主礦井通風風流能量消耗最小化控制研究

王志鵬

（晉能控股煤業集團朔州煤電千井煤業有限公司，山西 朔州 036900）

引言

通風控制系統的原理是在礦井內每個工作區域內配置一套二次通風機，在工作區域內對通風風量進行探測[1-3]，通過計算每個工作區域內所需的總二次空氣流量，將其作為風扇通風流量的設定值[4-5]。

為了實現礦井通風穩定可靠，本文提出了一種新的通風風量最小控制方法，對目前的通風系統做出優化和改進，使得礦井通風系統更加穩定，消耗的能源更少。

1 實驗模型搭建

1.1 控制定義

目前通風系統采用多個風機分配通風風流的方式。風扇和門是通風系統的一部分，單個風扇或門的改變會對其他風扇的運行產生影響，采用SISO（單進單出）控制器很難精確地解決目前的通風控制問題。

控制目標是采用協調方式使風機正常運行，并且滿足礦井所需的最小空氣流量。

1.2 先驗信息的定義

使用先驗信息的目標是礦井通風系統正常工作時如何節省能源。通過對通風系統進行分析，設置控制范圍，提出了一個改進后的、優越的通風系統方案，如圖1所示。

圖1 改進優化的礦主通風系統示意圖

對主風量影響最大的部件為主風機和各層進氣、排氣增壓風機。各層二次風機僅起攪拌作用，對整體風量無顯著影響。

研究表明，為了實現礦井通風過程中最大程度的節能，需要控制兩個最重要的參數，一是礦井通風系統中進出的空氣流量，二是空氣流量所需的風扇最低功率，通過通風風流能量計算得到空氣流量。

1.3 模型確定及系統識別

建立用于控制通風風機的通風系統模型，并在現場與礦井作業人員共同進行了實驗。為了獲取每個控制輸入對整個系統的影響，首先關閉所有風扇的自動控制，然后對于其中一個風扇轉速進行設置，讓系統達到平衡。觀察所有需要被監測信號，包括氣流、壓差、風扇功率、風扇轉速，并記錄結果，最后對其余的風扇重復這個過程。通過實驗研究，一個典型的階躍變化序列的結果如下頁圖2所示。

圖2 階躍響應和結果

這一實驗過程是對系統中的所有風扇進行測試的，并將所有的實驗數據擬合成為數值模型。

2 實驗結果和分析

2.1 實驗結果

建立通風系統模型，并采用通風分流能量控制的方法，礦井內的通風風量比以前更能滿足需求，節能是風機順暢運行的直接結果。事實上，這是一個單一的控制系統，簡化了在特定區域內空氣流量的調節控制。實驗結果證明，風扇的能源消耗減少了40%。此外，觀察到進礦總風量減少了約15%，節省的能源可以用在冬季取暖等其他方向。

除了直接提供的風扇能量減少之外，該模型還提升了對空氣流動的可控性。這說明通過按需通風功能計算的通風流量，可以計算出更接近最小極限的通風流量，如果設定值超過安全閾值，則通常會在需求參數中適當調整安全系數。如圖3所示，基于該模型，上述問題可以減少或消除。

圖3 模型預測控制的效果示意圖

模型預測控制方法具有穩定性和可靠性，在很長一段時間，都不需要重新校準。如圖4所示，該圖顯示了受控風扇在特定期間的總功耗。需要注意的是，在這段時間的最后一部分，功率略有增加。這是由于其中一個流量傳感器工作不正常，導致其中一個風扇一直在全速運行，使得功率增加。

在同一時間段內，通過KPI監控對通風性能進行實驗。該實驗證明增加風扇功率使得通風系統性能變差，該實驗還對通風系統的故障進行分析，并對損壞的空氣流量傳感器進行修復，圖5是圖4在同一時間段內的通風性能KPI示意圖。采用優化控制系統模型后，礦井實際生產與通風系統性能之間的相關性比以往任何時候都更強。

圖4 受控制風扇的總功率

圖5 通風系統性能KPI

2.2 實驗分析

通風系統模型經過優化后的效果與預期一致，甚至超出預期效果。節能的最初目標已經實現，對更強氣流的可控性要求，則為控制系統設計提供了新的研究方向。在礦井正常工作前選取適當的通風控制范圍，對于通風系統的控制和分析是至關重要的。該模型采集的數據是數字信號，這表明模型是通過收集的歷史操作數據并對數據進行分析得出的。隨著礦井的發展，這種新方法使得對通風風量的控制更加容易，對模型的維護也更容易實現，模型預測控制方法具有穩定性和可靠性，在很長一段時間，都不需要重新校準。

3 結語

將最小化控制模型應用于礦井通風系統，使得通風風流能量消耗具有多重效益，不僅降低了通風系統的運行成本，而且大幅度改善了礦井工作環境。礦井在不斷發展，現有模型也在循序漸進地被優化和改進。將模型預測控制技術集成到現有控制系統中，使得用戶可以輕松地更改系統參數和調整通風風流能量閾值。經過實驗證明，本文提出的最小化控制系統在穩定、安全的方式下取得了較好控制效果。