下三个风机多参数性能曲线： 1)风压_(叶片角度，转速，风量）曲线： hf = h； (/7,.,Oi,qt) = An(^.)qf + HiBh(O^qi + Tt1iCh(Θ-) 其中： A,7-风机i的风压； Iii一风机i的转速； qi-风机i的风量； Θ i-风机i的动叶角度； Ah，Bh和Ch-风机i的转速为1时，风机i的风压-风量特性曲线系数； 2)效率_(叶片角度，转速，风量）曲线 其中，？7/-风机i的效率 3)功率_(叶片角度，转速，风量）曲线 q,h； {η?,θ,^：)Ι η： {n：,Oi^qi) 其中，Pi (叫，Θ i，qi)-风机i的功率； C/-风机i的功率系数，与量刚有关； 对于上述三个风机多参数性能曲线： 当安装的风机为变频调速风机，即：仅具有调速功能、不具有动叶角度调节功能 时，风机i的动叶角度Θ i为固定常数值，转速n 变量； 当安装的风机为仅具有动叶角度调节功能、不具有调速功能时，风机i的转速Iii为固定常数值、风机i的动叶角度Θ 变量； 当安装的风机同时具有动叶角度调节功能和调速功能时，风机i的动叶角度Θ i 和风机i的转速Iii均为变量； 此处需要强调的是，本专利技术所建立的三个风机多参数性能曲线，与现有技术中已 有的风机性能曲线具有显著区别。 现有技术中，以风机风压性能曲线为例，其仅为风压和风量的曲线关系，也就是 说，现有的风机风压性能曲线，仅有两个变量，即：风压和风量，具有风机可调参数少、风机 调节性能有限的不足。而本专利技术人经常大量试验和理论推导，发现了影响风机风压和风量 关系的其他参数及表现形式，即：叶片角度和转速，从而建立了具有多个可调参数的风机多 参数性能曲线，从而提尚风机性能调节范围和精度。 约束条件为： 步骤5,在步骤1、2、3、4的基础上，建立如下的风机-系统联合调节非线性规划模 型： 其中： F-目标函数；以控制时期整个通风系统动力消耗最小、各需风风道的需风量与调 节风量差平方和最小为目标； M-惩罚因子； q〇i 一风道i的需风量； Yk-由基本回路的风压平衡方程推导出来的右侧常数项，通常为0 ; bkj-独立回路矩阵系数； 〇」一风道j中风流的流态指数； ht (j) -风道j的自然风压； yf风道j的风阻调节增量，与 < 含义相同，此处代表未知控制量； y/-风道j的风阻调节上限； <和0-风机j的动叶角度的调节下限和上限； η/1和η /-风机j转速调节的下限和上限； 在上述风机-系统联合调节非线性规划模型中，各调节风道的风阻调节增量y为 控制参数；调节风机的动叶角度Θ和/或调节风机转速η为控制参数，此处，如果风机为变 频调速风机，则仅转速η为控制参数；如果风机为动叶角度调节风机，则仅动叶角度Θ为控 制参数；如果风机同时具有动叶角度调节功能和调速功能时，则转速η和动叶角度Θ均为 控制参数； 除上述控制参数之外，其他所有参数均为已知固定值，通过求解该非线性规划模 型，计算出通风系统的最优调节方案，即：在最大限度地满足需风要求、并使总功率消耗最 小、各种控制参数可实施的情况下，计算得到各调节风道的控制参数，包括：风阻调节增量 y，还包括，调节风机的动叶角度Θ和/或调节风机转速η。 优选的，所述I类风道为：风机所在风井，或者，辅助风机所在增压风道，或者，局 部风机所在的虚拟风筒风道； 所述II类风道为：回采工作面所在风道，或者，采场所在风道，或者，掘进工作本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种矿井通风系统的联合优调优控方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，根据矿井通风系统调控目的，将风道划分为四类，分别为Ⅰ类风道、Ⅱ类风道、Ⅲ类风道和Ⅳ类风道；其中，Ⅰ类风道、Ⅱ类风道和Ⅲ类风道为控制风道；Ⅳ类风道为非控制风道；具体的，Ⅰ类风道为风机所在风道；Ⅱ类风道为需风风道；Ⅲ类风道为