付海鵬

中核第四研究設(shè)計工程有限公司鈾礦冶所 河北石家莊 050022

通風機是礦山生產(chǎn)四大固定設(shè)備之一，其可靠性是礦山安全生產(chǎn)的重要保障。通風量較小時，不能充分排出井下有害氣體，威脅井下工人的人身健康和安全；通風量較大時，巷道風速較大，影響井下工人作業(yè)，也造成能源浪費[1]。因此，為礦山選擇合適的通風機就顯得尤為重要。傳統(tǒng)的通風機選型，主要通過礦井所需風量、風壓等參數(shù)計算出通風機的風量、風壓和網(wǎng)路的風阻曲線，然后根據(jù)計算風量、風壓與通風機生產(chǎn)廠家提供的產(chǎn)品數(shù)據(jù)表格進行逐項比對，選出較合適的通風機。由于通風機型號多，比對時需要消耗大量時間。對于性能接近的通風機，通過手工繪制網(wǎng)路的風阻曲線，找到與通風機特性曲線的交點，進而確定通風機工況點等參數(shù)，從而選出效率最高的通風機。由于以上原因造成使用傳統(tǒng)通風機選型耗時長、精度不高等問題。

筆者結(jié)合自身設(shè)計經(jīng)驗和通風機選型設(shè)計流程，開發(fā)出依靠可視化程序語言 Visual Basic 的自動化通風機選型程序，實現(xiàn)通風機的自動、高效、準確選型。

1 通風機類型分析

礦山通風機主要有軸流式和離心式通風機。這2 種通風機的主要特點如表 1 所列。鑒于鈾礦山所需風壓低、風量大，所以鈾礦山通風多采用軸流式通風機。

表1 軸流式與離心式通風機對比Tab.1 Comparison of axial flow ventilator and centrifugal ventilator

2 選型設(shè)計

要實現(xiàn)通風機自動選型，首先，需要建立通風機數(shù)據(jù)庫；接著，根據(jù)設(shè)計原始參數(shù)計算出通風機的風量、風壓以及工作網(wǎng)路的風阻；然后，根據(jù)計算所得數(shù)據(jù)與通風機數(shù)據(jù)庫中的通風機參數(shù)進行比對，選出最合適的風機；最后，生成選型報告，供設(shè)計者使用[2-3]。

2.1 建立通風機數(shù)據(jù)庫

由于通風機型號多，工作范圍也比較寬廣，建立的數(shù)據(jù)庫勢必相當龐大。筆者采用 Excel 辦公軟件進行數(shù)據(jù)庫建立，便于數(shù)據(jù)庫建立以及后期添加、修改。

礦用通風機性能參數(shù)如表 2 所列。

表2 礦用通風機性能參數(shù)Tab.2 Performance parameters of mine ventilator

礦井通風機全壓特性曲線如圖 1 所示。人工進行通風機選型時，根據(jù)通風機的計算風量、風壓，直接在通風機特性曲線圖上進行比選。這種直接與通風機特性曲線進行比選的方法，造成選型周期延長。采用計算機程序選型，其準確性和快速性都能得到保障。該程序根據(jù)通風機的性能范圍進行初選，可以淘汰掉大部分通風機，加速了選型過程。

圖1 礦井通風機全壓特性曲線Fig.1 Total pressure characteristic curve of mine ventilator

由圖 1 可以看出，通風機特性曲線包含不同角度的通風機風壓-風量曲線和通風機效率曲線。要實現(xiàn)自動選型，就需要將圖 1 中所反映的通風機性能全部數(shù)據(jù)化，即風壓-風量曲線數(shù)據(jù)化和通風機效率曲線數(shù)據(jù)化，然后全部錄入數(shù)據(jù)庫，供程序調(diào)用。

根據(jù)選型的實際需要，通風機風壓-風量曲線需要進行擬合處理。首先，需要從通風機特性曲線上進行取點，然后根據(jù)得到的數(shù)據(jù)進行曲線擬合，得到通風機風壓-風量曲線的擬合方程[4]。

