礦井主通風機智能監控方案設計分析

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摘要：礦井通風機能及時向井下輸送新鮮空氣，在礦井內飄浮著煤炭粉塵顆粒的環境下能夠確保一線作業人員的職業健康安全。煤礦通風設備是一個完整配套的系統，其中主通風機承擔著開采工作面通風量的重要保障任務。通過現場調研分析，目前的主通風機對于風速及風量的調節存在滯后，缺乏智能化調節機制，不能隨著環境的變化對通風量進行調整，造成能源浪費，威脅作業人員生命安全，降低了開采工作效率。通過對主通風機智能監控系統方案進行設計，為研發礦井通風機智能監控系統提供依據。

關鍵詞：大型礦井；主通風機；風量調整；系統方案；智能監控

引言

隨著現代化煤炭企業的快速發展，各種采煤設備越來越智能化，極大地提升了煤炭的開采效率和開采量。隨著煤炭開采量的增多，礦井內飄浮的煤炭粉塵顆粒的濃度也越來越高。因此，對于礦井通風設備的工作性能要求也會相應提高。通風設備是一個復雜的系統，其中起關鍵作用的是主通風機。主通風機通過運轉帶動其他次要通風機聯合對礦井進行輸送新鮮空氣［1］。礦井內有毒有害氣體也較多，需要通過主通風機驅散有毒有害氣體和煤炭粉塵，使一線作業人員能夠在安全的工作環境下進行煤炭開采作業，并且能夠避免有毒有害氣體和粉塵對開采機械設備造成的損壞。根據礦井內空氣流動方向的不同，通風機可分為離心式通風機、軸流式通風機、斜流式通風機以及橫流式通風機四類。其中軸流式通風機是礦井常用的通風設備［2］。根據現場檢查可知，目前大型礦井所采用的主通風機是定額送風，不能根據環境的變化調整送風量，容易造成能源浪費，降低主通風機的工作效率。為了保證大礦井安全生產的正常化，有必要開發主通風機智能監控系統并對其進行智能控制，這對于煤礦智能設備的研發具有重要意義［3］。

1主通風機風量調節系統分析與建模

1．1風量調節方式

某煤礦安裝了兩臺ANN－4700／2500N型軸流式風機，將其作為主通風機設備進行井下的通風作業，具體結構示意圖如圖1所示。軸流式通風機主要通過葉輪的高速旋轉將空氣由進風口導向葉片，采用葉片逆向旋轉的方式，將氣流沿軸向進行運動，將流入的氣流輸入至擴壓器實現礦井的通風作業。軸流式通風機主要由電機、葉輪、主副風門等組成［4］。為了使主通風機設備實現智能調節，可以通過節流閥的開閉角度進行風量的控制。由于節流閥在對氣流進行調節的過程中會改變空氣的風阻特性，從而造成驅動主通風機的電機消耗能量的增加。為避免此現象的發生，可以加裝變頻器，變頻器可以分為交—交變頻器和交—直—交變頻器兩類［5］。前者的輸出功率較低，而后者常用于在工業中對電機進行調速，因此選用交—直—交變頻器實現對節流閥電流信號的控制，交—直—交變頻器主要由整流電路、濾波電路及逆變電路組成，具體結構圖如圖2所示。

1．2變頻調節風量分析

變頻調節風量主要與電機的轉速、同步轉差率、電機頻率以及電機極對數有關。通過實驗發現，要保證變頻器對電流電壓的控制，需要保證電機極對數和同步轉差率的數值大小不變，從而改變驅動電機的轉速，實現對礦井內通風量大小的調節。因此，對于大型煤炭礦井的綠色節能生產方面來說，通過變頻調速法能夠精確地實現對風量的調整，交—直—交變頻器的應用可以減小電機啟動時的沖擊電流，在調節通風量的同時也對驅動電機進行保護。

2主通風機機械故障機理

在設計主通風機智能系統的時候應將主通風機的故障情況考慮在內，在設計智能系統方案的時候就能更加綜合全面地考慮各方面不確定性因素，包括主通風機產生故障的機理。根據統計分析可知，主通風機的構造形式有很多種，包括轉子不對中、轉子不平衡以及軸承故障等。因此，應設計完整的智能系統方案對各種設備進行識別，當通風機出現機械故障的時候會產生非平穩震蕩信號，并伴有高階次諧波曲線產生。通常在信號識別中將轉子不平衡的特征頻率設置為1f，伴生頻率為2f、3f，轉子不對中的故障類型為2f，伴生頻率為1f。因此，大型礦井通風機智能系統對于故障信號特征值的精確識別也將是檢測主通風機智能故障判別的有效手段［6］。