安装有风阻调节装置的调节风道；然后，建立完整的矿井通风系统网络拓扑结构图并编号，形成用于优化调控计算的通风系统网络图；步骤2，设所述通风系统共有n条风道，m个独立回路；则对所述通风系统网络图的n条风道由1开始进行编号，由此得到m行n列的基本回路矩阵其中，bkj为独立回路矩阵系数；此处，令E代表所有风道的集合；令I代表独立回路对应的风道集；令E1代表Ⅰ类风道的集合；令E2代表Ⅱ类风道的集合；令E3代表Ⅲ类风道的集合；步骤3，对于Ⅲ类风道集合E3中的任意一个调节风道，记为调节风道j，将调节风道j的总风阻Rj分解为：Rj=RjF0+RjT0+RjT]]>其中：—调节风道j的基础风阻，为已知值；—调节风道j的风阻调节装置不可开启部分产生的局部固定风阻，为已知值；—调节风道j的风阻调节装置可开启部分产生的风阻增量，为控制参数；步骤4，对每一台可调节的风机i，建立以下三个风机多参数性能曲线：1)风压‑(叶片角度，转速，风量)曲线：hif=hif(ni,θi,qi)=Ah(θi)qi2+niBh(θi)qi+ni2Ch(θi)]]>其中：—风机i的风压；ni—风机i的转速；qi—风机i的风量；θi—风机i的动叶角度；Ah,Bh和Ch—风机i的转速为1时，风机i的风压‑风量特性曲线系数；2)效率‑(叶片角度，转速，风量)曲线ηif=ηif(ni,θi,qi)=ni-2Aη(θi)qi2+ni-1Bη(θi)qi+Cη(θi)]]>其中，—风机i的效率3)功率‑(叶片角度，转速，风量)曲线Pi(ni,θi,qi)=Cifqihif(ni,θi,qi)/ηif(ni,θi,qi)]]>其中，Pi(ni,θi,qi)—风机i的功率；—风机i的功率系数，与量刚有关；对于上述三个风机多参数性能曲线：当安装的风机为变频调速风机，即：仅具有调速功能、不具有动叶角度调节功能时，风机i的动叶角度θi为固定常数值，转速ni为变量；当安装的风机为仅具有动叶角度调节功能、不具有调速功能时，风机i的转速ni为固定常数值、风机i的动叶角度θi为变量；当安装的风机同时具有动叶角度调节功能和调速功能时，风机i的动叶角度θi和风机i的转速ni均为变量；步骤5，在步骤1、2、3、4的基础上，建立如下的风机‑系统联合调节非线性规划模型：minF=Σi∈E1Cifqihif(ni,θi,qi)/ηif(ni,θi,qi)+MΣi∈E2(qi-qi0)2]]>约束条件为：Σj∈E3bkj[(RjF0+RjT0+yj)|qj|σj-1qj-hjf(nj,θj,qj)-ht(j)]+Σj∈E-E3bkj[RjF0+RjT0|qj|σj-1qj-hjf(nj,θj,qj)-ht(j)]=γk,k∈Iqj=Σk∈Ibkjqk+qj0,j∈E-I0≤yj≤yj1,j∈E3θj0≤θj≤θj1,j∈E1nj0≤nj≤nj1,j∈E1]]>其中：F—目标函数；以控制时期整个通风系统动力消耗最小、各需风风道的需风量与调节风量差平方和最小为目标；M—惩罚因子；—风道i的需风量；γk—由基本回路的风压平衡方程推导出来的右侧常数项，通常为0；bkj—独立回路矩阵系数；σj—风道j中风流的流态指数；ht(j)—风道j的自然风压；yj—风道j的风阻调节增量，与含义相同，此处代表未知控制量；yj1—风道j的风阻调节上限；和—风机j的动叶角度的调节下限和上限；nj0和nj1—风机j转速调节的下限和上限；在上述风机‑系统联合调节非线性规划模型中，各调节风道的风阻调节增量y为控制参数；调节风机的动叶角度θ和/或调节风机转速n为控制参数，此处，如果风机为变频调速风机，则仅转速n为控制参数；如果风机为动叶角度调节风机，则仅动叶角度θ为控制参数；如果风机同时具有动叶角度调节功能和调速功...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：卢新明，尹红，
申请(专利权)人：卢新明，尹红，
类型：发明
国别省市：山东;37