采用最小二乘法進行風機曲線擬合，確定取點的數(shù)量和位置。由擬合曲線方程系數(shù)的確定可知，對于n次擬合曲線，其數(shù)據(jù)點至少也需要n個。筆者采用主流的二次多項式來進行軸流式通風機風量-風壓曲線擬合，得到的相關(guān)系數(shù)R＞0.99，完全能滿足設(shè)計要求，所以數(shù)據(jù)點最少需要 2 個[5]。考慮到取點數(shù)量越多，曲線越平滑，擬合的曲線越準確，這里選取 5個點進行曲線擬合。

用最小二乘法進行風機曲線擬合，假定通風機風量-風壓曲線函數(shù)為H＝f(Q)，在m個互易點取得的數(shù)據(jù)為 (Qi，Hi) (i＝1，2，…，m)，要求構(gòu)造近似函數(shù)Hn(Q) 在包含全部基點Qi的區(qū)間上盡可能地逼近函數(shù)f(Q)。通風機特性曲線上取得m組數(shù)據(jù) (Qi，Hi)，可以近似用Qi的n次多項式來擬合。

式中：H為通風機理論風壓，Pa；n為大于 0 的正整數(shù)；Q為通風機理論風量，m3/s；ak為擬合方程系數(shù)。

根據(jù)軸流式通風機特性曲線特點，選取n＝2，即選用一元二次方程擬合通風機特性曲線。對函數(shù)H(n)(Q) 和函數(shù)f(Q) 求偏差的平方和

求S對aj(j=0，1，2，…，n) 的偏導(dǎo)數(shù)，并令

由式 (4) 以及n＝2 可得方程組

解矩陣方程 (5) 得到a0、a1、a2，并將n＝2 代入式 (1) 得到通風機的性能曲線

對于通風機效率曲線，根據(jù)曲線變化幅度不同，建立數(shù)據(jù)庫時，可從效率曲線上取 4～5 個點。鑒于無法和通風機網(wǎng)路特性曲線進行求解，即使建立擬合曲線方程，也只能計算出通風機工況點所處的范圍，后期仍需要人工進行比選。

2.2 通風機選型

通風機選型流程如圖 2 所示。首先輸入設(shè)計參數(shù)，計算出通風機的風量、風壓、工作網(wǎng)路的風阻，并根據(jù)效率范圍值算出通風機的最大和最小軸功率，再從通風機性能范圍和主要技術(shù)參數(shù)表中初選出滿足需求的通風機，并將初選所得的通風機建立數(shù)據(jù)庫存儲，供下一步使用。

圖2 通風機選型流程Fig.2 Process flow of ventilator type selection

通風機風量

式中：K為通風裝置漏風系數(shù)；Qx為礦井所需風量，m3/s。

通風機風壓

式中：Hx為礦井通風阻力，Pa；ΔH為通風裝置阻力，Pa；Hd為擴散器的動力損失，Pa；Hc為消聲裝置阻力，Pa；Hz為自然風壓，Pa。

通風機工作網(wǎng)路的計算風阻

電動機的軸功率

式中：Qj1為通風機工況點暫定風量，m3/s，Qj1=1.1Qj；Hj1為通風機工況點暫定負壓，Pa，Hj1=Rj=；η1為通風機工況點的暫定效率；ηm為機械傳動效率。

根據(jù)風機效率一般不應(yīng)低于 0.7 的通風機選型原則，在計算通風機最大軸功率時，取η1＝0.5；在計算通風機最小軸功率時，取η1＝1.0。

根據(jù)初選通風機參數(shù)，依次調(diào)用對應(yīng)通風機的風壓、風量，采用最小二乘法擬合出風量-負壓曲線函數(shù)，與通風網(wǎng)路特性曲線建立方程組：

解方程組 (11) 得到兩條曲線的交點，保存該點的風量、風壓，然后判斷該點的風量是否在風機風量可接受的浮動范圍內(nèi)。如果該點在可接受范圍內(nèi)，則保存該選型結(jié)果，存入二次選型通風機數(shù)據(jù)庫；如果不在可接受范圍內(nèi)，則讀取下一組風壓、風量參數(shù)，然后重復(fù)上述過程。

當通風機初次選型完成后，就需要根據(jù)通風機工況點的效率值進行通風機比選。鑒于通風機工況點效率值用計算機進行比選，只能得到效率值的范圍，無法得到具體數(shù)值，因此，可直接采用人工判斷效率值。根據(jù)二次選型通風機數(shù)據(jù)庫，繪出待選通風機特性曲線，根據(jù)圖上所示工況點位置，判斷出通風機效率，比選出最合適的通風機。最后，將選出的通風機方案保存，供設(shè)計者參考。

