煤礦主要通風機風量傳感器布置方法研究

李 曼，杜雪峰，曹現剛，霍 曼，馬 歡

（西安科技大學 機械工程學院，陜西 西安710054）

礦井主通風機是煤礦生產中重要的安全設備，其運行狀態直接關系到生產的安全性和經濟性。風量作為評價礦井通風狀態的主要指標，國家和行業標準與規程中對其性能和運行狀態的測量都提出了明確的要求。AQ 1011—2005《煤礦在用主通風機系統安全檢測檢驗規范》中，風量測量是獲得被測風機性能曲線和運行工況點的重要依據；《煤礦安全規程》對井下所需風量、巷道風速以及測風制度做了嚴格規定。隨著礦井安全生產信息化和智能化的發展，對主通風機風量的監測提出了新的要求。GB/T 51272—2018《煤炭工業智能化礦井設計標準》提出，應對主要通風機進行在線實時監測并以此為基礎實現其自動無級調節。風量的準確測量已成為評價礦井通風安全和實現通風設備智能控制的重要任務，但是目前風量的準確測量方法和傳感器布置位置還是待解決的基礎問題[1-2]。

針對巷道風量的測量，許多學者和技術人員進行了相關研究。文獻[3]利用模擬仿真和實驗的方法，分別對均直巷道以及巷道斷面突擴后風流的分布做了研究，發現巷道均直段整體測點風速大小及風向均服從正態分布，但是在突擴區域風流風向極不規則；文獻[4-5]利用模擬實驗的方法，針對不同截面巷道平均風速點的分布以及巷道壁面附近的低風速區域范圍進行研究，發現影響風速分布的因素只與巷道截面特征和參數有關；文獻[6-7]通過對不同截面巷道平均風速的分布規律進行數值模擬研究，得出了巷道平均風速定點測風的可行性以及定點測風位置；文獻[8-9]分別研究了巷道中最大風速、某定點風速與巷道平均風速的關系，得到它們與巷道平均風速的計算關系。文獻[10-11]針對風硐內風速分布進行模擬研究，得出風流速度隨傳感器距巷道壁上各特征線端點距離變化關系的函數以及傳感器支架對風速測量的影響。

主要通風機風量的測定通常在風機的前置風硐內完成[12]。為了提高風量測量的準確性，一般采用多點測風的方法，即在選定的測風截面上安裝多個風速傳感器，通過測量風速計算得到風量。由于風硐更靠近主通風機，相比巷道風速更大、風流分布更為復雜，風速易受傳感器安裝方式、位置的干擾，影響測量的準確性。目前，礦井風量準確測量方法和影響因素研究以針對巷道單點測風為主，針對主要通風機前置風硐中多點測風法的研究較少。基于此，采用模擬仿真和試驗的方法，研究方形、拱形和梯形3 種風硐中傳感器安裝方式和位置對風速分布的影響，優化傳感器安裝位置，提高風硐中風量測量的準確性，為礦井通風的智能化檢測、監測和管理提供參考。

1 不同形狀風硐測風點位置

一般測風截面選在截面變化不大的平直風道緩流段。研究的為抽出式對旋軸流通風機，測風截面選取位于距離主要通風機入口大于1.5 倍的風硐水力直徑緩變流處。

方形風硐測風點的布置方式一般根據截面大小將測風截面分為若干個矩形，如2×3、3×3、3×4 和4×4 等，每個小矩形的幾何中心處為測風點。以測風點處的風速值作為小矩形的平均風速，由式（1）計算風量。

式中：Q 為風道風量，m3/s；Si為第i 個小矩形的面積，m2；vi為第i 個測試點的風速，m/s；n 為測點數。

拱形和梯形風硐采用切貝切夫法確定測點數量和位置。拱形風硐由7 條橫線和6 條縱線交叉形成36個測試點；梯形風硐由6 條橫線和7 條縱線交叉形成34 個測試點，拱形和梯形風硐測風點分布如圖1。

圖1 拱形和梯形風硐測風點分布Fig.1 Distribution of the wind－measuring point in vaulted and trapezoidal fan drift

拱形巷道和梯形巷道的風量由式（2）計算：

式中：Q 為風道風量，m3/s；L 為基準線長度，m；vˉi為第i 條測試線的算術平均速度，m/s；li為第i 條測試線的長度，m；m 為測試線條數。

2 建模與仿真分析

2.1 風硐模型與參數

參照煤礦風硐的實際尺寸，建立風硐模型，風硐模型尺寸見表1。傳感器支架采用截面為3 cm×3 cm 的角鋼，方形風硐按3×3 劃分為9 小矩形進行支架設置，拱形和梯形風硐考慮到傳感器的尺寸，確定在測風截面上各測試線下14 cm 處設置支架。測風截面均選擇位于巷內距離主通風機風硐入口10 m處。

表1 風硐模型尺寸Table 1 The fan drift model size

在ICEM CFD 中建立物理模型并進行網格的劃分，風硐模型中間處采用四面體為主的混合網格單元劃分，靠近邊界處采用棱柱網格單元劃分。

仿真參數設置：假設全程壁面的粗糙程度相同且與風流沒有熱量交換，空氣密度為1.2 kg/m3，黏性方程采用標準k-ε 湍流模型，選擇速度與壓力耦合方法求解。風硐物理模型為1 個風流入口、1 個風流出口，其余為壁面。選擇邊界入口條件為velocityinlet，邊界出口條件為outflow，壁面采用無滑移邊界條件。入口風速選擇1～15 m/s。

