礦井通風(fēng)機(jī)風(fēng)量測(cè)試系統(tǒng)及功能驗(yàn)證

賈振華

（山西平舒煤業(yè)有限公司，山西 壽陽 045400）

引言

近年來，因通風(fēng)機(jī)故障造成的瓦斯?jié)舛壬撸踔镣咚贡ǖ氖鹿蕰r(shí)有發(fā)生，而市面上通風(fēng)機(jī)型號(hào)層出不窮，通風(fēng)機(jī)質(zhì)量難以保證。風(fēng)量是評(píng)價(jià)通風(fēng)機(jī)工作性能好壞的基本參數(shù)，通過搭設(shè)風(fēng)量測(cè)試系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)通風(fēng)機(jī)工作性能的測(cè)試，是杜絕通風(fēng)機(jī)故障及煤礦瓦斯災(zāi)害發(fā)生的可靠手段，也可對(duì)選用通風(fēng)機(jī)的性能進(jìn)行檢測(cè)。風(fēng)量測(cè)試系統(tǒng)中主要環(huán)節(jié)為風(fēng)速傳感器的布設(shè)及數(shù)據(jù)處理，隨著國(guó)內(nèi)外風(fēng)量測(cè)算技術(shù)的提升，虛擬器技術(shù)、傳感器技術(shù)、數(shù)值模擬技術(shù)等風(fēng)速測(cè)算手段逐步取代了傳統(tǒng)的風(fēng)速測(cè)量方法[1]。本次研究將選用風(fēng)速傳感器對(duì)風(fēng)量進(jìn)行測(cè)算。

1 某礦通風(fēng)機(jī)概況

山西省平遙縣某礦通風(fēng)機(jī)選用2K56-No30 型號(hào)，通風(fēng)機(jī)選型符合設(shè)計(jì)要求，本文需用參數(shù)見表1。在實(shí)際生產(chǎn)中為了避免因供風(fēng)量不足而造成煤礦瓦斯積聚，對(duì)該礦工作面的安全生產(chǎn)造成影響甚至發(fā)生瓦斯爆炸等事故災(zāi)害，該礦安裝了風(fēng)量測(cè)試系統(tǒng)對(duì)通風(fēng)機(jī)通風(fēng)性能進(jìn)行監(jiān)測(cè)，現(xiàn)對(duì)該系統(tǒng)的應(yīng)用效果進(jìn)行分析研究。

表1 2K56-No30 型號(hào)通風(fēng)機(jī)參數(shù)

2 風(fēng)量測(cè)試系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)組成

合理選擇系統(tǒng)組成構(gòu)件可極大增加系統(tǒng)運(yùn)作效率，提高精確性，因此應(yīng)確保每個(gè)系統(tǒng)構(gòu)件在整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)中能夠平穩(wěn)可靠運(yùn)行，該系統(tǒng)組成構(gòu)件包括風(fēng)速傳感器、信號(hào)傳輸電路、數(shù)據(jù)接收采集、控制及數(shù)據(jù)處理中心四個(gè)部分。系統(tǒng)運(yùn)作流程為對(duì)風(fēng)速傳感器測(cè)點(diǎn)進(jìn)行，由風(fēng)速傳感器進(jìn)行風(fēng)速采集，并將采集信號(hào)由信號(hào)傳輸電路傳輸至控制中心進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了將風(fēng)量收集這一模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)并進(jìn)行處理分析的過程。風(fēng)量測(cè)試系統(tǒng)的整體操作較為簡(jiǎn)潔方便，在進(jìn)行風(fēng)速傳感器布設(shè)后，系統(tǒng)只需在控制及數(shù)據(jù)處理中心對(duì)所測(cè)得風(fēng)速進(jìn)行處理分析即可得出具體風(fēng)量，整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行預(yù)計(jì)每班4～5 名工作人員即可完成，3 名值班人員，2 名風(fēng)速傳感器裝置維護(hù)人員，成員結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)約，系統(tǒng)投入成本也較小，整體效果較為理想。

2.2 風(fēng)量測(cè)定

通風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀況可由測(cè)量風(fēng)量進(jìn)行評(píng)判，現(xiàn)代風(fēng)量測(cè)試方法主要為風(fēng)量傳感器、虛擬器技術(shù)、數(shù)值模擬分析法三種，現(xiàn)根據(jù)布設(shè)風(fēng)速傳感器測(cè)算風(fēng)速風(fēng)壓對(duì)該礦風(fēng)量進(jìn)行監(jiān)測(cè)。風(fēng)速傳感器測(cè)量風(fēng)量的優(yōu)點(diǎn)在于可直接對(duì)風(fēng)流速度進(jìn)行讀取，并對(duì)每個(gè)測(cè)點(diǎn)風(fēng)速變化情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，而且測(cè)試過程中對(duì)單個(gè)傳感器的故障判斷處理也十分方便準(zhǔn)確，可在通風(fēng)機(jī)井口、巷道及各種風(fēng)口使用。該系統(tǒng)擬將風(fēng)速傳感器布置于風(fēng)硐中，具體風(fēng)量計(jì)算方法為：

