矿井通风自动控制系统研究与开发(3)

马恒，赵丹，刘剑：矿井通风自动控制系统研究与开发2011，47（18）243

差传感器接口和一个风速传感器。风机开机，模型系统上电，调节风门执行器使巷道轴线与风门平面夹角为0度。系统稳定后，从上位机读取差压值P和风速值V。

在A点或D点布置风速传感器，实测该点的风速进而求出实际总风量Q。

（2）判断角联分支风流方向。通过Rab/Rbd与Rac/Rcd大小判断角联分支风流风向。

（3）确定求解的未知风量的网孔数。网络中分支数N，节点总数J，网孔数M可按式（4）计算求解：

M=N-J+1

（4）

C

D

（4）拟定各风路的初始化风量。

（5）Scott-Hinsley迭代[3]。经过若干次迭代后，节点风量和回路阻力即可达到平衡。

（6）解算结果验证。如图3所示，完成迭代计算以后，在个巷道上布置风速传感器，求得个巷道的实际风量验证迭代计算结果。

Scott-Hinsley迭代法收敛速度快，但计算过于繁琐，演示费时费力，而且容易出错。为此结合矿井通风模型使用参考文献[4]，采用VisualC#编写了Scott-Hinsley迭代法演示程序，如图4所示。程序启动后，录入风阻、总风量和迭代精度后，点击“自然分风”按钮，界面上自动输出各巷道风量、网孔阻力误差、以及角联分支风向。然后点击“单步迭代”按钮，界面上自

（1）（2）（3）

动输出各巷道风量、网孔阻力误差以及角联分支风向，同时界面下方的“迭代数据表”会给出迭代过程的详细计算过程。图4是完成一次迭代后的截图。

1.风门执行器；2.压差传感器接口；3.风速传感器；4.小型离心式风机

图3

矿井通风模型通风系统图

断面与风量Q计算：根据预先测量出的PVC管内径D，计算出巷道的面积S和周长U。根据公式Q=SV，由风速V计算出风量Q。

（1）阻力计算：由于AB巷道是水平的，所以位压差为0；PVC管断面处处相等，故认为各点的风速也是相等的，所以速压差也等于0。因此，阻力H等于静压差P。

（2）风阻和摩擦阻力系数计算：分别根据公式（1）、（2）、（3）计算出风阻R、厘米风阻Rcm、和摩擦阻力系数α[2]：

R=H/Q2Rcm=R/L/100α=RS3/L/U

式中L为静压差测点之间的巷道长度。

由计算出的Rcm结合测量出的各巷道长度，计算出各巷道的风阻。经过多次测试计算，Rcm=1.413Ns2/m8，α=0.0059538Ns2/m4。

5.3通风网络调节实验

在生产矿井中，随着巷道的延伸、工作面的推进和更替以

及瓦斯涌出量的变化等，常常需要对矿井风量进行调节，使其按所需风量和预定的路线流动，这是矿井通风技术管理工作的重要环节。

对此，在相关文献里有较多的介绍，通常只能从理论上对网络调节进行讲述[5-6]。文献[7]从实践角度进行了分析。通过本次实验，先从理论上分析，然后利用通风模型进行实际验证，这也是本文的特色。

如图3所示，设AB分支的当前风量为Qab，目标风量为Q′ab，调节方法为调节AB巷道上的风门执行器角度进而改变

通风阻力测试实验有着重要意义，不仅能形象生动完成通风阻力测实任务，更为后续的各个实验提供了基础参数。

5.2网络解算验证实验

网络解算是通风系统管理优化的核心内容，同时也是矿

井通风课程的重点也是难点。使用自行编制的CAI软件演示解算过程。利用风速传感器直接测得风速，验证解算结果，取得了良好的效果。

网络解算方法很多可分为：解析法、图解法、物理相似模拟法、数值方法。数值方法属于近似法，是目前研究分流的主要手段。本文实验主要使用Scott-Hinsley法进行网络解算。

解算过程如下：

（1）确定风阻和总风量。图4中各巷道的风阻值采用阻力测试实验中得出的各风阻值。

AB巷道上的风阻值，最终实现风量调节的目的。根据理论推导得出风门执行器角度θ，然后通过上位机发出指令将风门执行器调成θ角。最后通过风速传感器测出实际风速，计算风量同目标风量Q′ab比较。

为了简化计算，调节之前，调节风门所在平面与AB巷道Rbc、Rcd、Rbd、轴线成0度角，在调节过程中总风量Q不变。Rac、Q′ab、Q′bc=Q-Q′ab，因此Q′bc也是已知的。R′ab、Q均为已知，Q′bc、Q′bd、Q′cd是未知的，因此根据节点风量平衡和回路风压

平衡列出式（5）：

ìQ′ab=Q′bc+Q′bd

ï

ïQ′cd=Q′bc+Q′cdí2222ïR′abQ′ab+RbcQ′bc=RacQ′acïRQ′2+RQ′2=RQ′2

cdcdbdbdîbcbc

（5）

化简得

22

(Rbc+Rcd-Rbd)Q′2bd-2(RbcQ′ab+RcdQ)Q′bdRbcQ′ab+RcdQ=0

先求出Q′

cd后再求出Q′bc和R′ab。调节风阻Rw的计算式为：

w′ab-Rab

6）