礦井主通風(fēng)機(jī)不停風(fēng)倒機(jī)控制的研究

吳現(xiàn)東

（山西焦煤西山煤電股份有限公司西曲礦， 山西 太原 030200）

0 引言

礦井的主通風(fēng)機(jī)將井下煤層溢出的瓦斯氣體抽出地面，保證了井下人員安全，因此其正常運(yùn)行是煤礦安全開采的前提。隨著礦井開采深度和工作面長度不斷增加，特別是在某些高瓦斯礦井，通風(fēng)系統(tǒng)的短時(shí)故障也可能導(dǎo)致瓦斯?jié)舛葓?bào)警，影響正常生產(chǎn)。在主通風(fēng)機(jī)倒機(jī)過程中，會在井下產(chǎn)生短時(shí)間的停風(fēng)，因此需要研究一種不停風(fēng)倒機(jī)控制系統(tǒng)，以提高通風(fēng)機(jī)的安全性和可靠性。

1 不停風(fēng)倒機(jī)系統(tǒng)的分類

目前大多數(shù)礦井的風(fēng)機(jī)采用手動倒換方式，手動操作風(fēng)機(jī)的風(fēng)門和驅(qū)動電機(jī)，完成主備之間的輪換。手動操作模式下，主備風(fēng)機(jī)不能無縫銜接，在作業(yè)時(shí)間的差異影響下，井下容易出現(xiàn)短時(shí)停風(fēng)和瓦斯超限的現(xiàn)象。

不停風(fēng)倒機(jī)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方式有很多，根據(jù)工作原理可分為風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速式、調(diào)節(jié)風(fēng)門改變風(fēng)阻式、增加對空短路風(fēng)門式。其中風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速式通過對風(fēng)機(jī)加裝變頻調(diào)速裝置，在倒機(jī)過程中，運(yùn)行風(fēng)機(jī)逐漸減速，備用風(fēng)機(jī)逐漸加速，通過兩臺風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速控制保持井下風(fēng)量和負(fù)壓的不變，完成不停風(fēng)倒機(jī)的過程。這種方式需要對兩臺風(fēng)機(jī)進(jìn)行變頻改造，初期投入較大，且倒機(jī)過程中可能發(fā)生風(fēng)阻短路，造成井下短時(shí)無風(fēng)。調(diào)節(jié)風(fēng)門改變風(fēng)阻式是通過調(diào)節(jié)風(fēng)門的開度改變風(fēng)阻，先使兩臺通風(fēng)機(jī)并聯(lián)，然后再完成倒機(jī)。這種方式雖然不需要變頻器，但是倒機(jī)過程中存在兩臺風(fēng)機(jī)并聯(lián)的時(shí)間段，此時(shí)可能發(fā)生喘振現(xiàn)象，造成機(jī)械事故。增加對空短路風(fēng)門式是在風(fēng)機(jī)入口處增加對空風(fēng)門，與掛網(wǎng)風(fēng)門形成聯(lián)動控制，對空風(fēng)門在風(fēng)機(jī)入口形成了風(fēng)阻短路。這種方式將備用風(fēng)機(jī)從冷備用倒機(jī)變?yōu)闊醾溆玫箼C(jī)，降低了啟動風(fēng)阻，但是也存在短時(shí)無風(fēng)現(xiàn)象。不停風(fēng)倒機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)牽扯到風(fēng)機(jī)性能、電網(wǎng)容量、投資成本等多方面因素，需要根據(jù)礦井通風(fēng)系統(tǒng)的實(shí)際情況進(jìn)行選擇[1]。

