矿井通风网络解算可视化软件研究.pdf

第 3卷第 4期 2 0 0 7年 8 月 中 国 安 全 生 产 科 学 技 术 J o u ma l o f S a f e t y S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y Vo 1 ． 3 No． 4 Au g．2 0 0 7 文章编号1 6 7 31 9 3 X 2 0 0 7 一0 4 0 0 5 1 04 矿井通风网络解算可视化软件研究 杜翠凤 ，张 昊 ，田文 明 北京科技大学土木与环境工程学院， 北京1 0 0 0 8 3 摘要 采用面向对象编程语言 V i s u a l B a s i c 6 ． 0为开发工具， 以 A c c e s s为后台数据库， 开发了具有 风机优选功能的矿井通风网络解算软件。该软件承袭了 Wi n d o w s 系统应用程序界面直观、 交互性 好的特点， 集矿井通风网络解算、 自然风压计算、 风机自动选型以及经济断面优化等功能于一体 ， 并辅以强大的数据管理系统 ， 为矿山通风设计和管理工作提供了便利工具。 关键词 网络解算； 风机优选； 软件开发 中图分类号 X 9 3 6 文献标识码 A S t u d y o n mi l l e v e n t i l a ti o n n e t wo r k s o l u t i o n v i s u a l s o f t wa r e o f f a n s e l e c t i o n a n d o p t i mi z a t i o n DU Cu i f e n g，Z HANG Ha o，T I A N W e n mi n g S c h o o l o f C i v i l a n d E n v i r o n m e n t E n g i n e e r i n g U n i v e r s i t y o f s c i e n c e and t e c h n o l o g y B e ij i n g ， B e i j i n g 1 0 0 8 3 ， C h i n a A b s t r a c t A m i n e v e n ti l a t i o n n e t w o r k s o l u t i o n s o f twa r e w h i c h C an s e l e c t t h e f a n s w i th o b j e c t -- o r i e n t e d p rog r a m m i n g l an-- g u a g e -- Vi s u a l B a s i c 6． 0 an d Ac c e s s as b a c k g r o u n d d a t a b a s e Was d e v e l o p e d．T h e s o f twa r e i n h e rit s i n t u i ti v e i n t e rf a c e an d g o o a i n t e r a c t i v e f e a t u r e s o f W i n d o ws s y s t e m an d r e a l i z e s t h e f un c t i o n s o f n e two r k s o l u t i o n，mi n e n a t u r a l a i r p r e s s u r e C O B po t a t i o n，f an s e l e c t i o n and e c o n o mi c s e c t i o n o p t i mi z a ti o n．S u p p l e me n t e d b y a p o we rfu l d a t a ma n a g e me n t s y s t e m，i t p m v i d e s a c o n v e n i e n t t o o l f o r mi n e v e n ti l a t i o n d e s i g n and ma n a g e me n t ． Ke y wo r d s n e two r k s o l u t i o n； f an s e l e c t i o n an d o p t i mi z a t i o n； s o f twa r e d e v e l o p i n g 1 引言 随着电子计算机技术的高速发展和通风网络理 论的不断完善 ， 应用于通风系统管理 的软件越来越 多， 这对提高矿井通风效果 ， 加强通风科学管理 ， 指 导通风系统改造均起着极大的促进作用。