3主通風機監控系統監測參數及結構

3．1監測參數

3．1．1風量的測量為保證礦井主通風機的安全可靠運行，須對風量、電機溫度、電參數以及振動信號等參數進行在線監測，首先對風量的數據進行提取和監測。采用正負壓相結合的專業檢測裝置對風量進行測量，具體測量原理如圖3所示，負壓數值等于P2＋與P2－的差值。

3．1．2電參數的測量對于電參數的測量，主要包括電阻、電壓和電流。電參數體現的是主通風機將模擬信號轉換為數字信號后影響系統電壓、電流的變化而產生電參數數值。測量電參數的常用方法為通過電壓和電流互感器輸入電參數數據，再經過功率變送器的信號處理后將電參數信號進行主通風機電參數的數據提取。

3．1．3溫度的測量由于地層以下的濕度溫度都相比于地上更為異常，對于主通風機的溫度參數測量是一項需要精確性的工作，如果溫度不正常就意味著主通風機運行不暢。由于主通風機的轉動軸承在高速旋轉后會產生很高的溫度，長時間的高溫會影響其他零部件的使用壽命，加快絕緣材料的老化速度，甚至會引發燃燒等安全事故。因此，根據主通風機轉動模式確定應在軸承以及三相定子附近對其溫度進行監測。對于溫度測量所采用的傳感器為PT100型，通過溫度巡檢儀的數據輸送通道和上位機軟件計算處理后與RS232后端信息輸出模塊進行數據交互，采用可視化狀態顯示數溫度數值的變化情況。

3．1．4振動信號的測量對于主通風機機械故障的判定可以通過軸承轉動后的振動情況進行判斷。如圖4所示，應在主通風機驅動端以及軸承座處進行傳感器布置，在圖中1、2、3、4處安裝主通風機的振動信號檢測裝置。

3．2主通風機智能監控系統結構

為保證主通風機在運轉的時候整個系統前端和后端能夠進行高可靠性的數據傳輸，將采用集散控制系統與工業以太網結合的方式組成主通風機智能監控系統結構。將集散控制系統與工業以太網作為主線將遠程控制層、集中控制層以及現場設備層進行連接，實現信息的交互過程。主通風機的智能監控系統的控制核心為集中控制層，通過傳輸命令可以實現對主通風機軸承轉速、溫度、壓力、振動情況進行實時的分析監測，此外，還將根據數據信號的變化對主通風機機械故障所產生的信號曲線進行判定。現場設備層主要由主通風機、風門電機以及各類傳感器構成。主通風機智能監控系統結構如圖5所示。

4結語

通風系統監控設備作為礦井井下的關鍵設備是保障一線作業人員生命安全以及確保煤礦開采生產效率高效的重要設備。目前大型礦井的通風設備選型沒有科學性進行判定，通風設備應根據現場環境的變化對風量進行實時的控制，可以提高通風效率并且避免能源的浪費。通過對主通風機工作機制的研究，設計出智能監測系統的方案，為研發主通風機智能監測系統的硬件開發提供了思路。

參考文獻

［1］胥良，白曉磊．模擬退火BP神經網絡在礦用通風機故障診斷中的應用［J］．黑龍江科技大學學報，2018（5）：582－586．

［2］楊興華．對旋軸流通風機選型及流體力學分析［J］．機械工程與自動化，2017（4）：201－202．

［3］張智偉．礦用對旋軸流通風機改進設計［J］．機械管理開發，2019（1）：138－140．

［4］裴軍軍．煤礦礦井通風及通風設備的選型淺談［J］．能源與節能，2016（8）：10－12．

［5］張艷麗．煤礦主扇風機監控系統人機交互平臺的開發［D］．邯鄲：河北工程大學，2014．

［6］郝文科．變頻調速技術在煤礦通風機節能的應用研究［J］．煤炭與化工，2017（9）：141－145．

作者：李濤 單位：山西潞安集團潞寧忻峪煤業