基于智能通风的自然风压与主通风机特性曲线的耦合.pdf

扫码阅读下载桑聪,张建中,富佳兴,等.基于智能通风的自然风压与主通风机特性曲线的耦合J.矿业安全与环保,2023,50(4):105-109.SANG Cong,ZHANG Jianzhong,FU Jiaxing,et al.Coupling of natural ventilation pressure and characteristic curve of main fan based on intelligent ventilationJ.Mining Safety&Environmental Protection,2023,50(4):105-109.DOI:10.19835/j.issn.1008-4495.2023.04.017基于智能通风的自然风压与主通风机特性曲线的耦合桑 聪1,张建中1,富佳兴1,张 浪2,李 伟2,覃 杰1,张 萌1,武光城1(1.煤炭科学研究总院有限公司,北京 100013;2.煤炭科学技术研究院有限公司 矿山智能通风事业部,北京 100013)摘要:为了准确获得矿井自然风压并了解其对矿井通风系统及主通风机的影响,以 GD3(B)型矿用多参数传感器实时监测数据为基础,基于理想气体状态方程和道尔顿分压定律,实时计算矿井主要通风线路上各节点空气密度,结合各节点标高得到矿井自然风压,并与矿井主通风机性能曲线进行实时耦合。结果表明:由 GD3(B)型矿用多参数传感器测得的数据可准确计算得到矿井自然风压,地表气温的变化对矿井进风侧的巷道气温影响较大,对回风侧的巷道气温影响较小;纳林河二号井通风系统自然风压日波动近 100 Pa,通过测算的自然风压与矿井主通风机特性曲线耦合分析,可准确反映自然风压变化对主通风机通风工况的影响。关键词:智能通风;自然风压;主通风机;多参数传感器;实时监测;特性曲线;实时耦合中图分类号:TD722 文献标志码:A 文章编号:1008-4495(2023)04-0105-05收稿日期:2022-04-27;2022-07-26 修订基金项目:国家能源集团 2021 年度重点项目(GJNY-21-25);煤科院科技发展基金项目(2020CX-20);中国煤炭科工集团有限公司科技创新创业资金专项(2019-2-ZD002)作者简介:桑 聪(1987),男,山东泰安人,硕士,副研究员,主要从事矿井智能化及通风安全方面的研究工作。E-mail:sangcong0538 。Coupling of natural ventilation pressure and characteristic curve of main fan based on intelligent ventilationSANG Cong1,ZHANG Jianzhong1,FU Jiaxing1,ZHANG Lang2,LI Wei2,QIN Jie1,ZHANG Meng1,WU Guangcheng1(1.China Coal Research Institute,Beijing 100013,China;2.Mine Intelligent Ventilation Division,CCTEG China Coal Research Institute,Beijing 100013,China)Abstract:In order to accurately obtain the natural ventilation pressure of the mine and understand its impact on the mine ventilation system and main fan,based on the real-time monitoring data of GD3(B)multi-parameter sensors,the air density of each point on the main ventilation line of the mine was calculated in real time on the basis of ideal gas state equation and Daltons partial pressure law.The natural ventilation pressure of the mine was obtained by combining the elevation of each point,and the performance curve of the main fan was composited in real time.The