通风机风量测试系统设计及试验验证.pdf

:./.通风机风量测试系统设计及试验验证吴志芳(晋能控股集团 忻州窑矿机电管理部山西 大同)摘 要:为进一步提升煤矿通风机的风量测试精度掌握现场的气流情况针对忻州窑煤矿圆形风硐的风量测试问题及需求设计了通风机风量测试系统 首先运用风速法原理进行大量试验并得出有支架和无支架时对应的风速测量误差为.然后采用最小二乘法得出风速误差补偿公式最后以 风速传感器和 数据采集卡为核心设计风量测试系统并验证 经试验该测试系统可将风速的测量误差降低./最终风量测试最小相对误差仅为.因此所设计的风量测试系统可在实践中推广应用关键词:通风机风速法数据采集卡/转换电路误差补偿中图分类号:文献标识码:文章编号:()(.):./.:/引 言煤矿再用主通风机系统安全检验规范 中规定每五年技术改造前后在通风机叶片或发动机等更换操作时需要对风量进行重新测定 通风机作为煤矿生产的关键设备其能否正常运行直接关系到整个煤矿的生产安全性和生产效率 同时通风机工作状态与工作面实际需风量是否相互匹配也是实现节能生产的关键 因此随时掌握通风机的实时风量尤为重要 笔者以忻州窑煤矿圆形风硐风量实际测试中所存在的劳动强度大、过程复杂以及测风截面凭借经验选取等问题开展系列研究通过实际生产中的风量测试点的布置和测量断面的确定等步骤测量断面提出了可对误差进行修正的风量测定方法并设计了风量测试系统 最后结合实践生产对所改进的风量测试方法和测试系统的准确性进行验证从根本上解决了传统风量测试方法所存在的劳动强度大、效率低且精度差的问题 风量测定方法及应用针对煤矿断面风量测定需求可通过直接测量断面的风压、风速等参数间接计算得出断面的风量实践表明相比于风压法风速法可以获得更加准确的风量参数 因此文中以风速法为核心对忻州窑煤矿的风量进行测定 风速法风量计算如式()所列:()如式()所示风量为直接测定的风速值与断面面积的乘积 风速为影响风量最终测定结果准确定的关键 因此为保证风量测定结果的准确性将风量测定断面设定在风流相对稳定且处于断面直线段的通风机入口处此外需在风硐内部构建支架对传感器进行固定并布置多个传感器以获得更加准确的测量数据.测试点的布置根据矿山大型机电设备测试技术手册中的规定针对煤矿风速的测定需求采用切贝切夫和线性研究与试验 年第 期(第 卷总第 期)机械研究与应用收稿日期:作者简介:吴志芳()女山西左云人助理工程师研究方向:矿山机电法布置测试点并根据断面的实际情况布置风速传感器 结合忻州窑煤矿断面的特点和切贝切夫法所遵循的原则需要在断面上总共布置 个传感器忻州窑煤矿圆形风硐风速传感器的布置结果如图 所示图 忻州窑煤矿圆形风硐风速传感器布置示意图 图中 为所选圆形风硐断面的直径 在忻州窑煤矿圆形风硐的每条直径方向上布置 套风速传感器对整个断面所布置的 套风速传感器的数据进行采集并对其取平均值得到该圆形风硐的平均风速.风量测量断面的确定为了能够准确地测定风速所确定断面应为无漏风或漏风小、无杂物堆积、支架齐全以及断面变化不大的直线通风断面 因此在实际测量过程中一般将测定断面设定在通风机的入口位置和出口位置处 当断面确定在通风机的入口位置处时要求断面距离通风机的距离为.倍的风硐断面直径当断面确定在通风机的出口位置处时要求断面距离通风机的距离为 倍的风硐断面直径 风量测定方法的改进在实际生产中需采用专用支架固定风速传感器 专用支架势必对风速传感器所检测的数据造成影响即仅通过直接读取风速传感器的数值计算风量会增大风量的误差 因此需要对直接读取的风速值进行修正以计算得出更加准确的风量值本节对有专用支架和无专用支架两种情况下实际采集的风速值进行对比并采用最小二乘法对二者间的误差进行补偿以确保在有支架状态所计算得出的风量值更加准确 以图 中 点为例对有支架和无支架所测定的风速进行对比对比结果如表 所列综合对比 点、点、点三个位置在无支架和有支架两种状态下的风速测量结果得出:忻州窑煤矿圆形风硐在无支架干扰时所测得平均风速为./在有支架干扰的状态下所测得平均风速为./二者之间的相对误差为.