式中：Q 為風(fēng)量；S 為井筒或巷道斷面面積；v 為平均風(fēng)速。

由于礦井內(nèi)部風(fēng)速的無規(guī)律分布，風(fēng)流常以層流及紊流的形式存在。層流即流體的層狀分布，兩流體之間有明顯的分層界面互不干擾；紊流則會(huì)呈現(xiàn)一種漩渦形式，流體之間摩擦作用力大且影響較大。由于礦井復(fù)雜的巷道構(gòu)造及各種設(shè)備的影響，礦井正常生產(chǎn)過程中基本處于紊流狀態(tài)，該狀態(tài)下新鮮風(fēng)流能夠更好地與有毒有害氣體及粉塵進(jìn)行融合，降低濃度，保障工人生命安全[2]。因此利用風(fēng)速傳感器進(jìn)行風(fēng)速測(cè)定時(shí)，為保證測(cè)風(fēng)面風(fēng)流均勻穩(wěn)定，將風(fēng)速傳感器布置在風(fēng)速均勻波動(dòng)較小地帶，本此實(shí)驗(yàn)將測(cè)點(diǎn)布設(shè)在風(fēng)硐口布設(shè)測(cè)點(diǎn)18 個(gè)，分布在a、b、c3 條直線上，具體方式如圖1 所示。1～6 號(hào)測(cè)點(diǎn)按順時(shí)針布設(shè)，箭頭所指為1 號(hào)測(cè)點(diǎn)，7～12 號(hào)與13～18 號(hào)測(cè)點(diǎn)布設(shè)方式相同。布設(shè)方式即通過在風(fēng)硐搭建支架，并在18個(gè)測(cè)點(diǎn)分別布設(shè)風(fēng)速傳感器，將所測(cè)得風(fēng)速代入公式即可計(jì)算巷道風(fēng)量。風(fēng)量計(jì)算公式為：

圖1 測(cè)點(diǎn)布設(shè)圖

式中：vi表示各測(cè)點(diǎn)的風(fēng)速，m/s；S 表示風(fēng)硐斷面面積，m2；n 為測(cè)點(diǎn)數(shù)量。

2.3 數(shù)據(jù)處理

系統(tǒng)由風(fēng)速傳感器輸入的信號(hào)傳至數(shù)據(jù)接受采集卡，在此處將信號(hào)轉(zhuǎn)化為±10 V 的電信號(hào)進(jìn)行存儲(chǔ)，再通過A/D 轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，傳入控制及數(shù)據(jù)處理中心，對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，完成風(fēng)量計(jì)算。為了保障測(cè)試能夠順利完成，在風(fēng)速傳感器布置過程中必須選用合理的風(fēng)量測(cè)試流程，滿足相關(guān)測(cè)試規(guī)范，并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件進(jìn)行調(diào)整，如風(fēng)硐斷面面積的確定、測(cè)點(diǎn)的合理布置等，以達(dá)到可靠測(cè)量數(shù)據(jù)的采集，但在采集過程中由于無法規(guī)避因現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境、氣壓、溫度等外界條件不同對(duì)數(shù)據(jù)采集造成的影響，以及搭設(shè)支架對(duì)風(fēng)速測(cè)算的影響，將在系統(tǒng)測(cè)算過程中加入補(bǔ)償算法[3]。通過對(duì)18 個(gè)測(cè)點(diǎn)風(fēng)速傳感器所測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差補(bǔ)償，將補(bǔ)償后的測(cè)試數(shù)據(jù)再進(jìn)行計(jì)算得出實(shí)際的風(fēng)量數(shù)據(jù)，根據(jù)實(shí)際風(fēng)量數(shù)據(jù)在后續(xù)計(jì)算過程中由專業(yè)技術(shù)人員進(jìn)行數(shù)據(jù)整理計(jì)算。

3 測(cè)試結(jié)果及功能驗(yàn)證

風(fēng)速傳感器數(shù)據(jù)劃分，基于風(fēng)速在圓形硐室狀態(tài)下的運(yùn)行規(guī)律對(duì)測(cè)得數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)算，1～6 號(hào)測(cè)點(diǎn)測(cè)得數(shù)據(jù)應(yīng)具有一致性，同理7～12 號(hào)測(cè)點(diǎn)以及13～18 號(hào)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)也應(yīng)具相似性，誤差不應(yīng)超過2 m/s。本實(shí)驗(yàn)僅考慮紊流狀態(tài)，對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行過程中的熱交換、漏風(fēng)情況不做考慮。溫度等環(huán)境因素用補(bǔ)償算法進(jìn)行數(shù)據(jù)差值補(bǔ)償，測(cè)算具體結(jié)果如下。

