主扇不停風倒機及無人值守監測監控系統研究

閔祥晟，劉 韜，司新江

（兗州煤業股份有限公司興隆莊煤礦,山東濟寧 272100）

0 引言

礦井通風系統肩負著礦井通風的重要工作，作為通風主要動力的提供者，主扇風機素有“礦井肺腑”之稱。主扇風機一般采用一備一用形式，在運行一段時間后會將備用風機改為主用實現掛網通風，而原主用風機進入檢修備用階段，把主備用風機的掛網切換稱為倒機。煤礦通風機按照傳統的“停機倒機”操作方式，倒機過程中備用風機為冷備用方式，一旦備用風機因為意外無法按預期啟動，而原主用風機已經停轉，煤礦通風在短時間內將難以恢復，易造成礦井停風事故，嚴重威脅著煤礦的生產安全。主扇不停風倒機及無人值守監測監控技術是礦井主通風系統安全運轉的重要保障。

兗礦煤業股份有限公司興隆莊煤礦的礦井通風系統總體上運行安全，近期未發生安全事故。然而，由于倒機步驟繁瑣、倒機方式落后、倒機時間過長等問題普遍存在。雖然未釀成安全生產事故，但是仍存在一定的安全隱患。

1 研究內容

系統主要由智能系統和風門系統組成。當通風硬件設備（主要是主扇風機及其附屬設備）發生故障不能正常運行時，為了不影響礦井通風工作的正常進行，需要通過主扇不停風自動倒機系統直接倒換主扇風機，倒機過程中將確保向井下不間斷地供風，待倒機工作結束、設備運行平穩后再對相應設備或電源電路進行故障檢查和排除工作。

項目摒棄現有的冷備用方式，在投運風機未停止運轉之前將備用風機超前啟動，進入熱備用狀態，提高倒機過程的容錯能力。如果備用風機能夠正常啟動，待其運行穩定之后再進行運行風機的切換操作；假設備用風機不能進入熱備用狀態，可停下來進行故障處理，因投運風機未停止運轉，不會影響礦井通風系統，可以有充分的時間查明原因。另外，讓備用風機提前進入熱備用狀態，將原來“停風倒機”方式下風機切換過程的系統微風或停風階段轉變為在風機切換過程中短暫時間礦井通風風量合理的波動。

同時項目研發應用自密式旋葉風門，引入“短路”風門，將倒機過程簡化為基于4 個風門聯動的風路切換過程（雙風窗自動化切換），整個風路切換過程將經歷原運行風機掛網、2 個風機并聯運行同時掛網和過渡到備用風機掛網3 個階段，整個倒機過程持續向井下供風，并盡可能保持通風穩定。鑒于4 個風門的風路切換中通風穩定控制問題屬于典型的非線性、大滯后、強耦合和多變量控制問題，項目計劃分別研究采用基于順序控制的開環控制和基于模糊控制兩種方法，以保證倒機過程中風量的平穩過渡。

1.1 智能監控系統

（1）實現礦井主扇風機電機不停運狀態下兩臺主扇風機的切換運行，實現一鍵自動切換。

（2）在線實時監測主扇風機主要性能參數，如壓力、風量等。

（3）在線實時監測主扇電機的主要電氣參數如電壓、電流、功率及功率因數等。

（4）在線實時監測軸承箱軸承溫度、振動，主電機繞組、軸承溫度等運行參數；監測液壓站啟停信號、運行狀態；風機啟停、運行信號、風機風門開關信號、葉片運行角度等；在線設置礦井通風需要風量、壓力、溫度、振動值等報警、停機等范圍上、下兩級區間值。到第一數據設置區間時，監控系統自動發出警報，到第二數據設置區間時，監控系統應發出警報并停機，并開啟故障自動切換風機系統。

（5）能在監控中心同步顯示風機及風門系統模擬運行畫面（圖1）。

（6）設置故障專家診斷系統，監控系統將風機不同故障（電氣、機械及監控系統故障）進行分類，根據故障等級影響風機正常運轉故障和一般性故障給出不同處理意見，發出警報、直到進行應急控制處理，確保主扇風機的安全運行，保證井下通風正常；具備聲光報警；故障處理完畢后或人工進行故障消警后，報警才能停止。

（7）設備出現故障停運時，可依據故障因素提示司機進行應急處理，具備故障時自動切換風機功能。

1.2 風門系統

風門系統包括4 個風門及其執行機構，主要包括對空短路風門（水平自密式旋葉風門）和立式掛網調節風門（立式自密式旋葉風門）。百葉窗式風門如圖2 所示。風門具備以下功能：

（1）具備風門開到位、關到位限位功能，設備機械到位點，執行機構具備過力矩和電流超限保護。

圖1 主扇風機監控畫面

（2）能實現與監控系統的通信，執行監控系統關于風門的控制要求，能發送風門狀態的反饋信號。

（3）滿足礦井通風要求，風門強度保證在通風系統長時間運轉狀態下不發生變形或主要部件不損壞，保證在不破壞主體結構的情況下可進行日常檢修。

（4）風門密閉性能好，在關閉狀態時漏風量≤1%，風門啟閉時間<1 min。

圖2 百葉窗式風門（開啟狀態）

2 實現指標

實現興隆莊煤礦東風井主扇不停風自動倒機和無人值守，切實提高通風自動化和智能化程度，同時大大提高倒機可靠性和倒機效率，提升通風安全。具體技術指標如下：

（1）具備“一鍵式”式倒機和無人值守功能。

（2）在每月一次的正常倒機中，包括風機發生故障時，實現礦井主扇風機的切換工作，倒機過程中井下風量波動時間<1 min，倒機過程中最低通風量不低于正常通風量的40%，最低供風量持續時間<10 s，倒機時間縮短到2 min以內。

（3）發生故障時監控系統能夠實時顯示和報警提示，控制方式有手動、自動和點動三種模式，切換時間<3 s。

（4）風門密閉性能好，在關閉狀態時漏風量≤1%，風門啟閉時間<1 min。

3 關鍵技術

（1）不停風自動倒機技術。主扇風機倒機期間通風動力的持續供應，“一鍵式”操作倒機和自動識別運行通風機故障的自動倒機功能。

（2）雙主扇熱備用技術。確保倒機前備用風機處于正常工作狀態，確保風機性能穩定，具備倒機條件。

（3）專家故障診斷技術。從“通風系統安全”和“通風設備安全”的雙重角度出發進行故障診斷研究，鑒于主扇風機故障樣本嚴重不足的現狀，采用基于人工免疫的故障預警和診斷分類方法進行研究，為后續的控制策略和控制手段提供決策支持，確保在通風機異常情況下，以最小的損失獲得最大的安全效益，主扇風機通風系統模型中設置故障點進行取樣對比研究，并建立故障診斷數據庫。

（4）通風系統遠程實時監測監控技術。在線實時監測主扇風機運行相關參數，確保主扇風機及其附屬設備處于正常工作狀態。

（5）風門優良的密封性能和耐腐蝕性技術。滿足礦井通風對風門密封性和可靠使用壽命的要求。

4 社會效益

主扇不停風倒機及無人值守監測監控系統的研究與應用，極大地提高興隆莊煤礦礦井通風系統的安全可靠性，成功地解決由主扇風機造成的通風失穩問題，根除由于主扇風機故障和定期停機形成的瓦斯超限事故，保證了礦井主通風機的安全運轉，提高了礦井通風系統的安全穩定性，具有巨大的社會效益及行業內廣泛的推廣價值。