2 對空風(fēng)門結(jié)構(gòu)和作用

對空風(fēng)門的基本結(jié)構(gòu)有閘閥風(fēng)門、百葉窗風(fēng)門、旋葉風(fēng)門和蝶閥風(fēng)門。閘閥風(fēng)門是傳統(tǒng)風(fēng)門結(jié)構(gòu)，在動作過程中需要較大功率電機(jī)進(jìn)行拖動。百葉窗風(fēng)門的葉片、框架和傳動機(jī)構(gòu)較脆弱，執(zhí)行機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動葉片的微小角度偏差容易造成很大程度的漏風(fēng)。蝶閥風(fēng)門在動作時(shí)，蝶閥以中間立柱為中心轉(zhuǎn)動，閥門兩側(cè)受到風(fēng)流的壓力均衡，因此閥門動作的阻力只有自身轉(zhuǎn)動部件的摩擦力，拖動電機(jī)的功率不需要很大[2]。

對空蝶閥的作用：一是保證備用風(fēng)機(jī)啟動過程中運(yùn)行風(fēng)機(jī)的工況不變，因?yàn)檩S流風(fēng)機(jī)必須要帶負(fù)載啟動，對空蝶閥給備用風(fēng)機(jī)提供了開啟的風(fēng)道；二是調(diào)節(jié)風(fēng)量和壓力保持恒定，當(dāng)備用風(fēng)機(jī)并入通風(fēng)時(shí)，對空蝶閥開啟可使總風(fēng)流分流，避免井下風(fēng)量和壓力過大；三是緩解風(fēng)機(jī)的流量、壓力波動，避免風(fēng)機(jī)喘振。在切換過程中，風(fēng)機(jī)工況點(diǎn)發(fā)生改變，對空蝶閥可以調(diào)節(jié)壓力和流量。

如圖1 所示為對空短路風(fēng)門在風(fēng)機(jī)不同運(yùn)行狀態(tài)的側(cè)視圖，在風(fēng)機(jī)掛網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，對空風(fēng)門關(guān)閉，立式風(fēng)門打開，主通風(fēng)機(jī)正常運(yùn)行，將井下污濁空氣經(jīng)立式風(fēng)門抽出到地面；在風(fēng)機(jī)熱備用時(shí)，對空風(fēng)門打開，立式風(fēng)門關(guān)閉，主通風(fēng)機(jī)將對空風(fēng)門的空氣抽至地面，保持井下風(fēng)壓、風(fēng)量不變的前提下，主通風(fēng)機(jī)啟動至正常運(yùn)行狀態(tài)。這樣的對空風(fēng)門設(shè)計(jì)使備用風(fēng)機(jī)在倒機(jī)之前進(jìn)入熱備用位置，提高了倒機(jī)成功率[3]。

圖1 對空風(fēng)門的布置

3 倒機(jī)過程

倒機(jī)前通風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行方式：1 號電動機(jī)帶動1 號通風(fēng)機(jī)處于掛網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)，1 號立式風(fēng)門打開，1 號對空短路風(fēng)門關(guān)閉；2 號電動機(jī)和2 號通風(fēng)機(jī)處于冷備用狀態(tài)，2 號立式風(fēng)門關(guān)閉，2 號對空短路風(fēng)門關(guān)閉。

1）打開2 號對空短路風(fēng)門，2 號電動機(jī)啟動，拖動2 號主通風(fēng)機(jī)空轉(zhuǎn)運(yùn)行，風(fēng)流從高對空短路風(fēng)門流入，由出風(fēng)口流出，2 號主通風(fēng)機(jī)進(jìn)入熱備用狀態(tài)。

2）通過風(fēng)機(jī)在線監(jiān)測系統(tǒng)采集2 號主通風(fēng)機(jī)的運(yùn)行參數(shù)，判斷其正常運(yùn)行后，打開1 號對空短路風(fēng)門，關(guān)閉1 號立式風(fēng)門，1 號主通風(fēng)機(jī)進(jìn)入熱備用狀態(tài)。

3）打開2 號主通風(fēng)機(jī)立式風(fēng)門，關(guān)閉2 號對空短路風(fēng)門，2 號主通風(fēng)機(jī)進(jìn)入掛網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)。

4）通過風(fēng)機(jī)在線監(jiān)測系統(tǒng)采集2 號主通風(fēng)機(jī)的運(yùn)行參數(shù)，判斷其正常運(yùn)行后，停下1 號主通風(fēng)機(jī)，倒機(jī)完畢。