但是伴随 计算机软硬件的进一步发展， 这些 已有软件在不同 程度上出现一定的局 限性 ， 例如 功能 比较单一 ， 界 面交互性不好 ， 不能把网络解算 、 风机 的选型以及数 据管理等功能很好 的结合起来 。这些缺点极大地制 约了矿井通风软件的推广和使用。 收稿 日期 2 o 0 7 0 3 1 5 针对 以上问题 ， 在深入研究矿井通 风理论机制 与电算方法的基础上， 研究开发了集众多功能于一 体的矿井通风网络解算软件 ， 既顺应 了通风网络设 计与管理科学化 、 计算机化的新趋势， 又为实际生产 中通风系统设计 、 改造提供了更为快捷方便 的手段 。 2 风网解算算法选择及数学模型构建 2 ． 1 风网解算算法选择 解算方法在 网络解算系统中起着重要的作用 ， 它直接关系着所建立的模型能否正确反映出风网的 拓扑关系、 风流流 向及运动规律， 其稳定性以及收敛 速度将影响整个程序的可靠性和效率 。因此合适的 解算方法选择对于用计算机解算复杂的风网是十分 关键的步骤。 维普资讯 5 2 中 国 安 全 生 产 科 学 技 术 第 3卷 目前应用最多 的风网电算法是 回路风量法 ， 其 算法稳定可靠 ， 对各种规模的风网解算均适用 。回 路风量法的数学解法 比较多 ， 最常用的是牛顿法、 斯 考德 一恒斯雷法 S c o t t H i n s l e y 和京大一试 法_ 】 ] ， 它们的实质都是求解 由流动定律建立的非线性方程 组 ， 区别只在于求解原理不同。 因本研究将计算初始要求 、 结果准确性 以及程 序易控性作为数学模 型构建的首要考虑因素 ， 而斯 考德 一 恒斯雷法较其它方法具有求解最快捷 、 最简 便、 最容易掌握 ， 无需任何加工 ， 可直接求出各分支 的风量增量进行迭代的特性 ， 因此以其建立通风网 络的解算数学模型能够最大限度的避免解算过程中 出现难以预计的错误 ， 保证解算结果 的可靠和程序 的稳定 。 2 ． 2 风网解算数学模型构建 r G E， 对于某网络{ E e l ， e 2 ， ⋯， e ， 用斯考德 一 【 V ， 2 ， ⋯， 恒斯雷法构建数学模型的简要过程如下 首先对余枝数 即独立 回路数 bnm 1 ， 建立分支风量数组 ， 并 由独立回路风压平衡方程得 到非线性方程组 c Q 『 l Q c A i 1 i 1 1 ， 2 ， ⋯ ， n； i 1 ， 2 ， ⋯ ， b 1 式中 c 一基本回路矩阵第 i 行第 0 元素； R 一第 分支的风阻， N S 2 ／ m 8 ； Q 一第 分支的风量 ， m 3 ／ s ； P 一第 ． 分支通风能量的代数和， P i P r P ， 其 中 P ， 为风机工作风压 ， P 为 自然风压 。 将上式转换为函数形式并利用非线性方程组线 性化的方法进行转化 ， 经一系列简化最后得到斯考 德 一恒斯雷法的回路风量计算公式 A Q 一 ∑ C R i I Q I P i i 1 2 I j l c I 一 d Q P i ～ 、 J 式 中 ，象 I 表 示 第 J． 条 分 支 上 扇 风 机 曲 线 的 斜 率 ， 假设曲线拟和的次数为 d次 ， 则 a l 2 a 2 0 ,- ． ． ． ； 一 ． 一 d ． 1 ， 2 ， ⋯ ， n 4 按 2 、 3 和 4 反复计算 ， 第 k1 次迭代分支 风量值为 △ ∑c Q i 1 ， 2 ， ⋯ ， b ； 1 ， 2 ， ⋯ ， l t 5 当迭代求出的独立回路风量校正值满足给定条 件 n l a X{ l △ Q l } ≤ e e 预 先 给 定 的 精 度 一 般 取 e0 ． O 1～ 0 ． 0 0 0 0 1 m3 ／ s 。 此时可停 止计算 ， 第 k1次近似风量值 就是 自然分配的风量 。 3 扇风机优化选型研 究 扇风机优选就是要根据矿井通风工况合理确定 扇风机的型号， 是矿井通 风系统设计 的主要任务之 一 。本文借助风机 的类 型特性 曲线和风阻特性 曲 线 ， 直接利用风阻推导出风机直径 ， 提出风机优化选 型的新方法 ， 成功实现了风网解算与风机选 型一次 性完成的设计任务 。 