煤矿复杂风网“瓦斯异常涌出—变频调风稀释”自动控制理论及方法研究

发布时间：2019-09-13 00:44

【摘要】：近年来，瓦斯异常涌出诱发瓦斯爆炸事故时有发生，已经成为我国煤炭工业生产中亟待解决的重大问题。本文针对瓦斯异常涌出危害性大、防治难度高等特点，根据流体力学理论以及电机变频理论，结合PLC自动控制技术、监测监控技术以及计算机软件开发技术，从理论分析、实验研究、现场验证三个方面，对复杂风网“瓦斯异常涌出-变频调风稀释”自动控制理论和方法进行了深入的研究。首先，从通风网络风量调节理论和风网解算理论等角度分析了风机变频调风对各分支的风量影响，在此基础上提出了分支风量对风机变频的灵敏度概念和敏感分支确定方法，并从理论和实例角度得出了分支风量与灵敏度的关系（Qi-Pi关系）：风量越大的分支其灵敏度越高，通过变频调节风量也越容易；反之，则调风越困难。同时，对于敏感分支，风机调频时其分支风量变化最为明显。其次，通过对瓦斯异常涌出的影响因素和调研数据分析，根据采掘工作面及回风巷风流中瓦斯异常涌出浓度的变化，将瓦斯异常涌出的表现形式分为快增快降式、快增慢降式以及波动式三类。在此基础上，经过理论推导和实例分析得出采煤工作面（瓦斯异常涌出分支）一般为敏感分支。针对采煤工作面瓦斯异常涌出，提出两种自动调风稀释方法：一是f-w随动控制调风法，该方法依据f-w随动控制理论进行调风，即结合瓦斯异常涌出分支在预测周期内的绝对涌出量的预测值w，通过迭代运算得到每个预测周期该分支的所需风量Q，，并根据Q-f函数关系式得到与所需风量对应的频率f动态调节风机，达到调风稀释超限瓦斯的目的；二是曲线查找自动调风法，该方法借鉴f-w随动控制调风法的基本理论，但在计算风机频率时，采用了以风机曲线查找的方法替换了以Q-f函数关系式直接计算的方法，即通过网络解算的方式快速查找满足所需风量的风机特性曲线，利用风机特性曲线与风机运行频率之间的对应关系得到风机最佳工作频率，进而按此频率调风稀释超限瓦斯。同时，对两种调风方法的优缺点进行了比较分析，发现两种方法互有优缺点，但都不影响两种方法在实际中的应用。再次，在实验室搭建了通风网络管道实验模型、风机性能测定平台和“瓦斯异常涌出-变频调风稀释”自动控制平台。利用风机性能测定平台建立了相应的风机特性曲线库，这为曲线查找自动调风法奠定了良好的实验基础。同时，从安全角度考虑，以二氧化碳模拟瓦斯异常涌出的三种形式进行实验，即利用“瓦斯异常涌出-变频调风稀释”自动控制平台和管道实验模型，通过控制阀和流量计以二氧化碳的释放流量模拟三种瓦斯异常涌出方式下的绝对涌出量，并用f-w随动控制调风法和曲线查找自动调风法对其进行稀释。从实验结果来看，风机运行频率严格按照f-w随动控制法和曲线查找法原理进行变化，三种形式下二氧化碳均在短时间内被高效快速稀释，并且其浓度能控制在设定的安全阈值范围内。最后，在山西大同唐山沟煤矿进行了现场实验，分别测定了风机在27Hz、29Hz、31Hz、33Hz和35Hz频率运行时3个测点的对应风量。实验结果验证了变频调风的可行性，通过对比分析，证明了分支风量对风机变频的灵敏度和敏感分支确定理论的正确性，也进一步验证了f-w随动控制调风法和曲线查找自动调风法实际应用的可行性。该理论的提出为煤矿瓦斯异常涌出的防治提供了一种新途径。
【图文】：

叶片角,调节原理,风机

图 2-1 风机调整叶片角调节原理图Figure 2-1 Fan blade angle adjustment schematic diagram调速是通过调节变频风机的工作频率改变风量的方法。它可在通过改变风机运行频率，控制风机的转速，从而改变通风其满足需求，并且对于单风机矿井一般不会改变分支风流统紊乱[105]。可采用可控硅串级调速、更换电动机或采用变速电机等频调节电动机运转速度实现。变频的原理（见图 2-2）是先通过整流器将交流电转变为将直流电转变为交流电，再对变频器进行调控。

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图 2-1 风机调整叶片角调节原理图Figure 2-1 Fan blade angle adjustment schematic diagram（2）风机调速风机调速是通过调节变频风机的工作频率改变风量的方法。它可在风机不的情况下，通过改变风机运行频率，控制风机的转速，从而改变通风系统中的风量，使其满足需求，并且对于单风机矿井一般不会改变分支风流方向，造成通风系统紊乱[105]。风机调速可采用可控硅串级调速、更换电动机或采用变速电机等传统方法可以通过变频调节电动机运转速度实现。风机调速变频的原理（见图 2-2）是先通过整流器将交流电转变为直流电后用逆变器将直流电转变为交流电，再对变频器进行调控。
【学位授予单位】：中国矿业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TD712

【参考文献】