基于MCGS的通风机性能曲线自动跟踪绘制

2014-12-13邵长宏

江西煤炭科技 2014年3期

邵长宏

（徐矿集团新疆赛尔能源有限公司，新疆和布克赛尔 834406）

矿井通风系统由井下风网、各类通风设施以及地面主通风机等构成，主通风机是矿井通风的主要动力设备，被称为矿井之肺，担负着向井下供给新鲜空气、排出有害气体和粉尘的重任，其运行合理与否直接关系到矿井安全生产和经济效益，而风机性能曲线是衡量风机运行工况、考察风机与风网匹配程度、进行矿井通风系统优化的重要技术资料。因此，准确绘制风机性能曲线并实时计算风机工况点在性能曲线上的位置，对于考察风机运行状态、指导风机合理调节，保证矿井通风安全，节能减排等皆具有重要的现实意义。特别是对于配有变频器的风机，其运行频率不定，风机性能曲线随运行频率不断移动，实现对性能曲线的实时跟踪与绘制则更具指导意义。

1 数学模型

1.1 风机性能曲线数学模型

主通风机的风量、风压、功率、效率这四个参数可以反映出主通风机的工作特性，对于每一台主通风机来说，在一定转速下对应一定的风量，同时具有一定的风压、功率、效率与之对应，风量变动则其它三个参数也随之变动，因此，可将主通风机的风压、功率、效率随风量变化而变化的关系，分别用曲线表现出来，即风机性能曲线。风机性能曲线包括风压特性曲线（H-Q）、功率特性曲线（N-Q）、效率特性曲线（η-Q）。研究表明，风压与风量、功率与风量以及效率与风量之间存在着非线性多项式关系，在实际使用中，用一元二次方程表示的风机性能曲线，既能较好的满足精度要求，又因方程不太复杂，计算、绘制均较为简便，所以用一元二次方程表示的风机性能曲线得到广泛应用〔1-2〕。

由于风流在风机内部的能量损失无法计算，故风机性能曲线只能通过测试、整理获得，且一般均测试工频运行时的一组性能曲线，其曲线的数学模型如下所示：

静压：H=α1x2+b1x+c1

轴功率：N=α2x2+b2x+c2

效率：η=α3x2+b3x+c3

1.2 变频运行曲线数学模型计算

为适应矿井不同生产阶段的风量调节需求，同时为了节能降耗，很多矿井都为主通风机安装了变频调速装置并配以相应的监控系统，以风机风量为控制目标调节变频器输出，达到风机风量恒定的目的，由于井下风网是动态变化的，矿井风阻亦不停的波动。因此，变频器的输出频率会随着矿井风阻的波动而不断变化。风机转速的变化带来性能曲线在坐标系上的移动，这时就很难及时了解风机工况点在性能曲线上的位置，也就很难判断风机的运行状态。解决这一问题，可借助计算机强大的计算能力，使风机性能曲线能实时追踪风机运行频率，同时充分利用计算机的绘图功能实时绘制曲线，以期实现实时监测、实时显示，使风机实时运行状态一目了然，为此，需首先研究曲线随频率变化的规律，推导出相应公式〔3-4〕。

根据风机风量与转速成一次方关系，压力与转速成二次方关系，轴功率与转速成三次方关系，即：

式中：Q0、H0、N0、n0分别为工频条件下的风机风量、静压、轴功率、转速；Q、H、N、n分别为变频条件下的风机风量、静压、轴功率、转速。

式中：n为电机转速，f为电源频率，p为电机旋转磁场的极对数），对于同一台电机，p是定值。

因此风机风量、静压、轴功率与转速的关系公式可近似列为：

式中：f0为工频频率，即50Hz；f为变频频率。

由此推导出工频、变频情况下各参数的关系式：

可见，风机效率不随频率的改变而改变，其曲线在直角坐标系上只做左右移动，不做上下移动。

根据一元二次方程“左加右减”、“上加下减”的性质，结合1.1节介绍的风机性能曲线方程，变频情况下风机性能曲线为：

1.3 风机工况点计算

风机性能曲线是三条静态曲线，是考察风机性能的重要依据，然而，实际使用中若只考察这三条曲线则意义不大，只有将风机带进风网进行综合考虑，才能构建出合理的矿井通风系统。风机与井下风网可通过风阻曲线建立联系：风阻曲线与风机的风压-风量曲线的交点即为风机的工况点，工况点可以考察风机、风网的运行状态，为此，需在计算机上计算工况点并将其实时显示在风机性能曲线上。

在本项目的软件编制中，首先计算风机工况点，在不考虑自然风压的情况下，利用风机监控系统监测到的风机负压减去速压即认为是矿井阻力，根据阻力定律h=R×Q2，监控系统自动计算矿井风阻R，阻力定律方程与风压-风量曲线方程联立：

解一元二次方程即可求得风机工况点。

2 曲线绘制

新疆赛尔能源有限公司三矿主通风机房无人值守及矿井风量闭环控制技术研究项目以MCGS为平台编制上位机监控软件。MCGS提供强大的数据处理能力，能以图表、曲线、柱状图等各种方式处理从现场采集到的数据，风机曲线实时绘制就是利用其曲线绘制功能。

本项目中，利用MCGS提供的“实时曲线构件”，在脚本程序中调用“AddXYData（）函数”自动绘制风机性能曲线和风阻曲线，其组态过程见图1。

图1 实时曲线构件组态

AddXYData（）函数以连点成线的方式绘制曲线，函数中包含了曲线方程，曲线绘制程序调用AddXYData（）函数时自动计算给定点的函数值，多个点即可连成曲线〔5-7〕。上位机监控软件实时监测风机运行参数（风压、风量、变频器输出频率、电参数等）且每1S调用一次曲线绘制程序。因此，监控软件可根据风机运行频率的变化实时绘制风机特征曲线和风阻曲线。

3 工况点实时显示

利用1.3 节介绍的公式计算出风机工况点之后，MCGS根据显示器的坐标、曲线构建取值范围、工况点数值，利用线性比例关系、构件的水皮及垂直移动属性实时计算并显示工况点在风机性能曲线上的位置，达到实时监测风机工况的目的，其组态过程见图2。

图2 工况点移动属性组态

4 应用效果

通风系统能否合理运行和风机效率高低皆与风机实际运行的转速、风叶角度有着直接的关系。转速或角度过大会造成功耗增加，有效风量降低，过小则会造成井下风量不够用，风机运行效率降低等。而风机转速、角度是否合理，最直观的方法便是通过观察风机性能曲线，查看风机工况点所在的工作区域，图3为本项目中通过上位机软件绘制的风机性能曲线和风阻特性曲线，风机运行工况一目了然。同时，为保证风机运行安全，系统设置报警功能，当风机工况点进入“喘振区”或“低效区”时，系统以声光报警的方式提示工作人员采取措施。