通過對(duì)風(fēng)硐處進(jìn)行風(fēng)速傳感器的布設(shè)得到18 個(gè)測(cè)點(diǎn)的風(fēng)速值，具體結(jié)果見表2。由表2 所得數(shù)據(jù)可知，風(fēng)速整體分布呈現(xiàn)同心圓分布的特點(diǎn)，即位于同心圓上的測(cè)點(diǎn)風(fēng)速較為接近；在風(fēng)硐中心處的測(cè)點(diǎn)數(shù)值較大。經(jīng)計(jì)算風(fēng)速均值為22.94 m/s。并根據(jù)式（1）進(jìn)行風(fēng)量計(jì)算，風(fēng)硐斷面面積取4 m2，所得總風(fēng)量91.76 m3/s。由于忽略環(huán)境等因素對(duì)數(shù)據(jù)的影響，使得測(cè)算數(shù)值存在誤差，以及在風(fēng)速傳感器布設(shè)過程中由于使用支架造成的風(fēng)速影響，現(xiàn)根據(jù)補(bǔ)償算法對(duì)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)整，對(duì)各個(gè)風(fēng)速傳感器所得數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差補(bǔ)償，再根據(jù)進(jìn)行補(bǔ)償之后的風(fēng)速傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)試結(jié)果的分析處理。根據(jù)具體實(shí)驗(yàn)結(jié)論可知，風(fēng)速傳感器布設(shè)支架最大誤差可達(dá)13.2%，在2 m/s 的風(fēng)速測(cè)算過程中風(fēng)速誤差值可達(dá)0.16 m/s，風(fēng)量誤差為2.01 m3/s。因此基于這一數(shù)據(jù)，本此實(shí)驗(yàn)將支架誤差帶來的影響及環(huán)境等因素造成的風(fēng)速值降低量調(diào)整至0.81 m/s。因此補(bǔ)償后的風(fēng)硐風(fēng)速取值為23.75 m/s。

表2 各測(cè)點(diǎn)風(fēng)速

由圖2 可知，18 個(gè)風(fēng)速傳感器測(cè)點(diǎn)經(jīng)對(duì)所測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差補(bǔ)償后，兩者誤差值平均降低到0.1 m/s。保證每個(gè)測(cè)點(diǎn)誤差不超過0.25 m/s，并且在風(fēng)硐邊緣處這一差值更小。經(jīng)加入補(bǔ)償算法后對(duì)風(fēng)硐風(fēng)速進(jìn)行測(cè)算取值為23.75 m3/s。再根據(jù)上述風(fēng)量計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算，按風(fēng)機(jī)效率75%進(jìn)行測(cè)算，輸送風(fēng)量為93.75 m3/s，按風(fēng)硐斷面面積為4 m2進(jìn)行計(jì)算所得風(fēng)速為23.43 m3/s。與測(cè)試結(jié)果基本相近，誤差在0.5 m/s 之內(nèi)，因此得出該系統(tǒng)對(duì)通風(fēng)機(jī)風(fēng)量測(cè)試性能較好，能夠有效實(shí)現(xiàn)對(duì)通風(fēng)機(jī)的風(fēng)量進(jìn)行精度較高的測(cè)算。

圖2 各測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)絕對(duì)誤差比較

4 結(jié)語

通過系統(tǒng)驗(yàn)證，該礦通風(fēng)機(jī)實(shí)際測(cè)算風(fēng)量與出廠風(fēng)量基本相同，誤差為0.5 m/s，在接受范圍之內(nèi)。從而證明系統(tǒng)在該礦得到了良好的實(shí)際應(yīng)用效果，也反映出了該2K56-No30 型號(hào)通風(fēng)機(jī)在運(yùn)行過程中具有良好的工作性能。通風(fēng)機(jī)作為礦井安全生產(chǎn)不可或缺的設(shè)備，其通風(fēng)風(fēng)量的充足供應(yīng)是十分重要的，該礦通風(fēng)機(jī)風(fēng)量測(cè)試系統(tǒng)的成功應(yīng)用，為周邊煤礦礦井通風(fēng)機(jī)功能驗(yàn)證提供了良好的驗(yàn)證方案，促進(jìn)了煤礦企業(yè)的安全發(fā)展生產(chǎn)，也為煤礦資源正常開采提供了保障，帶來了巨大經(jīng)濟(jì)效益。