付海鹏

中核第四研究设计工程有限公司铀矿冶所 河北石家庄 050022

通风机是矿山生产四大固定设备之一，其可靠性是矿山安全生产的重要保障。通风量较小时，不能充分排出井下有害气体，威胁井下工人的人身健康和安全；通风量较大时，巷道风速较大，影响井下工人作业，也造成能源浪费[1]。因此，为矿山选择合适的通风机就显得尤为重要。传统的通风机选型，主要通过矿井所需风量、风压等参数计算出通风机的风量、风压和网路的风阻曲线，然后根据计算风量、风压与通风机生产厂家提供的产品数据表格进行逐项比对，选出较合适的通风机。由于通风机型号多，比对时需要消耗大量时间。对于性能接近的通风机，通过手工绘制网路的风阻曲线，找到与通风机特性曲线的交点，进而确定通风机工况点等参数，从而选出效率最高的通风机。由于以上原因造成使用传统通风机选型耗时长、精度不高等问题。

笔者结合自身设计经验和通风机选型设计流程，开发出依靠可视化程序语言 Visual Basic 的自动化通风机选型程序，实现通风机的自动、高效、准确选型。

1 通风机类型分析

矿山通风机主要有轴流式和离心式通风机。这2 种通风机的主要特点如表 1 所列。鉴于铀矿山所需风压低、风量大，所以铀矿山通风多采用轴流式通风机。

表1 轴流式与离心式通风机对比Tab.1 Comparison of axial flow ventilator and centrifugal ventilator

2 选型设计

要实现通风机自动选型，首先，需要建立通风机数据库；接着，根据设计原始参数计算出通风机的风量、风压以及工作网路的风阻；然后，根据计算所得数据与通风机数据库中的通风机参数进行比对，选出最合适的风机；最后，生成选型报告，供设计者使用[2-3]。

2.1 建立通风机数据库

由于通风机型号多，工作范围也比较宽广，建立的数据库势必相当庞大。笔者采用 Excel 办公软件进行数据库建立，便于数据库建立以及后期添加、修改。

矿用通风机性能参数如表 2 所列。

表2 矿用通风机性能参数Tab.2 Performance parameters of mine ventilator

矿井通风机全压特性曲线如图 1 所示。人工进行通风机选型时，根据通风机的计算风量、风压，直接在通风机特性曲线图上进行比选。这种直接与通风机特性曲线进行比选的方法，造成选型周期延长。采用计算机程序选型，其准确性和快速性都能得到保障。该程序根据通风机的性能范围进行初选，可以淘汰掉大部分通风机，加速了选型过程。

图1 矿井通风机全压特性曲线Fig.1 Total pressure characteristic curve of mine ventilator

由图 1 可以看出，通风机特性曲线包含不同角度的通风机风压-风量曲线和通风机效率曲线。要实现自动选型，就需要将图 1 中所反映的通风机性能全部数据化，即风压-风量曲线数据化和通风机效率曲线数据化，然后全部录入数据库，供程序调用。

根据选型的实际需要，通风机风压-风量曲线需要进行拟合处理。首先，需要从通风机特性曲线上进行取点，然后根据得到的数据进行曲线拟合，得到通风机风压-风量曲线的拟合方程[4]。

采用最小二乘法进行风机曲线拟合，确定取点的数量和位置。由拟合曲线方程系数的确定可知，对于n次拟合曲线，其数据点至少也需要n个。笔者采用主流的二次多项式来进行轴流式通风机风量-风压曲线拟合，得到的相关系数R＞0.99，完全能满足设计要求，所以数据点最少需要 2 个[5]。考虑到取点数量越多，曲线越平滑，拟合的曲线越准确，这里选取 5个点进行曲线拟合。

用最小二乘法进行风机曲线拟合，假定通风机风量-风压曲线函数为H＝f(Q)，在m个互易点取得的数据为 (Qi，Hi) (i＝1，2，…，m)，要求构造近似函数Hn(Q) 在包含全部基点Qi的区间上尽可能地逼近函数f(Q)。通风机特性曲线上取得m组数据 (Qi，Hi)，可以近似用Qi的n次多项式来拟合。

式中：H为通风机理论风压，Pa；n为大于 0 的正整数；Q为通风机理论风量，m3/s；ak为拟合方程系数。

根据轴流式通风机特性曲线特点，选取n＝2，即选用一元二次方程拟合通风机特性曲线。对函数H(n)(Q) 和函数f(Q) 求偏差的平方和

求S对aj(j=0，1，2，…，n) 的偏导数，并令

由式 (4) 以及n＝2 可得方程组

解矩阵方程 (5) 得到a0、a1、a2，并将n＝2 代入式 (1) 得到通风机的性能曲线

对于通风机效率曲线，根据曲线变化幅度不同，建立数据库时，可从效率曲线上取 4～5 个点。鉴于无法和通风机网路特性曲线进行求解，即使建立拟合曲线方程，也只能计算出通风机工况点所处的范围，后期仍需要人工进行比选。

2.2 通风机选型

通风机选型流程如图 2 所示。首先输入设计参数，计算出通风机的风量、风压、工作网路的风阻，并根据效率范围值算出通风机的最大和最小轴功率，再从通风机性能范围和主要技术参数表中初选出满足需求的通风机，并将初选所得的通风机建立数据库存储，供下一步使用。

