基于正交試驗法的礦井通風機通風特性的優(yōu)化研究

仝 暉

（大同市焦煤礦有限責任公司，山西 懷仁 038300）

引言

為滿足和維持煤礦井下工作場所的氣流需求，風量調(diào)節(jié)是必要的。礦井通風管理是保證礦井安全生產(chǎn)的一項重要工作。在風量、轉(zhuǎn)速、風壓等控制在合理范圍內(nèi)的情況下，尋求能使通風總能耗最小化的最佳調(diào)節(jié)方案是十分必要的。

1 礦用通風機性能參數(shù)測定

1.1 風量測定

被測試對象為離心式通風機，在通風機入風口附近進行測量，檢查無漏風現(xiàn)象。風量計算如式（1）[1]：

式中：qi為通過通風機的風量，m3/s；n為測點數(shù)；vi為第i測點測得的風速，m/s；Ai為測風斷面第i塊的面積，m2。

1.2 風壓計算

式中：Pt為通風機全壓，Pa；n1為通風機入口測點數(shù)；Pt，i為通風機入口第i測點全壓。

1.3 通風機轉(zhuǎn)速測定

因為通風機與電動機直接相連接，可以只測電動機轉(zhuǎn)速，每調(diào)一個工況點測3次，取其算術(shù)平均值[2]。

1.4 通風機軸功率及效率的測定

式中：Pa為通風機軸功率，kW；ηt為機械傳動效率；ηm為電動機效率；Pe為電動機輸入功率，kW。

2 正交試驗步驟

1）確定試驗指標。本試驗的目的是要尋求一個最佳的能耗指標使通風總能耗最小化。因此可用風機的能耗P作為試驗指標。

2）確定試驗因素并選取適當水平。選取試驗因素時，過多的實驗次數(shù)會造成繁雜且無效的結(jié)果，因此根據(jù)要求盡量少選試驗因素，本試驗選擇風量、風壓、轉(zhuǎn)速、效率作為試驗因素。

3）選用合適的正交表。滿足試驗條件的常用正交表[3]有L9（34）、L27（313）和L81（340），用前者試驗只需做9次試驗，用后者要做27項和81項試驗，本次試驗采用L9（34）。

4）表頭設(shè)計。正交表中的每一列代表一個因素，因素間無交互作用，因此，因素可以沒有順序地任意放置。本次試驗各因素無關(guān)聯(lián)作用，因此可以在表頭任意放置，如表1所示。

表1 表頭設(shè)計

5）編制試驗方案。在表頭設(shè)計的基礎(chǔ)上，將所選正交表中的各列的不同數(shù)字換成對應因素的相應水平，便形成了試驗方案。極差分析的方法確定因素影響目標結(jié)果，確定試驗的最優(yōu)因素水平及因素的最優(yōu)組合，判斷各因素對試驗指標的影響見表2所示，“1”“2”“3”分別代表各因素水平。

表2 各因素水平

6）數(shù)據(jù)結(jié)果處理。使用極差分析[1]對數(shù)據(jù)結(jié)果進行處理，用Ki代表在某列因素某水平下目標指標之和來代表因素的變化幅度，值越大代表此因素造成的影響越大，是主要因素。值越小代表此因素是次要因素。

3 工程應用

3.1 工程概況

本次試驗風機測量在山西寧武某煤礦進行，在此煤礦1號巷道采用抽出式通風設(shè)備安裝一臺G4-73-28D型離心式風機，具體參數(shù)可以詳細見產(chǎn)品說明手冊。詳細測量數(shù)據(jù)見表3。

表3 風機通風參數(shù)測量

3.2 實測數(shù)據(jù)處理

根據(jù)上述風機參數(shù)值調(diào)整風量、風壓、轉(zhuǎn)速、效率調(diào)節(jié)工況，測得目標值功率如表4所示。

表4 測試結(jié)果

其中：K1為因素所在列中數(shù)字“1”所對應的目標值之和；K2為因素所在列中數(shù)字“2”所對應的目標值之和；K3為因素所在列中數(shù)字“3”所對應的目標值之和。

3.3 結(jié)果分析

1）根據(jù)極差大小列出各因素重要程度由大到小依次為風壓、風機效率、轉(zhuǎn)速、風量，優(yōu)化組合方案為A1B2C3D4。

2）由圖1可看出：隨著風量的增加功率消耗也在增加；風壓值增加功率開始會有明顯的下降隨后再增加的過程；隨著轉(zhuǎn)速的增加功率會先增加隨后出現(xiàn)明顯下降；功率和效率呈現(xiàn)反比趨勢，功率提升效率會下降。

圖1 各因素對功率影響的變化趨勢

4 結(jié)論

1）在煤礦安全生產(chǎn)過程中，通風機風量、風壓、功率、效率被實時進行監(jiān)測并傳遞到監(jiān)測屏幕系統(tǒng)，根據(jù)本文研究內(nèi)容可實時根據(jù)風機耗能情況進行調(diào)節(jié)風機特性參數(shù)，達到節(jié)能目的。

2）在煤礦通風系統(tǒng)的風機運行中，影響其耗能大小的因素有很多，采用正交試驗方法，合理地安排試驗，通過典型工況因素數(shù)據(jù)，就可以分析實際運行過程中，影響通風機耗能的主要因素及變化規(guī)律。