礦井通風機風量測試系統設計研究

王 輝

（山西離柳焦煤集團有限公司佳峰煤礦， 山西 孝義 032300）

引言

煤炭開采環境極其惡劣，礦井工作面空氣中各類有毒有害氣體以及粉塵煤炭顆粒，對工作人員的生命健康安全造成了嚴重的威脅，漂浮在空氣中的煤炭粉塵有可能大量附著在機械設備上，對設備的使用造成了不利的影響，甚至有可能突然發生故障，中斷正在連續進行的開采過程，降低煤炭的生產效率[1]。因此，現代化煤礦的發展對礦井內通風設備的工作性能要求更高，要求通風機在適當的時間和地點對礦井內有毒有害氣體和粉塵進行有效驅散。風量作為通風機工作參數的關鍵，是體現通風機通風效果的關鍵工作指標。目前針對工作面風速測試的系統具有片面性，只能針對工作面某一點進行局部風量測試，如何從全局測試有助于提高礦井工作面通風效果的研究水平[2]。通過LabVIEW 軟件設計出礦井工作面通風機風量測試系統的硬件及軟件相結合的整體結構，采用適宜的設計方法提高風量測試系統精度和計算效率。設計出的風量測試系統結構可為煤礦行業研發風量測試設備提供依據[3]。

1 風量測試方法

根據通風機安裝的工況條件分析，工作面出入口位置的風速分布呈非規律性分布狀態，目前常采用的風速法測量風量不太適用該類測試情形。

空氣風流作為流體的一種運動形式，符合空氣流體研究領域的相關理論。空氣流體主要分為層流與紊流，這是兩種不同的流體形式。其中層流是流體之間呈層狀分布，中間有明顯的交界面，兩個交界面之間有滑動摩擦力，層與層之間的空氣流動互不干擾和混合；而紊流是一種氣體呈現漩渦狀態的流體形式，流體與流體之間的摩擦作用力較大并且影響較深[4]。

在礦井工作面斷面正常生產時需不斷輸送新鮮空氣，使原有正常的空氣狀態出現擾動，能夠有效降低有毒有害氣體濃度和粉塵濃度。根據現場測試，正常工作時，空氣內雷諾數Re=2 560，大于煤礦安全規程中規定的2 320 的標準數值[5]。因此，可以視為工作面斷面內空氣的流動形式為紊流狀態。紊流流動狀態如圖1 所示。

圖1 紊流流動內部結構示意圖

通過相關理論可以得出，進入到礦井工作面內的風速在受到工作面內相關阻力后，風速會逐步下降。風速大小數值沿工作面斷面呈對稱分布形式，工作面中心的風速最大，風速向工作面四周逐步減小。因此，在接近煤礦附近存在層流現象，其余大部分區域都是呈紊流狀態。

2 通風機風量測試系統設計

2.1 硬件方案設計

正確的硬件選型是測試系統計算結果精確性的關鍵，在選擇硬件的時候應從功能需求方向考慮。完成硬件的選型可使整個測試系統的硬件安全平穩性好、可靠性高、使用壽命更長并且具有很好的經濟性能。硬件主要由傳感器、信號調理電路、數據采集卡和計算機這四部分組成[6]，可收集風量的模擬信號，通過計算轉化為數字信號的一個過程，可以實現將濕度、溫度、速度等模擬物理量轉化為電信號的數字信息。綜合以上功能考慮，設計整體硬件框架如圖2所示。

圖2 測試系統硬件結構框圖

通過整體框架結構的設計，可以對輸入信號進行放大并開展濾波處理工作。數據采集卡將采集到的信號轉化為±10 V 的電壓信號，最終統一儲存至采集卡內存中，通過A/D 轉換，將模擬信號轉換為數字信號，通過后臺輸入計算機，對計算結果進行數據處理。

2.2 測試位置方案

為了能夠使測試順利進行，在實際測定中，就必須根據現場環境條件以及所選風量測試方法合理制訂相應的風量測試方案。因此，在制訂測試方案時，應參照通風機設備技術測試的有關國家標準及要求，同時根據現場實際情況，確定出合理的測試方法和測試方案（測風斷面的選取、測試點的布置方案等），來獲得相對比較準確、可靠的測試數據。所選傳感器按照測試任務分別被安裝在相應的位置上來進行信號的獲取。由于溫濕度傳感器是用來對環境中的溫濕度進行測試的，所以一般將其安裝在風機的外壁上；在進行通風機的風速測定時，一般需要在風機入口處或風機出口處較平滑的直線段選擇測風斷面，本文將測風斷面選在風機入口段，并在測風斷面處搭架對風速傳感器進行固定，來獲得相應的風速數據。風速傳感器以及溫濕度傳感器在通風機上的安裝位置如圖3 所示。

2.3 軟件方案設計

圖3 傳感器布置方案示意圖

通過LabVIEW 軟件對測試系統整體進行設計，設計原則為軟件與硬件相匹配。軟件的功能包括對計算參數結果進行獲取、分析、研判、決策等。整體的軟件設計應由多種類型的功能模塊組成，軟件監測顯示結果應清晰明了簡潔，能夠使后臺專業技術人員及時對數據進行分析。測試系統的整體軟件模塊結構如圖4 所示。

圖4 測試系統軟件結構示意圖

在整體的軟件算法中加入補償算法，對輸入的風量數據參數進行結果優化分析，同時結合環境氣壓、濕度等因素對數據進行修正。在軟件系統采集到多個傳感器數據后，對每一個傳感器數據進行誤差補償，再用補償后的風量數據測試結果綜合分析出實際的風量數據。

3 風量測試系統驗證

在工作面礦井入口布置的補償器測試的風速為9 m/s。由圖5 可知，在經過動態風速數值補償過后，誤差值降至0.11 m/s。兩者之間的絕對誤差偏差率僅為0.69%，在測試風量的每一個測試點的誤差偏差均沒有超過1.12%，并且在越靠近測試點洞口入口的誤差數值越小。通過相關理論計算公式，結合測試系統的數據分析，誤差補償后的風速值更接近理論值。通過對整體24 個測試點的風速傳感器進行數據統計，得出了改變電機驅動功率在電機工作頻率不變的情況下也會對輸出的風速值產生影響。

風量測試系統數據結果說明系統研制對通風機風量的測試性能良好，可有效對風量的大小進行精確計算，24 個測試點的數據分析偏差計算結果均小于國家規定的標準偏差數值。

圖5 測試系統風速對比分析圖

4 結語

隨著煤炭開采量的日益增加，所產生的煤炭顆粒粉塵濃度在上升。通風機是礦井的安全生產設備，風量是通風機是否能夠滿足工作要求的重要參數，也是評價通風機性能好壞的指標，同時也影響通風機在正常過程中的狀態。風量測試系統的方案設計可為煤礦行業研發風量測試的大型裝備提供依據。