results show that the natural ventilation pressure can be accurately calculated by the test data of the GD3(B)mine multi-parameter sensors.The change of surface air temperature has a great influence on the air temperature of the roadway on the inlet side of the mine,but a little influence on the air temperature of the roadway on the return side.The daily fluctuation of natural ventilation pressure of Nalinhe No.2 mine system is nearly 100 Pa.Through the coupling analysis of the measured natural ventilation pressure and the characteristic curve of mine main ventilator,the influence of natural ventilation pressure change on the ventilation condition of main ventilator can be accurately reflected.Keywords:intelligent ventilation;natural ventilation pressure;main fan;multi-parameter sensor;real-time monitoring;characteristic curve;real-time coupling 煤炭资源埋藏于地下,煤矿的一些井巷在进行初设时就会存在一定的高差。井下空气的温湿度及密度除受地面进风影响外,还受井下煤岩温度、煤炭氧化发热、机电设备发热等因素影响,其与地面空气501第 50 卷 第 4 期2023 年 8 月 矿业安全与环保Mining Safety&Environmental Protection Vol.50 No.4Aug.2023温湿度及密度不同。煤矿井巷存在高差,且井下巷道空气密度不同,通风线路上最低点两侧的空气重力不同,会产生与矿井风流方向相同或相反的重力差,即自然风压。国内外不少学者对矿井自然风压进行了研究,金毅1、曾强2等分析了地面大气压及空气密度变化对矿井自然风压的影响;黄金鑫3、鲍桂春4等对自然风压受进风静压、温湿度及围岩温度影响进行了分析研究;刘殿武5分析了传统方法测算自然风压的不足,提出反风测算法并进行了实践;王海宁6、马恒7等对自然风压参与的通风网络解算进行了研究;黄光球等8根据矿井自然风压变化对通风系统影响模型,提出了优选分支调阻调节法;杜翠凤9、余志剑10、王孝东11等分析了自然风压对主通风机及其稳定性的影响;谭海文12、胡明松13等研究了自然风压对矿井通风系统的影响,并对治理方法进行了探讨14-19;罗广20、吴劲松21等研发了矿井通风在线监测系统,并进行了通风多参数监测实践。笔者使用煤炭科学技术研究院有限公司研制的GD3(B)型矿用多参数传感器(以下简称 GD3(B)传感器)对矿井主要通风路线上关键节点的空气参数进行监测,得到矿井实时自然风压,并与主通风机特性曲线进行耦合,获取矿井准确的通风工况。1 自然风压的实时测算1.1 井下空气参数实时监测自然风压监测重点是监测通风系统中主要节点的静压及温湿度,通过在井下布置空气多参数传感器可实时监测井下空气参数。GD3(B)传感器是集测量大气压力、温度和湿度3 种参数于一体的传感器。传感器量程:温度为-4080;相对湿度为 0100%(RH);大气压力为60110 kPa。基本误差:温度为0.5;相对湿度为3%(RH);大气压力为20 Pa。GD3(B)传感器能够实时测量大气压力及温湿度,所测数据通过监控环网实时传输至地面监控系统。其对大气压力、温湿度的监测精度及数据采样传输的实时性能够满足矿井自然风压实时测算要求。1.2 空气密度计算矿井自然风压即作用在矿井通风系统最低水平两侧的空气位能差,由空气密度和高差决定。空气密度可根据大气压力及温湿度求得:=0.003 484(p-0.377 9pS)/T(1)式中:为空气密度,kg/m3;p 为空气压力,Pa;为空气的相对湿度,%;pS为饱和水蒸气分压,Pa;T 为空气的热力学温度,K。