王志鵬

（晉能控股煤業(yè)集團朔州煤電千井煤業(yè)有限公司，山西 朔州 036900）

引言

通風(fēng)控制系統(tǒng)的原理是在礦井內(nèi)每個工作區(qū)域內(nèi)配置一套二次通風(fēng)機，在工作區(qū)域內(nèi)對通風(fēng)風(fēng)量進行探測[1-3]，通過計算每個工作區(qū)域內(nèi)所需的總二次空氣流量，將其作為風(fēng)扇通風(fēng)流量的設(shè)定值[4-5]。

為了實現(xiàn)礦井通風(fēng)穩(wěn)定可靠，本文提出了一種新的通風(fēng)風(fēng)量最小控制方法，對目前的通風(fēng)系統(tǒng)做出優(yōu)化和改進，使得礦井通風(fēng)系統(tǒng)更加穩(wěn)定，消耗的能源更少。

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1.1 控制定義

目前通風(fēng)系統(tǒng)采用多個風(fēng)機分配通風(fēng)風(fēng)流的方式。風(fēng)扇和門是通風(fēng)系統(tǒng)的一部分，單個風(fēng)扇或門的改變會對其他風(fēng)扇的運行產(chǎn)生影響，采用SISO（單進單出）控制器很難精確地解決目前的通風(fēng)控制問題。

控制目標(biāo)是采用協(xié)調(diào)方式使風(fēng)機正常運行，并且滿足礦井所需的最小空氣流量。

1.2 先驗信息的定義

使用先驗信息的目標(biāo)是礦井通風(fēng)系統(tǒng)正常工作時如何節(jié)省能源。通過對通風(fēng)系統(tǒng)進行分析，設(shè)置控制范圍，提出了一個改進后的、優(yōu)越的通風(fēng)系統(tǒng)方案，如圖1所示。

圖1 改進優(yōu)化的礦主通風(fēng)系統(tǒng)示意圖

對主風(fēng)量影響最大的部件為主風(fēng)機和各層進氣、排氣增壓風(fēng)機。各層二次風(fēng)機僅起攪拌作用，對整體風(fēng)量無顯著影響。

研究表明，為了實現(xiàn)礦井通風(fēng)過程中最大程度的節(jié)能，需要控制兩個最重要的參數(shù)，一是礦井通風(fēng)系統(tǒng)中進出的空氣流量，二是空氣流量所需的風(fēng)扇最低功率，通過通風(fēng)風(fēng)流能量計算得到空氣流量。

1.3 模型確定及系統(tǒng)識別

建立用于控制通風(fēng)風(fēng)機的通風(fēng)系統(tǒng)模型，并在現(xiàn)場與礦井作業(yè)人員共同進行了實驗。為了獲取每個控制輸入對整個系統(tǒng)的影響，首先關(guān)閉所有風(fēng)扇的自動控制，然后對于其中一個風(fēng)扇轉(zhuǎn)速進行設(shè)置，讓系統(tǒng)達到平衡。觀察所有需要被監(jiān)測信號，包括氣流、壓差、風(fēng)扇功率、風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，并記錄結(jié)果，最后對其余的風(fēng)扇重復(fù)這個過程。通過實驗研究，一個典型的階躍變化序列的結(jié)果如下頁圖2所示。

圖2 階躍響應(yīng)和結(jié)果

這一實驗過程是對系統(tǒng)中的所有風(fēng)扇進行測試的，并將所有的實驗數(shù)據(jù)擬合成為數(shù)值模型。

2 實驗結(jié)果和分析

2.1 實驗結(jié)果

建立通風(fēng)系統(tǒng)模型，并采用通風(fēng)分流能量控制的方法，礦井內(nèi)的通風(fēng)風(fēng)量比以前更能滿足需求，節(jié)能是風(fēng)機順暢運行的直接結(jié)果。事實上，這是一個單一的控制系統(tǒng)，簡化了在特定區(qū)域內(nèi)空氣流量的調(diào)節(jié)控制。實驗結(jié)果證明，風(fēng)扇的能源消耗減少了40%。此外，觀察到進礦總風(fēng)量減少了約15%，節(jié)省的能源可以用在冬季取暖等其他方向。

除了直接提供的風(fēng)扇能量減少之外，該模型還提升了對空氣流動的可控性。這說明通過按需通風(fēng)功能計算的通風(fēng)流量，可以計算出更接近最小極限的通風(fēng)流量，如果設(shè)定值超過安全閾值，則通常會在需求參數(shù)中適當(dāng)調(diào)整安全系數(shù)。如圖3所示，基于該模型，上述問題可以減少或消除。

圖3 模型預(yù)測控制的效果示意圖

模型預(yù)測控制方法具有穩(wěn)定性和可靠性，在很長一段時間，都不需要重新校準(zhǔn)。如圖4所示，該圖顯示了受控風(fēng)扇在特定期間的總功耗。需要注意的是，在這段時間的最后一部分，功率略有增加。這是由于其中一個流量傳感器工作不正常，導(dǎo)致其中一個風(fēng)扇一直在全速運行，使得功率增加。

在同一時間段內(nèi)，通過KPI監(jiān)控對通風(fēng)性能進行實驗。該實驗證明增加風(fēng)扇功率使得通風(fēng)系統(tǒng)性能變差，該實驗還對通風(fēng)系統(tǒng)的故障進行分析，并對損壞的空氣流量傳感器進行修復(fù)，圖5是圖4在同一時間段內(nèi)的通風(fēng)性能KPI示意圖。采用優(yōu)化控制系統(tǒng)模型后，礦井實際生產(chǎn)與通風(fēng)系統(tǒng)性能之間的相關(guān)性比以往任何時候都更強。

圖4 受控制風(fēng)扇的總功率

圖5 通風(fēng)系統(tǒng)性能KPI

2.2 實驗分析

通風(fēng)系統(tǒng)模型經(jīng)過優(yōu)化后的效果與預(yù)期一致，甚至超出預(yù)期效果。節(jié)能的最初目標(biāo)已經(jīng)實現(xiàn)，對更強氣流的可控性要求，則為控制系統(tǒng)設(shè)計提供了新的研究方向。在礦井正常工作前選取適當(dāng)?shù)耐L(fēng)控制范圍，對于通風(fēng)系統(tǒng)的控制和分析是至關(guān)重要的。該模型采集的數(shù)據(jù)是數(shù)字信號，這表明模型是通過收集的歷史操作數(shù)據(jù)并對數(shù)據(jù)進行分析得出的。隨著礦井的發(fā)展，這種新方法使得對通風(fēng)風(fēng)量的控制更加容易，對模型的維護也更容易實現(xiàn)，模型預(yù)測控制方法具有穩(wěn)定性和可靠性，在很長一段時間，都不需要重新校準(zhǔn)。

3 結(jié)語

將最小化控制模型應(yīng)用于礦井通風(fēng)系統(tǒng)，使得通風(fēng)風(fēng)流能量消耗具有多重效益，不僅降低了通風(fēng)系統(tǒng)的運行成本，而且大幅度改善了礦井工作環(huán)境。礦井在不斷發(fā)展，現(xiàn)有模型也在循序漸進地被優(yōu)化和改進。將模型預(yù)測控制技術(shù)集成到現(xiàn)有控制系統(tǒng)中，使得用戶可以輕松地更改系統(tǒng)參數(shù)和調(diào)整通風(fēng)風(fēng)流能量閾值。經(jīng)過實驗證明，本文提出的最小化控制系統(tǒng)在穩(wěn)定、安全的方式下取得了較好控制效果。