2.2 風硐風速分布的模擬仿真結果

對3 種形狀風硐在無、有支架干擾時風硐內風速分布的進行模擬仿真，無支架干擾時測風截面處速度模擬仿真分布云圖如圖2，有支架干擾時測風截面處速度模擬仿真分布云圖如圖3。以入口風速為7 m/s 時的速度云圖為例進行分析。由圖3 可以看出，3 種形狀風硐在測風截面處的風速分布趨勢相似，從靠近壁面開始往風硐中心延伸風速逐漸增大，分布形式呈1 個與截面環形一致的同心環狀；圖3 與圖2 相比，有支架干擾時，由于受到支架黏滯力的作用，風硐風速分布被分割成不同區域，不再為單個環狀，支架附近風速驟變，支架和壁面處的風速為0，兩支架之間風速分布較為均勻，風速分布較無支架時發生了較大的變化。

圖2 無支架干擾時測風截面處速度模擬仿真分布云圖Fig.2 Distribution cloud diagram of velocity simulation at the wind section without mounting bracket interference

圖3 有支架干擾時測風截面處速度模擬仿真分布云圖Fig.3 Distribution cloud diagram of velocity simulation at the wind section with mounting bracket interference

模擬仿真分別得到不同入口風速無支架和有支架時各測試點風速值，根據式（1）和式（2）中風速的獲取方法，得到2 種情況下用于風量計算的風速值，二者的偏差值△：

式中：vy為有支架時風量計算的風速值，m/s；vw為無支架時風量計算的風速值，m/s。

3 種風硐支架對風速測量的影響程度及趨勢如圖4。

圖4 3 種風硐支架對風速測量的影響程度及趨勢Fig.4 The trend and degree of the influence of support on wind speed measurement in three kinds of shapes fan drift

由圖4 可以看出，對于3 種不同形狀的風硐，支架對風速均有較明顯的影響，影響趨勢基本一致。有支架干擾時，風速值均變大；隨著入口風速的增大，支架對風速影響的偏差值也隨之增大；拱形和梯形風硐靠近風硐頂部和底部的兩條測試線上風速偏差值相比其他測試線上的更大。

3 傳感器布置位置的優化

搭建傳感器安裝支架后，在支架周圍風速發生驟變，如果在此處安裝風速傳感器，會產生較大的測量誤差。3 種風硐縱向截面有支架時的仿真速度云圖如圖5。

圖5 3 種風硐縱截面有支架仿真速度云圖Fig.5 The simulated velocity cloud diagram of three kinds of shapes fan drift with mounting bracket

由圖5 可見，支架截面處風速突變劇烈，迎風超前支架截面一段距離，影響減小，風速分布趨于均勻。適當選擇超前支架風速分布較均勻處布置傳感器測頭可減小支架的影響。

對3 種風硐在有支架下超前支架截面200、225、250 mm 截面處進行仿真。以入口風速為7 m/s 的速度仿真為例，進行影響程度和趨勢對比分析。不同截面處各測試點（線）的風速偏差值對比如圖6。

圖6 不同截面處各測試點（線）的風速偏差值對比Fig.6 The comparison of wind speed deviation on each test point or test line at different sections

圖6（a）～圖（c）分別為方形、拱形和梯形風硐在支架截面處、超前支架截面200、225、250 mm 處的風速與無支架時原測風截面處風速的偏差值△對比，△計算方法如式（3）。由圖6 可見，所有超前位置處，△均有明顯下降。方形和梯形風硐在250 mm處的偏差較小；拱形風硐在225 mm 和250 mm 處的偏差較小。

4 試驗驗證

以方形風硐為例，通過試驗對仿真結果進行驗證。西安科技大學煤炭主體專業綜合試驗礦井是以井下實際布局模擬修建，試驗于主通風機風硐內完成，風硐尺寸：長10 m、寬1.24 m、高1.24 m。風速測試試驗方案與設備如圖7。

圖7 風速測試試驗方案與設備Fig.7 Experimental scheme and equipment for wind speed testing

風道風量可由式（1）計算。試驗礦井主通風機由2 臺FBCDZ No12 組成，其主要參數為：①電機型號：YBF2 200L－6；②轉速：980 r/min；③風量：720～1 560 m3/min；④風壓：400～1 500 Pa。試驗中，關閉1＃風機及1＃風機蝶閥，2＃風機工作；風速由CFJZ6通風機綜合測試儀測量，其主要參數為：①風速范圍：0.3～20 m/s；②測量精度：±0.20 m/s。

試驗中通過改變2#風機蝶閥旋轉角度調節風阻，試驗調節了8 個工況點，取試驗中各工況點下的入口風速，建立試驗風硐模型進行無支架模擬仿真，得到各工況點在無支架干擾時支架截面處的風量值，以仿真風量為真值，與各截面位置的測量值進行誤差對比，風量測量數據及誤差對比見表2。

可見，風量測量誤差在支架截面處最大，200～250 mm 均有明顯下降，250 mm 截面處最小，該截面處的測量誤差相比支架截面處的下降了44.4%～67.4%；誤差受入口風速影響較大，隨著入口風速的增大，測量誤差均隨之增大，與仿真結果一致。

5 結 語

1）傳感器安裝支架對3 種不同截面風硐中風流分布及測試點風速均有影響，影響形式相近，支架附近風速驟變，兩支架之間中心部位風速分布較為均勻，風速較無支架時均變大，且隨著風硐入口風速的增大，偏差也相應增大。

表2 風量測量數據及誤差對比Table 2 The air volume measurement data and error comparison

2）3 種不同截面風硐在超前支架200、225、250 mm 截面處的風速偏差值相對支架截面處的風速偏差值均有明顯下降。

3）選擇超前支架、靠近兩支架之間中心部位風速分布較均勻處布置傳感器測頭可減小支架的影響。對于方形和梯形風硐風速傳感器安裝的最佳參考位置為超前支架截面≥250 mm 處，拱形風硐為超前支架截面≥225 mm 處。