饱和水蒸气分压可由戈夫-格雷奇(Goff-Gratch)公式求得:当 T273.15 K 时,lg pS=-7.90(373.16/T-1)+5.03lg(373.16/T)-1.3810-7(1011.34(1-373.16/T)-1)+8.1310-3(103.49(1-373.16/T)-1)+lg 1 013.25(2)当 T273.15 K 时,lg pS=-9.097 18(273.16/T-1)-3.566 54lg(273.16/T)+0.876 793(1-273.16/T)+lg 6.107 1(3)1.3 自然风压理论计算为便于描述自然风压理论计算过程,建立如图1所示的简化矿井通风系统。其中,AE 为通过系统最高点的水平线,则 ABCDE 可被视为一个有高差的闭合回路。冬季时,ABC 侧空气柱平均气温较低,空气密度较大,作用在 CD 平面左侧的空气柱重力较大,使外界空气不断从 B 口流入系统,由E 口流出系统,自然风压与矿井风流方向相同。夏季时,自然风压与矿井风流方向正好相反。图 1 简化矿井通风系统图 1 所示系统自然风压可用下式计算:Hn=AC 1igdz-ED 2igdz(4)式中:Hn为矿井自然风压,Pa;g 为重力加速度,m/s2;1i、2i分别为 ABC 和 DE 井巷中 dz 微段的空气密度,kg/m3。在矿井自然风压实际测算过程中,难以将井巷划分为无数微段,一般用平均密度计算自然风压。结合实际情况选取通风系统中主要节点,根据所选主要节点的空气密度,计算巷道气流平均密度,再以此计算矿井自然风压。图 1 所示的系统,若 BC 段及 DE 段无明显热源或冷源,可取 B、C 2 点空气密度平均值及 D、E 2 点空气密度平均值代表对应巷道的平均空气密度。则式(4)可表达为:Hn=ABghAB+BCghBC-DEghDE(5)式中:AB、BC、DE分别为 AB 段、BC 段和 DE601Vol.50 No.4Aug.2023 矿业安全与环保Mining Safety&Environmental Protection 第 50 卷 第 4 期2023 年 8 月段井巷的平均空气密度,以始末点空气密度平均值求取,kg/m3;hAB、hBC、hDE分别为 AB 段、BC 段和 DE 段井巷的高差,m。2 自然风压与主通风机性能曲线的耦合2.1 主通风机实际运行曲线的获取为获得较为完整的主通风机性能曲线,以往进行主通风机性能测试时,一般是打开待测风机对应风硐的测试天窗,或将待测风机与风硐间的连接螺栓打开,将待测风机拖离风硐数米,使待测风机与通风系统断开后进行测试。此时进行测试,地面大气直接进入待测风机,不会影响矿井生产,尤其是对于高瓦斯矿井和煤层自然发火矿井,更能保障矿井的安全生产。地面大气密度与回风井空气密度不同,测试风机性能曲线不能直接与主通风机的运行工况对应,一般是将测试曲线转化为标况下的风机性能曲线,使用时再转化为实际运行状态下的性能曲线。风机特性曲线是由测试得到的若干(不少于 7个)工况点,进行二次曲线拟合得到。标准状况下空气密度为 1.2 kg/m3,由测试工况点计算对应标况下的风机静压:HS=HS(1.2/)(n0/n)2(6)式中:HS为标况下的风机静压,Pa;HS为测试工况点风机静压,Pa;为测试工况点空气密度,kg/m3;n0为风机铭牌额定转速,r/min;n 为测试工况点风机转速,r/min。由测试工况点计算对应标况下风机风量:Q=Q(n0/n)(7)式中:Q 为标况下的风机风量,m3/s;Q为测试工况点风机风量,m3/s。通过式(6)(7),结合风硐内的空气密度,可计算得到主通风机实际运行的特性曲线。2.2 主通风机特性曲线和自然风压的耦合目前,国内多数矿井采用轴流式通风机,其 HQ特性曲线见图 2 中曲线,曲线 R 为矿井风阻曲线,为矿井 t 时刻的自然风压(此时自然风压为正,有助于矿井通风),为矿井 t时刻的自然风压(此时自然风压为负,有碍于矿井通风)。图 2 中,自然风压与风量无直接关系,可看作其不随风量变化而变化。曲线+为 t 时刻自然风压曲线与风机特性曲线的耦合曲线,其获取方法是在曲线上均匀选取若干点(不少于 7 个),将每个点沿 y 轴上移对应的自然风压值,然后将所有的点用二次曲线拟合即可。曲线+得到的方法同曲线+。图 2 自然风压与主通风机特性曲线耦合矿井风阻特性曲线可由监测的矿井实际风量和负压计算得到。矿井风阻特性曲线 R 与曲线+的交点 MC为 t 时刻自然风压与主通风机共同作用于矿井通风系统的工况,由点 MC向 x 轴作垂线与曲线的交点 M0为 t 时刻主通风机的实际工况。MC和 M0为 t时刻耦合工况和主通风机实际工况。