结合忻州窑煤矿圆形风硐的断面面积得出:在无支架干扰状态下所测定的风量为./在有支架干扰状态所测定的风量为./表 点有无支架对应所测定风速值的对比测试点无支架风速值/(/)有支架风速值/(/)相对误差/.综上所述可知风速传感器的安装支架会对圆形风硐内的风流分布造成影响从而影响断面的风速值导致测量值与实际值之间存在较大的误差 因此为了保证获得更为准确的风量测试结果需要对风速传感器所造成的误差值进行修正 本项目在大量实验数据作为支撑的基础上采用最小二乘法得出在不同风速阶段下不同距离时风硐壁的补偿值即在补偿的基础上所获得风速的实际值测量值当圆形风硐内的实际测量风速小于 /时对应的补偿风速值如式()所列:.()当圆形风硐内的实际测量风速在 /范围之内时对应的补偿风速值如式()所列:.()当圆形风硐内的实际测量风速大于 /时对应的补偿风速值如式()所列:.()式中:为补偿风速值 为测试点距离风硐壁的距离 风量测定系统的设计与验证在上述风速法测定风量补偿改进的基础上根据风速法的测定原理设计适用于忻州窑煤矿圆形风硐的风量测定系统并对系统的功能进行试验验证.风量测定系统设计结合圆形风硐风量的测试需求进行设计对应的风量测试系统结构如图 所示图 风量测试系统结构组成框图机械研究与应用 年第 期(第 卷总第 期)研究与试验 如图 所示由风速传感器和温湿度传感器对现场的气流参数进行采集数据通过/转换和滤波电路处理后通过数据采集卡送至计算机中进行分析在计算机分析时根据采集的数据采用对应的补偿量对其进行改进处理 传感器作为整个风量测试系统的第一个环节对于保证最终风量的测试精度起着非常关键的作用综合考虑传感器的性能、经济性和可靠性要求所选型的传感器具有较好的线性度、较小的灵敏度误差、较高的分辨率以及较好的动态性能 本系统选用的风速传感器和温湿度传感器的参数如表 所列表 风速传感器和温湿度传感器选型结果传感器类型型号测量范围精度温湿度传感器.风速传感器/./一般情况下传感器所采集的数据并不能够直接被数据采集卡识别 因此需要调理电路对传感器所采集的信号进行转换处理 本系统所选用传感器的输出信号类型为电流信号而所选择的型号为 数据采集卡识别的信号类型为电压信号 因此在传感器与数据采集卡支架配套相应的调理电路本系统选用/变换电路和滤波电路实现对电流信号到电压信号的转化 根据电流信号到电压信号的转换需求设计如图 所示的/变换电路和滤波电路图 /变换与滤波电路.通风机风量测量系统验证为保证最终的测量结果将所选型的传感器按照规范在现场进行安装 其中温湿度传感器主要用于对环境的温湿度进行监测将其安装于通风机的外壁上将风速传感器安装于通风机的入口处并采用专用支架进行固定 传感器在通风机上的安装示意如图 所示根据图 安装示意图在忻州窑煤矿圆形风硐内对风速和温湿度传感器进行布置对通风机在不同频率下运行时实际风量与采用文中所设计的风量测试系统所获得的测试风量进行对比对比结果如表 所列图 传感器安装示意图.立闸门.风硐.叶轮.扩散器.风速传感器.温湿度传感器表 风量测试系统的验证通风机运行频率/实际风量值/(/)测量风量值/(/)相对误差/.由表 可知所测得的测量值与实际值的最小相对误差为.同时风量测试系统采用误差补偿后现场测得平均误差从./降低至./风量测试结果的综合验证实际上通风机风量可通过预测的方式获取 本章将结合上述通风机风量的测试结果建立工作面需风量的预测模型通过风量预测为后续工作面通风机的智能调速控制奠定基础对于某个实际工作的工作面而言工作面的需风量在很大程度上与实际掘进过程中所涌出的瓦斯、二氧化碳等有害气体的量相关对应的计算公式如式()所示:()式中:为工作面的实际需风量 为工作面瓦斯或二氧化碳的实际涌出量为工作面瓦斯或二氧化碳涌出的不均匀的备用风量系数为工作面瓦斯浓度不超过 或二氧化碳浓度不超过.