3 ． 1 风机动轮直径数学模型 风机动轮直径数学模型推导过程 首先由类 型风量系数 、 类型风压系数 及阻力定律可得 一旦 一 一 鱼 “ 一 Q 一 r -- 2 tt2 一 丌 D 2 将空气密度 』 D 1 ． 2 0 3 k g ／ m 3 实际取值 代人上 式， 得 一 1 6p 2 H 7 r2 D 弓 7 r 2 Q D -1 ． 9 4 5 D 6 “一 2 一 2 一 2 受类型系数的启发 ， 定义风阻类型系数为 R 1 1 7 一 将式 7 代人 6 ， 则推导 出扇风机动轮直径 的 计算公式 D 2 8 3． 2 扇风机优选算法 ‘ 在利用扇风机的类型特性曲线进行风机选型 ．／ Z， Q 2 0 0 O 0 n P P d 0 维普资讯 第 4期 中 国 安 全 生 产 科 学 技 术 5 3 时， 结合扇风机效率因素分析可知在同类型风机中 选取最高效率点计算得出的风机， 即为同类型风机 中满足矿井风量风压要求、 效率最高、 功率消耗最少 的扇风机l 2 J 。 根据以上分析推导 ， 扇风机优化选型算法步骤 如下 1 根据网络解算初算结果 ， 计算所需要 的风机 风压和风量， 并计算此时的风阻； 2 利用风机的类型特性 曲线对多角度 曲线分 别拟合得到无因次风压及效率特性方程， 找到效率 最大的点 对于类型特性曲线， 该点称为无因次工况 点 ， 并计算出各点此时的 Q、 H值 ； 3 对于同一类型的风机 ， 每个安装角度的曲线 都可以找到效率最大的一点 ， 对它们进行 比较 ， 选取 效率最高的一点及其安装角度， 并记录； 4 在 3 完成后 ， 每个类 型的风机都各 自具有 一 个最大效率的无因次工况点， 由该点的 、 值 按公式 7 计算 ； 5 根据公式 8 计算最有利的扇风机直径 D， ， 并取与实际接近的值 ； 6 根据动轮直径初选与之匹配的风机 ， 对其个 体特性曲线进行拟合， 得到工况点的 Q 、 H、 叼 全压 效率 、 轴功率 ； 7 检验工况点是否在风机合理工作区间 ， 并舍 去不合理风机 ； 8 在所有可选风机中确定最优。 4 通风网络解算软件系统设计 4 ． 1 网络解算软件系统设计方案 4 ． 1 ． 1系统结构 组成 本研究所开发软件的系统设计 ， 包括 1 8个窗体 和 6 个模块 。该软件以数据处理和计算为主， 计算 模块是系统研究 的核心内容。按照操作对象与处理 方式的不同 ， 系统主要包括一个风机数据库子系统、 一 个信息管理子系统和三大功能计算模块 ， 其 主体 结构见图 1 。 4 ． 1 ． 2 系统界面设计 软件界面设计是应用程序开发 的重要 内容 ， 界 面好坏直接影响到软件的实用性和可接受程度。为 使程序易于掌握和使用， 本系统采用了菜单驱动式 界面 ， 并设计了类似 WO R D字处理系统 的多文档界 面 MD I M u l t i p l e D o c u m e n t I n t e r f a c e ， 系统主界面作为 父窗体 ， 风网初始信息与解算结果信息两个窗体类 分别作为子窗体， 如图 2所示 。 风机信息数据库 信息管理 l l网络解算模块 l l 风机优选模块 信 息 赋 值 与 计 算 面优化 模块 图2 系统运行界面 g ． 2 信息管理子系统 矿井风 网解算基于复杂的风 网原始信息． ， 网络 数据信息的存储与控制对于网络解算软件的开发研 究也是至关重要的一环。 信息管理子系统 的主要 功能包括风 网信息显 示 、 数据的输入与修改、 将风 网信息写入磁盘文件或 从文件中读取信息并显示出来以及网络信息的打印 输出， 其处理模式与技术手段直接关系到软件的实 用性和安全性。 4 ． 2． 1 风 网数 据 的显示 与编辑 本系统采用 可伸缩 的网格控 件 MS F l e x G r i d 技 术进行数据呈现 ， 能够清楚直观将大量风网数据显 示出来。同时并对标准 M S F l e x G r i d 控件做 出一些改 进 ， 将其设计成类似 E x c e l 电子表格 的数据控制 网 维普资讯 5 4 中 国 安 全 生 产 科 学 技 术 第 3 卷 格 。主要 手段是 借助 于一个 T e x t B o x ， 分别 为 MS ． F l e x G r i d的 E n t e r C e l l和 C l i c k事 件 以 及 文 本 框 C h a n g e 、 P r e s s D o w n 、 L o s t F o c u s等 事件 编 写源 程 序代 码， 使得控件动作与文本框控件产生联动效果_3 _3 。 