矿井多风机联合运转的按需变频调风系统及其调风方法技术方案

本发明专利技术公开了一种矿井多风机联合运转的按需变频调风系统及其调风方法，该调风系统针对多台主要通风机联合运转的通风系统，考虑多台风机的相互影响特性及井下关键用风地点的风量动态需求，实现多台主要通风机对井下分支风量的智能化调控，实时分析有害气体及人员呼吸需求，动态计算用风地点需风量；运用回路风压解析法快速解算多台主要通风机的需调工况参数，在风机曲线库实时查找风机所需频率，利用风网解算技术超前模拟多风机按需变频调控之后的各通风机的工况参数及井下各巷道的通风参数，从而实现多台主要通风机对井下分支风量的精准、稳定、实时、快速的智能化调控，预防因通风异常导致的灾害事故。因通风异常导致的灾害事故。因通风异常导致的灾害事故。

【技术实现步骤摘要】
矿井多风机联合运转的按需变频调风系统及其调风方法


[0001]本专利技术涉及矿井通风
，尤其涉及一种矿井多风机联合运转的按需变频调风系统及其调风方法。

技术介绍

[0002]矿井通风系统是煤矿生产系统中最重要的系统之一，是保障安全生产的主要措施。随着采场空间变化、时间推移、开采条件变化，各用风地点的风量需求在不断变化。当前煤矿风量调节措施主要可分为地面主要风机调风和井下通风设施调风，矿井通风网络是一个关联程度很高的多变量复杂系统，某一地点的风阻变化均会引起其他地点的风量变化，井下通风设施调节不仅会导致多个分支的风量发生变化，引起整个风网紊乱，甚至引发重大安全隐患，而且通风设施只能增加巷道的阻力，多次调节之后，矿井总阻力会成倍增加，从而增加通风能耗。而地面主要风机通风只会根据风流分配基本规律对分支风量进行同步增加或者减少，不会引起风网风流的紊乱。故地面主要风机调风为矿井风量调节最容易、低风险、低成本的调节方式。随着矿井采深的增加、开采范围的不断扩大，单风机通风系统已经无法满足各大矿井的通风需求，多数矿井采用增加主要风机、增加主要进风井的方式通风，根据多个风井的位置可分为中央并列式、对角式、区域式、混合式。但目前多数矿井的地面主要风机均采取最大功率通风，不仅无法满足井下用风地点的按需供风，而且主要风机长期高功率运转，能耗较大，不符合当前矿井绿色低碳循环发展的理念。近年来，随着矿井智能化通风建设的进行，矿井主要风机的按需调控是实现煤矿智能化控制的基础，故提出一种矿井多风机联合运转的按需变频调风系统及其方法，可为矿井智能化风量控制提供一种精准、按需、智能、快速的多风机变频调风方法。