图2 通风机选型流程Fig.2 Process flow of ventilator type selection

通风机风量

式中：K为通风装置漏风系数；Qx为矿井所需风量，m3/s。

通风机风压

式中：Hx为矿井通风阻力，Pa；ΔH为通风装置阻力，Pa；Hd为扩散器的动力损失，Pa；Hc为消声装置阻力，Pa；Hz为自然风压，Pa。

通风机工作网路的计算风阻

电动机的轴功率

式中：Qj1为通风机工况点暂定风量，m3/s，Qj1=1.1Qj；Hj1为通风机工况点暂定负压，Pa，Hj1=Rj=；η1为通风机工况点的暂定效率；ηm为机械传动效率。

根据风机效率一般不应低于 0.7 的通风机选型原则，在计算通风机最大轴功率时，取η1＝0.5；在计算通风机最小轴功率时，取η1＝1.0。

根据初选通风机参数，依次调用对应通风机的风压、风量，采用最小二乘法拟合出风量-负压曲线函数，与通风网路特性曲线建立方程组：

解方程组 (11) 得到两条曲线的交点，保存该点的风量、风压，然后判断该点的风量是否在风机风量可接受的浮动范围内。如果该点在可接受范围内，则保存该选型结果，存入二次选型通风机数据库；如果不在可接受范围内，则读取下一组风压、风量参数，然后重复上述过程。

当通风机初次选型完成后，就需要根据通风机工况点的效率值进行通风机比选。鉴于通风机工况点效率值用计算机进行比选，只能得到效率值的范围，无法得到具体数值，因此，可直接采用人工判断效率值。根据二次选型通风机数据库，绘出待选通风机特性曲线，根据图上所示工况点位置，判断出通风机效率，比选出最合适的通风机。最后，将选出的通风机方案保存，供设计者参考。

2.3 选型报告形式

通过程序对通风机进行自动选型，使用 Word 文档来保存原始设计参数、二次选型结果以及选型的最终结果，供设计师查看以及后期校核、审核；使用Excel 文档用来保存原始设计参数，供查询及修改。

2.4 矿井通风机自动选型

利用 Visual Basic 程序设计语言，设计矿井通风机自动选型程序，通过输入工程名称、矿井所需风量、矿井通风阻力等原始设计参数，自动选出最优的通风机配置方案。

该程序设计了 2 种数据输入方式：一种是直接输入数据方式；另一种是通过打开原有的设计文件，直接调用数据。直接输入数据方式主要用于新建工程的通风机自动选型，调用数据方式则主要用于查看已选的通风机选型过程是否合理以及修改参数。

当原始设计参数全部输入完毕后，点击计算按钮，由程序自动完成通风机初步比选、建立初选数据库、通风机二选、拟合曲线、建立二选数据库等流程。最后，由设计者根据显示的二选通风机工况点，人工比选出最合适的通风机。

该程序可以将二选通风机数据库中的所有通风机全部显示在同一界面，比选起来比较直观。直接确定的通风机工况点与使用插值法确定的通风机工况点通过不同的图形反映出来，使设计者能了解工况点的产生过程。

3 选型实例

铀矿井采用对角式通风系统，抽出式通风方式，原始设计参数如表 3 所列。自动选型界面如图 3 所示。将表 3 所列参数输入到程序中，运行得到选型结果，如图 4 所示。

图3 自动选型界面Fig.3 Interface of automatic type selection

表3 原始设计参数Tab.3 Original design parameters

由图 4 可以看出，根据显示的风机性能曲线分析，K40-6-No.19 通风机的效率为 86%，小于 K45-6-No.17 通风机的效率 89%。考虑到 K45-6-No.17 通风机的工况点已经接近最大风量，如果出现矿井所需风量增大的情况，该通风机将无法满足矿井正常通风的需求，故选择 K40-6-No.19 通风机为终选通风机。

图4 自动选型终选界面Fig.4 Final selection interface of automatic type selection

4 结语

通风机自动选型程序人机交互界面友好，经过简单的操作演示后，设计者就可以熟练使用。该程序在输入基本的设计参数后，仅需局部人为干预，就可以得到矿井通风机最优配置方案，缩短了通风机选型周期，提高了通风机选型的准确性。通过 Excel 建立数据库，具有显示直观，读取方便，便于修改等特点。自动生成的选型文件内容简单，可以直接满足设计及审核需求。但现阶段仍存在如下问题，需要在后期的工作中进行优化。

(1) 通风机数据库中特性曲线的参数主要从厂家提供的产品图册中读取的，存在人为误差。后期可以考虑与通风机厂家进行合作，由通风机厂家提供数据。

(2) 程序终选界面中设计显示的备选通风机数量为 4 个，显示的备选通风机数量过少，有可能造成其他合适的通风机被漏选，需要进一步调整完善。

(3) 通风机工况点对应的效率值无法自动计算，需要人为读取。需要考虑是否有合适的方法，能够自动计算出通风机的效率，进一步提高选型软件的自动化程度，缩短选型周期。