2.3 選型報告形式

通過程序?qū)νL機進行自動選型，使用 Word 文檔來保存原始設(shè)計參數(shù)、二次選型結(jié)果以及選型的最終結(jié)果，供設(shè)計師查看以及后期校核、審核；使用Excel 文檔用來保存原始設(shè)計參數(shù)，供查詢及修改。

2.4 礦井通風機自動選型

利用 Visual Basic 程序設(shè)計語言，設(shè)計礦井通風機自動選型程序，通過輸入工程名稱、礦井所需風量、礦井通風阻力等原始設(shè)計參數(shù)，自動選出最優(yōu)的通風機配置方案。

該程序設(shè)計了 2 種數(shù)據(jù)輸入方式：一種是直接輸入數(shù)據(jù)方式；另一種是通過打開原有的設(shè)計文件，直接調(diào)用數(shù)據(jù)。直接輸入數(shù)據(jù)方式主要用于新建工程的通風機自動選型，調(diào)用數(shù)據(jù)方式則主要用于查看已選的通風機選型過程是否合理以及修改參數(shù)。

當原始設(shè)計參數(shù)全部輸入完畢后，點擊計算按鈕，由程序自動完成通風機初步比選、建立初選數(shù)據(jù)庫、通風機二選、擬合曲線、建立二選數(shù)據(jù)庫等流程。最后，由設(shè)計者根據(jù)顯示的二選通風機工況點，人工比選出最合適的通風機。

該程序可以將二選通風機數(shù)據(jù)庫中的所有通風機全部顯示在同一界面，比選起來比較直觀。直接確定的通風機工況點與使用插值法確定的通風機工況點通過不同的圖形反映出來，使設(shè)計者能了解工況點的產(chǎn)生過程。

3 選型實例

鈾礦井采用對角式通風系統(tǒng)，抽出式通風方式，原始設(shè)計參數(shù)如表 3 所列。自動選型界面如圖 3 所示。將表 3 所列參數(shù)輸入到程序中，運行得到選型結(jié)果，如圖 4 所示。

圖3 自動選型界面Fig.3 Interface of automatic type selection

表3 原始設(shè)計參數(shù)Tab.3 Original design parameters

由圖 4 可以看出，根據(jù)顯示的風機性能曲線分析，K40-6-No.19 通風機的效率為 86%，小于 K45-6-No.17 通風機的效率 89%。考慮到 K45-6-No.17 通風機的工況點已經(jīng)接近最大風量，如果出現(xiàn)礦井所需風量增大的情況，該通風機將無法滿足礦井正常通風的需求，故選擇 K40-6-No.19 通風機為終選通風機。

圖4 自動選型終選界面Fig.4 Final selection interface of automatic type selection

4 結(jié)語

通風機自動選型程序人機交互界面友好，經(jīng)過簡單的操作演示后，設(shè)計者就可以熟練使用。該程序在輸入基本的設(shè)計參數(shù)后，僅需局部人為干預(yù)，就可以得到礦井通風機最優(yōu)配置方案，縮短了通風機選型周期，提高了通風機選型的準確性。通過 Excel 建立數(shù)據(jù)庫，具有顯示直觀，讀取方便，便于修改等特點。自動生成的選型文件內(nèi)容簡單，可以直接滿足設(shè)計及審核需求。但現(xiàn)階段仍存在如下問題，需要在后期的工作中進行優(yōu)化。

(1) 通風機數(shù)據(jù)庫中特性曲線的參數(shù)主要從廠家提供的產(chǎn)品圖冊中讀取的，存在人為誤差。后期可以考慮與通風機廠家進行合作，由通風機廠家提供數(shù)據(jù)。

(2) 程序終選界面中設(shè)計顯示的備選通風機數(shù)量為 4 個，顯示的備選通風機數(shù)量過少，有可能造成其他合適的通風機被漏選，需要進一步調(diào)整完善。

(3) 通風機工況點對應(yīng)的效率值無法自動計算，需要人為讀取。需要考慮是否有合適的方法，能夠自動計算出通風機的效率，進一步提高選型軟件的自動化程度，縮短選型周期。