技术实现思路

[0003]本方案针对上文提出的问题和需求，提出一种矿井多风机联合运转的按需变频调风系统及其方法，由于采取了如下技术特征而能够实现上述技术目的，并带来其他多项技术效果。
[0004]本专利技术的一个目的在于提出一种矿井多风机联合运转的按需变频调风系统，包括：
[0005]地面主要风机参数监控子系统，用于实时监测矿井多台主要风机工况参数；
[0006]井下通风参数监控子系统，用于实时监测井下各关键需风巷道的通风参数，并基于关键需风巷道有害气体的浓度和工作人数计算关键需风巷道需风量；
[0007]多风机按需最优变频调风子系统，用于根据矿井下用风分支的需风量计算主要风机需风量和需风压，以及最佳的风机频率值，并计算调节之后的井下各巷道分支的风量以及各主要风机的风量和风压；
[0008]地面监控中心，用于对所有的监测的参数进行数据交互和综合分析显示，以及将控制指令下发至指定的风机变频器，当监测到异常值可报警并进行应急方案的综合决策。
[0009]在本专利技术的一个示例中，所述井下通风参数监控子系统包括：
[0010]通风参数监测模块，用于实时监测多个关键需风巷道的风速值，并利用巷道断面值得到各巷道的风量值；
[0011]需风量计算模块，用于实时监测关键需风巷道空气中的二氧化碳、一氧化碳、甲烷和氧气的气体浓度值，以及定位人员数量，计算各关键需风巷道的需风量。
[0012]在本专利技术的一个示例中，多风机按需最优变频调风子系统包括：
[0013]风网参数数据分析模块，用于对井下监测到的通风参数进行风网解算和分析关键需风巷道的风量是否满足需风量，若出现当前风量小于需风量的情况，报警并计算关键需风巷道的需风要求；
[0014]各主要风机工况计算模块，用于根据监测到的风机工况参数和通风参数，计算各主要风机当前的工况参数，以及为满足关键需风巷道需风量，各主要风机需要实现的需风量和需风压；
[0015]各主要风机所需频率计算模块，用于根据各主要风机需要实现的需风量和需风压，在各主要风机平稳工作区域，查找到各风机运行效率最高的工况点，并在曲线库查找最佳的所需风机频率。
[0016]本专利技术的另一个目的在于提出一种矿井多风机联合运转的按需变频调风系统的调风方法，包括如下步骤：
[0017]S10：由地面主要风机参数监控子系统获取各主要风机工况参数，由井下通风参数监控子系统获取各关键巷道的通风参数和需风量，实时计算分支风量的风机调风灵敏度，并将以上所有数据上传至地面监控中心进行储存；
[0018]S20：多风机按需最优变频调风子系统利用地面监控中心储存的数据对各风机风压曲线方程拟合，并依据主要风机比例定律建立当前风机0～50Hz不同频率下的风压特性曲线方程，存储至风机曲线库以备查找，实时判断当前风量与需风量的差值是否在阈值范围以内，如果在阈值范围以内则转入上一步骤，否则根据需风巷道所在风网位置进行相应的风量调控；
[0019]S30：利用回路风量解析法计算各个风机所需要的调节工况，并判断各风机所需工况参数是否在风机不稳定区运行，如果工况参数在风机不稳定区运行，则依据风机所需工况在风机曲线库查找所需调节频率，否则快速报警，并将分析结果上传至地面监控中心显示请求人为决策，同时将风机调控至保证风机平稳运行的且风网安全状态下的最大风量值；
[0020]S40：按照所需调节频率带入风网解算软件超前模拟各风机的工况，并判断各巷道风量是否超出风量的允许范围，若超出风量允许范围，则进行报警并将分析结果上传至地面监控中心进行显示请求人工决策，同时将风机调控至保证风机平稳运行的且风网安全状态下的最大风量值，否则，将计算的调控方案输出至地面监控中心，当工作人员确定无其他安全风险时，可一键快速进行多风机远程按需变频调控。
[0021]在本专利技术的一个示例中，在步骤S10中，计算分支风量的风机调风灵敏度的方法包括如下步骤：
[0022]针对风机所属区域的分支，当风机风量Q
f
变化ΔQ
f
时，其所属区域的分支i风量变化ΔQ
i
，分支i风量变化量ΔQ
i
与风机风量变化量ΔQ
f
的比值的极限为风机调风灵敏度δ
i
，
其计算公式为：
[0023][0024]在本专利技术的一个示例中，在步骤S10中，所述各主要风机工况参数中，风机风量参数获得的方法包括如下步骤：
[0025]当风流在变截面的管道中流动时，根据伯努利方程可得两个不同断面之间的能量方程为：
[0026][0027]式中：P1、P2为断面1和断面2的静压，Pa；v1、v2为断面1和断面2的风速，m/s；Z1、Z2为断面1和断面2的标高，m，对于风机来说两个断面的标高相同；ρ为风流密度，kg/m3；g为重力加速度，m/s2；h1‑2为两断面之间的阻力，Pa，两个断面非常近故可忽略；
[0028]而管道中风量与风速的表达式为：
[0029]Q＝Sv
[0030]联立以上两式可得到基于不同断面静压差计算风量的公式为：
[0031][0032]式中：S1、S2为断面1和断面2的断面积，m2。