的换算系数目前工作面通风机运行主要面临的问题在于无法根据工作面的实时需风量对通风机的运行参数进行调节控制这不仅造成电能的浪费更重要的是还存在通风机供风与实际工作面需风不相匹配的问题从而导致在工作面存在瓦斯或二氧化碳聚集的问题严重威胁工作面的安全生产 鉴于此基于神经网络算法对工作面通风机的需风量进行预测并对通风机研究与试验 年第 期(第 卷总第 期)机械研究与应用的运行状态进行提前控制.工作面需风量预测过程在实际生产中工作面需风量在很大程度上与现场的瓦斯涌出量、煤尘浓度以及温湿度等指标相关而且需风量与上述参数之间的关系一般相对复杂为此采用 的神经网络算法对需风量进行精准预测()基于 算法优化的神经网络模型设计以时间为主线的 个输入量节点以瓦斯浓度、煤尘浓度、温湿度和需风量为主线的 个输出量节点()将所采集的研究对象的工作面需风量、瓦斯浓度、粉尘浓度以及温湿度的样本进行归一化操作处理并设置相应的变量取值范围()基于神经网络算法对样本数据进行优化训练()将上述训练好的网络进行存储以备使用以准备好的训练样本为基础对下一阶段需风量进行预测并将预测结果与原始测量值进行对比验证上述模型的准确性()重复上述()()的步骤通过不断迭代对训练网络进行不断的优化以保证预测值与实测值的误差达到最小最终得到通风量预测模型.工作面需风量预测结果基于上述所设计的神经网络算法对需风量进行预测并将预测结果与实际风量的测定值进行对比对比结果如表 所列表 工作面需风量预测结果/(/)序号工作面需风量预测结果工作面实际风量测定值.由表 可知上述 个序列中需风量预测在 内完成即基于该算法可对 后工作面的风量进行预测进而基于通风机智能调速控制策略实现对通风量的控制达到了对工作面风量实时控制的目的 结 论文中针对忻州窑煤矿圆形风硐风量测试需求为解决基于风速法测定时采用支架对风速传感器固定所引发的风量测试结果不准确问题重点设计了一款高精度的风量测试系统并对最终的测试效果进行验证 得出的结论总结如下()根据忻州窑煤矿圆形风硐的现场情况以及风速法风量测定原理将测试点布置于通风机的入口位置处的直线段()通过现场大量试验可知:在无支架干扰状态下所测定的风量为./在有支架干扰状态所测定的风量为./二者之间的相对误差为.()针对安装支架所引发的风速测量误差基于最小二乘法得出误差补偿公式当实际测量风速小于/时误差补偿公式为 .当实际测量风速在 /范围之内时误差补偿公式为 .当实际测量风速大于 /时误差补偿公式为 .()基于上述误差补偿公式设计了风量测试系统实际测得风速误差从./降低至./对应的风量测试结果与实际风量值的最小相对误差为.()最后基于所设计的风量测试系统验证了所设计的需风量预测模型的准确性为后续实现通风机供风量的智能调速控制具有扎实的支撑作用参考文献:解启栋.静压差法在煤矿主要通风机风量测定中的应用.中国安全生产科学技术():.赵勇明蒋曙光吴征艳等.矿井主要通风机工况监测系统研究.煤矿机械():.刘昆轮韩耀中秦存利等.矿井分区域通风系统优化设计.工矿自动化():.白全林.变频旁路工频控制技术在主通风机上的应用.煤炭工程():.王利京.葫芦素煤矿超长距离局部通风技术研究及应用.中国煤炭():.王海波刘彦青郝晋辉等.煤矿地面主通风机工况点风量风机静压准确预测研究.煤炭工程():.张军亮范鹏宏秦 毅等.风量对独头掘进巷道中部顶板火灾影响研究.煤矿安全():.张卓野李洪枚陈建武等.多支路通风系统风量调控技术应用进展.中国职业医学():.机械研究与应用 年第 期(第 卷总第 期)研究与试验