3 自然风压与风机性能曲线实时耦合现场应用3.1 矿井概况纳林河二号井气候属半干旱温带高原大陆性气候,年最高气温+36.6,最低气温-27.9。矿井通风系统为分区抽出式通风,一号主立井、二号主立井和副立井进风,一号、二号回风立井分别承担 3-1 煤层和 3-1上煤层回风任务。一号回风立井配备2 台FBCDZ 32/2900 kW 型通风机,二号回风立井配备 2 台 FBCDZ 32/2710 kW 型通风机。矿井各井筒的井口井底标高如表 1 所示。表 1 矿井各井筒标高及井深统计单位:m井筒名称井口标高井底标高井深副立井1 132.0580.0552.0一号主立井1 130.0580.0550.0二号主立井1 130.0580.0550.0一号回风立井1 130.5580.0550.5二号回风立井1 147.8537.5610.33.2 矿井智能通风建设情况纳林河二号井矿井智能通风系统包含通风智能感知子系统、通风智能分析决策子系统、通风智能控制子系统。通风智能感知子系统可实现井下风速、压力、温湿度等参数感知。通风智能分析决策子系统基于通风参数的准确感知,对总风量、总阻力及有限分支风量已知条件下的通风网络进行实时解算;结合通风感知数据,进行通风系统智能分析及决策,预先发现通风系统中的异常数据,并指导事故防控及决策调控。通风智能控制子系统根据通风智能分析决策子系统的调控决策方案,指导主通风机、局部通风机、风窗、风门等通风设施的远程调控。701第 50 卷 第 4 期2023 年 8 月 矿业安全与环保Mining Safety&Environmental Protection Vol.50 No.4Aug.20233.3 曲线耦合及应用3.3.1 自然风压监测数据沿矿井一号回风立井主要通风线路布设了 GD3(B)传感器,选取矿井 2021 年 1 月 13 日早 7:18(t1时刻)和下午 14:05(t2时刻)监测数据对应的矿井自然风压值,如表 2 所示。表 2 一号回风立井系统自然风压计算结果序号测点编号布置地点标高/m监测时刻 t1(7:18)监测时刻 t2(14:05)气压/Pa温度/湿度/%密度/(kg m-3)分段位能/Pa气压/Pa温度/湿度/%密度/(kg m-3)分段位能/Pa1V1副井口1 13089 470.09.68351.10089 315.014.32461.0792V2副井底57995 546.29.53281.1766 145.995 383.214.28391.1536 026.93V3辅运大巷联巷口58595 474.710.62441.170-69.095 311.613.78441.154-67.84V4辅运大巷 101 口57595 507.014.93541.151113.995 344.917.84661.135112.35V531104 回风口56595 131.720.37691.121111.394 968.721.67721.114110.26V6103 面 2 号开切眼56795 077.822.43721.112-21.994 917.723.61751.104-21.77V7103 面下隅角57594 944.524.37981.098-86.694 786.425.43981.091-86.18V8103 面上隅角57494 875.925.871001.09010.794 714.926.17991.08710.79V9103 面二号辅回撤57894 740.723.751001.098-42.994 578.624.321001.094-42.710V10103 回风端头56994 561.421.62931.10697.294 399.322.36931.10196.811V11回风巷十联巷57894 636.818.69551.124-97.994 469.819.94651.116-97.212V12一号回风井井底58394 266.323.75861.095-54.494 104.324.52891.090-54.113V13一号回风井风硐内1 12887 966.919.80581.040-5 700.587 797.020.33891.038-5 682.814V14一号回风井风硐外1 12889 429.0-13.34721.199089 255.23.53381.110015V15副井口房外1 13089 480.0-13.36721.199-23.589 326.83.51421.111-21.8合计382.4282.6 由表 2 可见,在 2021 年 1 月 13 日 t1时刻,一号回风立井系统自然风压较大,为 382.4 Pa;在 t2时刻,一号回风立井系统自然风压较小,为 282.6 Pa。