[0033]在本专利技术的一个示例中，在步骤S20中，所述建立当本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种矿井多风机联合运转的按需变频调风系统，其特征在于，包括：地面主要风机参数监控子系统(10)，用于实时监测矿井多台主要风机工况参数；井下通风参数监控子系统(20)，用于实时监测井下各关键需风巷道的通风参数，并基于关键需风巷道有害气体的浓度和工作人数计算关键需风巷道需风量；多风机按需最优变频调风子系统(30)，用于根据矿井下用风分支的需风量计算主要风机需风量和需风压，以及最佳的风机频率值，并计算调节之后的井下各巷道分支的风量以及各主要风机的风量和风压；地面监控中心(40)，用于对所有的监测的参数进行数据交互和综合分析显示，以及将控制指令下发至指定的风机变频器，当监测到异常值可报警并进行应急方案的综合决策。2.根据权利要求1所述的矿井多风机联合运转的按需变频调风系统，其特征在于，所述井下通风参数监控子系统(20)包括：通风参数监测模块(21)，用于实时监测多个关键需风巷道的风速值，并利用巷道断面值得到各巷道的风量值；需风量计算模块(22)，用于实时监测关键需风巷道空气中的二氧化碳、一氧化碳、甲烷和氧气的气体浓度值，以及定位人员数量，计算各关键需风巷道的需风量。3.根据权利要求1所述的矿井多风机联合运转的按需变频调风系统，其特征在于，多风机按需最优变频调风子系统(30)包括：风网参数数据分析模块(31)，用于对井下监测到的通风参数进行风网解算和分析关键需风巷道的风量是否满足需风量，若出现当前风量小于需风量的情况，报警并计算关键需风巷道的需风要求；各主要风机工况计算模块(32)，用于根据监测到的风机工况参数和通风参数，计算各主要风机当前的工况参数，以及为满足关键需风巷道需风量，各主要风机需要实现的需风量和需风压；各主要风机所需频率计算模块(33)，用于根据各主要风机需要实现的需风量和需风压，在各主要风机平稳工作区域，查找到各风机运行效率最高的工况点，并在曲线库查找最佳的所需风机频率。4.一种如权利要求1至权利要求3中任意一项所述的矿井多风机联合运转的按需变频调风系统的调风方法，其特征在于，包括如下步骤：S10：由地面主要风机参数监控子系统(10)获取各主要风机工况参数，由井下通风参数监控子系统(20)获取各关键巷道的通风参数和需风量，实时计算分支风量的风机调风灵敏度，并将以上所有数据上传至地面监控中心(40)进行储存；S20：多风机按需最优变频调风子系统(30)利用地面监控中心(40)储存的数据对各风机风压曲线方程拟合，并依据主要风机比例定律建立当前风机0～50Hz不同频率下的风压特性曲线方程，存储至风机曲线库以备查找，实时判断当前风量与需风量的差值是否在阈值范围以内，如果在阈值范围以内则转入上一步骤，否则根据需风巷道所在风网位置进行相应的风量调控；S30：利用回路风量解析法计算各个风机所需要的调节工况，并判断各风机所需工况参数是否在风机不稳定区运行，如果工况参数在风机不稳定区运行，则依据风机所需工况在风机曲线库查找所需调节频率，否则快速报警，并将分析结果上传至地面监控中心(40)显
示请求人为决策，同时将风机调控至保证风机平稳运行的且风网安全状态下的最大风量值；S40：按照所需调节频率带入风网解算软件超前模拟各风机的工况，并判断各巷道风量是否超出风量的允许范围，若超出风量允许范围，则进行报警并将分析结果上传至地面监控中心(40)进行显示请求人工决策，同时将风机调控至保证风机平稳运行的且风网安全状态下的最大风量值，否则，将计算的调控方案输出至地面监控中心(40)，当工作人员确定无其他安全风险时，可一键快速进行多风机远程按需变频调控。5.根据权利要求4所述的矿井多风机联合运转的按需变频调风系统的调风方法，其特征在于，在步骤S10中，计算分支风量的风机调风灵敏度的方法包括如下步骤：针对风机所属区域的分支，当风机风量Q
f
变化ΔQ
f
时，其所属区域的分支i风量变化ΔQ
i
，分支i风量变化量ΔQ
i
与风机风量变化量ΔQ
f
的比值的极限为风机调风灵敏度δ
i
，其计算公式为：6.根据权利要求4所述的矿井多风机联合运转的按需变频调风系统的调风方法，其特征在于，在步骤S10中，所述各主要风机工况参数中，风机风量参数获得的方法包括如下步骤：当风流在变截面的管道中流动时，根据伯努利方程可得两个不同断面之间的能量方程为：式中：P1、P2为断面1和断面2的静压，Pa；v1、v2为断面1和断面2的风速，m/s；Z1、Z2为断面1和断面2的标高，m，对于风机来说两个断面的标高相同；ρ为风流密度，kg/m3；g为重力加速度，m/s2；h1‑2为两断面之间的阻力，Pa，两个断面非常近故可忽略；而管道中风量与风速的表达式为：Q＝Sv联立以上两式可得到基于不同断面静压差计算风量的公式为：式中：S1、S2为断面1和断面2的断面积，m2。7.根据权利要求4所述的矿井多风机联合运转的按需变频调风系统的调风方法，其特征在于，在步骤S20中，所述建立当前风机0～50Hz不同频率下的风压特性曲线方程包括如下步骤：假设某风机当前频率的风压特性方程为：任意频率的风压特性方程为：
令：A
i0
＝A
00
K1；A
i1
＝A
01
K1K2；A
i2
＝A
02
K1K
22
式中：H
f0
和H
fi
分别为当前频率的风机风压和第i个频率的风机风压；Q0和Q
i
分别为当前频率风机风量和第i个频率的风机风量；A
00
、A
01
、A
...

【专利技术属性】
技术研发人员：蒋曙光，郝海清，吴征艳，王凯，莫达，裴晓东，邵昊，奚弦，郭朝伟，尹辰辰，
申请(专利权)人：中国矿业大学，
类型：发明
国别省市：