4 不停風(fēng)倒機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)

在不停風(fēng)倒機(jī)控制過程中，只有確保備用風(fēng)機(jī)處于熱備用狀態(tài)且運(yùn)行正常以后才能關(guān)閉運(yùn)行風(fēng)機(jī)，否則會導(dǎo)致井下停風(fēng)，引起瓦斯?jié)舛瘸迗?bào)警，因此在倒機(jī)過程中要時(shí)刻關(guān)注通風(fēng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，為系統(tǒng)配置監(jiān)控系統(tǒng)。如圖2 所示為不停風(fēng)倒機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的原理，主機(jī)為PLC，通過外圍集成模塊與通風(fēng)系統(tǒng)的主通風(fēng)機(jī)電動機(jī)、風(fēng)門電動機(jī)、各類型傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和通信交互。通過模擬量輸入模塊采集井下通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)各采樣點(diǎn)的流量、溫度和負(fù)壓等信息。通過數(shù)字量輸入模塊采集通風(fēng)機(jī)狀態(tài)，判斷是否運(yùn)行還是冷備用；通過數(shù)字量輸出模塊向通風(fēng)機(jī)發(fā)出啟動和停止指令，通過串口通信模塊采集電動機(jī)繞組溫度、電動機(jī)轉(zhuǎn)速、電樞電流等信息。PLC 的信息通過監(jiān)控主機(jī)顯示，工作人員也可以通過監(jiān)控主機(jī)下發(fā)命令，控制通風(fēng)機(jī)的啟停。

圖2 不停風(fēng)倒機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)原理

監(jiān)控系統(tǒng)能夠完成礦井主通風(fēng)機(jī)、風(fēng)門和其他附屬設(shè)備的性能參數(shù)和運(yùn)行狀態(tài)在線監(jiān)測功能，實(shí)現(xiàn)主通風(fēng)機(jī)啟停控制及故障狀態(tài)的保護(hù)制動，在風(fēng)機(jī)故障狀態(tài)下能自動發(fā)起不停風(fēng)倒機(jī)，在人工操作下能實(shí)現(xiàn)手動不停風(fēng)倒機(jī)。PLC 和監(jiān)控主機(jī)需使用不間斷電源供電，電源中斷后可為裝置提供1 h 的供電，防止因電源異常導(dǎo)致的故障。

監(jiān)控系統(tǒng)具有就地控制、集中控制和遠(yuǎn)方控制三種模式。正常情況下在監(jiān)控主機(jī)上實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)方風(fēng)機(jī)啟停和不停風(fēng)倒機(jī)，保證井下風(fēng)量和負(fù)壓的平穩(wěn)；在緊急情況下，可以在PLC 就地操作，控制高壓柜、液壓站、風(fēng)門等裝置，實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)手動控制。

監(jiān)控系統(tǒng)的PLC 可采用冗余設(shè)計(jì)，當(dāng)主用PLC發(fā)生故障時(shí)，冗余PLC 可投入運(yùn)行，使風(fēng)機(jī)及潤滑站繼續(xù)運(yùn)行。手動切換裝置采用硬接線控制，防止PLC故障不能切換。兩臺監(jiān)控主機(jī)可以查看風(fēng)機(jī)的故障記錄和各項(xiàng)參數(shù)，將數(shù)據(jù)上傳至礦井綜合自動化平臺，接收調(diào)度室下發(fā)的控制指令。

5 結(jié)語

基于對空風(fēng)門的礦井主通風(fēng)機(jī)不停風(fēng)倒機(jī)系統(tǒng)能夠在PLC 控制下，通過對空風(fēng)門和立式風(fēng)門的配合，使備用風(fēng)機(jī)在啟動完成條件下并入通風(fēng)系統(tǒng)，提高通風(fēng)機(jī)的啟動成功率，避免井下短時(shí)停風(fēng)，對提高礦井的通風(fēng)安全具有重要意義。