这样既保障了风网数据的安全性又可对风网数据进 行输入 、 编辑和修改。 4 ． 2 ． 2 风 网信 息 的存取 通风网络信息的存储是信息管理系统的主要任 务之一。风网信息包括 了网络名称 、 网络分支数和 节点数、 风 网原始数据与网络解算结果、 选用风机参 数等， 均反映在相应的显示界面中。 系统为风网信息提供了两种存取形式， 一是通 过一个变体型变量数组， 依次对顺序文件写操作， 将 风网相关信息数据顺序存人， 读取文件时， 只需顺序 的将信息取出 ， 显示在窗体或表格的相应位置 ； 二将 风网信息导人 Mi c r o s o f t E x c e l ， 并以电子表格的格式 存储文件， 利用代码控制， 该种文件形式的风网数据 也同样可以导人到程序 中。 4 ． 2 ． 3 风 网信 息的打 印 风网信息尤其 网络解算结果是矿井通风设计的 重要依据， 将其以书面形式输出是实际工作的需要。 系统采用 O L E 对象的链接与嵌入 技术进行 V B与 Exc e l 二者间的数据信息访问_4 j ， 实现了理想的报表 打印效果， 表格结构清晰直观 、 风 网信息显示全面、 对网络数据数量无 限制 ， 并可随时对其进行调整与 修改 ， 较好的解决 了通 风网络解算 软件报表输 出与 打印的难题 。 4 ． 3 系统的计算功能模块 系统 的计算功能模块是软件的核心模块 ， 包括 网络解算、 风机优选和经济断面优化三大功能模块 ， 用来实现系统的回路圈划、 网络解算、 固定风量分支 阻力调节计算、 曲线拟合、 风机选型 、 矿井 自然风压 计算 以及经济断面优化等主要计算功能 。 计算功能模块有以下几点需要说 明 i 系统的解算过程， 回路 圈划 、 矿井 自然风压 计算、 网络迭代计算是一次性衔接完成的。 2 在网络初次解算后， 菜单栏的风机优选命令 和子窗体中的风机选择功能按钮才被激活为可使用 状态 ， 计算机 自动辨识网络 中风机安装分支个数并 进行 自动风机选型 。 3 经济断面优化则是相对独立的模块 ， 只需要 给定相关参数 ， 即可计算 出最优断面以及使用该断 面的各项费用情况 各项费用均折合为投产年初投 入值 。 4 本系统中的矿井 自然 风压计算 、 曲线拟合、 风机优选等子程序除被调用进行解算外均可作为独 立的计算模块使用， 以适应不同的工作需要。 4 ． 4 矿用风机数据库 由于开发的解算软件为单机应用软件 ， 建立的 风机信息数据库只供程序本身访问与调用， 因而小 型的桌面数据库完全可以达到使用的要求。本系统 采用 A c c e s s 创建了风机信息数据库 通风机 ． m d b ， 包含三个关系表 ， 结构见 图 3 。系统采用 A D O技术 通过连接字符串连接 A c c e s s 数据库来实现对数据 库的访问。 风机参数表 个体特性曲线表 风机优选模块 图 3 风机信息数据库结构与功能模块图 5 结论 本文对具有新型风机优选功能的通风网络解算 软件的算 法数学模 型构建、 风机优 选、 系统方案设 计、 研究思路、 技术手段等内容进行了归纳和概述。 所开发的解算软件克服 了已有通风解算软件的缺陷 和不足并进行扩展 ， 实现了矿井通风风 网计算和设 备选型或修改工作 由计算机一次性全部完成 的功 能 ， 同时辅以强大的数据管理系统 ， 解决 了繁琐的数 据存取和报表调整与打印的问题。此外该软件具有 较好的通用性和可移植性 ， 为矿井通风系统管理工 作提供 了便利工具 ， 有助于实现矿山管理 的科学化 和计算机化。 参考文献 [ 1 ] 傅贵， 秦跃平 ， 杨伟民等． 矿井通风系统分析与优化 [ M] ． 北京 机械工业出版社， 1 9 9 5 [ 2 ] 李秉芮． 矿井通风节能技术初探[ J ] ． 山东矿业学院学 报 ， 1 9 9 4 ， 1 3 1 3 5 3 8 [ 3 ] 傅铭． V B中 M S F L E X G R I D控件网格单元可编辑功能的 实现[ J ] ． 科技情报开发与经济， 2 0 0 1 ， 1 1 2 3 2 3 3 [ 4 ] 李平康． E X C E L实现过程控制和管理的信息集成处理 [ J ] ． 华北电力技术， 1 9 9 8 ， 4 2 7 3 1 一 惜 风 渤 维普资讯