当日自然风压差值达到 99.8 Pa。3.3.2 自然风压与主通风机实际曲线实时耦合根据标况下的主通风机特性曲线,结合 t1和 t2时刻风硐空气密度,通过插值拟合可得到两时刻主通风机实际运行曲线。t1和 t2时刻风硐内空气密度为 1.040 kg/m3和 1.038 kg/m3,两时刻空气密度相差较小,认为两时刻主通风机实际运行曲线相同,如图 3 中 F 特性曲线所示。Q/（m3?s-1）1 3 01 5 01 7 01 9 02 1 02 3 02 8 0 02 4 0 02 0 0 01 6 0 01 2 0 08 0 04 0 0H/P aRM1 0M2 0M1M2F1F2F图 3 自然风压与主通风机联合运行曲线将图 3 中 F 特性曲线与 t1和 t2时刻自然风压进行耦合,得到矿井自然风压 Hn与一号回风立井主通风机 F 耦合特性曲线,分别如图3 中曲线 F1和 F2所示。曲线 F1与风阻曲线 R 的交点 M1为风机自然风压耦合特性曲线的工况点;由 M1向 x 轴作垂线,与风机特性曲线 F 的交点 M10为风机实际运行工况。同理 M2和 M20为 t2时刻风机自然风压耦合特性曲线和风机实际工况。自然风压与主通风机联合运行数据如表 3 所示。表 3 自然风压与主通风机联合运行数据参数类别时刻 t1(7:18)时刻 t2(14:05)风量/(m3 min-1)10 81610 576监测自然风压/Pa382.4282.6风硐负压/Pa1 500.01 550.0风硐监测动压/Pa18.817.9理论通风阻力/Pa1 863.61 814.7监测通风阻力/Pa1 884.51 830.6自然风压与风机联合运行静压/Pa1 903.31 848.5风机静压/Pa1 520.91 565.9801Vol.50 No.4Aug.2023 矿业安全与环保Mining Safety&Environmental Protection 第 50 卷 第 4 期2023 年 8 月 表 3 中,风量、监测自然风压、风硐负压/水柱计、风硐监测动压、监测通风阻力为监测数值,可直接读取;矿井理论通风阻力 hm计算公式如下:hm=hw-hvHn(8)式中:hw为风硐静压管的静压读数,Pa;hv为静压管处的速压值,Pa。自然风压与主通风机联合运行静压 Hsl计算公式如下:Hsl=hm+hv(9)主通风机实际运行静压 Hsr计算公式如下:Hsr=Hsl-Hn(10)结合图 3 及表 3 可看出,在主通风机角度不变的情况下,自然风压降低,会导致矿井风量减小、矿井通风阻力减小、主通风机静压增大、水柱计读数增大,通风阻力的减小值、主通风机静压和水柱计读数增大值均小于自然风压的减小值。4 结论1)通过 GD3(B)传感器监测矿井通风参数,监测结果满足矿井自然风压实时监测需求。2)矿井地面气温发生较大波动,会导致井下空气密度发生变化,对进风侧影响较大,对回风侧影响较小,矿井自然风压变化较大,对主通风机运行曲线影响较小。3)纳林河二号井一号回风立井系统在冬季自然风压可达到 382.4 Pa,冬季矿井自然风压有助于矿井通风,日波动幅度接近 100 Pa。4)自然风压与主通风机实时耦合曲线的获取,能够用来分析自然风压变化给矿井通风工况、主通风机实际工况带来的影响与变化。当有助于矿井通风的自然风压降低时,主通风机静压及水柱计读数增大,系统通风阻力及风量变小,主通风机静压、水柱计及通风阻力的变化值均小于自然风压变化值。参考文献(References):1 金毅,盛继权,赵万旭,等.大气压变化对矿井通风系统的影响研究J.煤矿安全,2020,51(1):191-195.2 曾强.矿井通风参数随昼夜气候变化波动规律的分析J.矿业安全与环保,2008,35(6):64-66.3 黄金鑫,杨卓明,张良,等.自然风压影响因素分析及井巷风流温度分布规律研究J.煤炭技术,2016,35(5):236-238.4 鲍桂春.自然风压的间接测定与曲线绘制J.煤矿安全,2000,31(3):3-5.5 刘殿武.矿井自然风压的反风测算法J.煤矿安全,2005,36(7):10-11.6 王海宁,汪光鑫,刘红芳,等.矿井自然风压适时计算与应用J.矿业研究与开发,2014,34(2):77-79.7 马恒,张跃,周西华.含自然风压通风网络的自动解算及应用J.金属矿山,2016(2):157-161.8 黄光球,何通,陆秋琴.通风系统自然风压最佳调控策略研究J.化工矿物与加工,2017,46(2):47-52.9 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