多级机战通风网络解算系统的研究及开发.pdf

多级机站通风网络解算系统的研究及开发 * 刘杨威， 杜翠凤 北京科技大学 土木与环境工程学院， 北京100083 摘要 采用 Java 语言在 NetBeans 6． 5 集成开发平台上， 以 面向对象的开发方式开发了支持不同数据库的多级机站通 风网络解算系统。该系统不仅实现了多级机站的通风网络 解算功能， 同时还具备风机曲线拟合、 风机优选、 扇风机数据 库管理等功能， 为矿山通风系统的管理提供了软件上的支 持。 关键词 多级机站通风系统; 网络解算; 软件开发 中图分类号 TD72文献标识码 A 文章编号 1005 －2763 2010 06 －0049 －04 Development of Network Solution System for Multistage Fan Stations Ventilation System Liu Yangwei， Du Cuifeng School of Civil ＆ Environment Engineering， University of Science ＆ Technology Beijing， Beijing 100083， China Abstract A network solution system for multistage fan stations ventilation system was developed under NetBeans6． 5 integrated development plat and using Java as well as OOP ． The network solution system supports different database manage- ment system， not only realizes multistage fan stations ventilation network solution， but also has such functions as fitting fan＇s per- ance curves， optimum selection of fan， fan database manage- ment and so on． It provides a software support for mine ventila- tion system management． Key WordsMultistage fan stations ventilation system， Network solution， Software development 由于矿井通风网络结构复杂， 通风网络解算由 人工完成已经近乎不可能。随着计算机技术的不断 发展， 致力于利用计算机进行通风网络解算的算法 得到了不断的发展和完善， 这些算法为风网解算程 序的编制提供了理论和技术上支持， 笔者在查阅相 关文献基础上， 采用 Java 语言在 NetBeans 6． 5 集成 开发平台上， 以面向对象的开发方式开发了支持不 同数据库的多级机站通风网络解算系统。 1风网解算数学模型的构建 通风网络解算方法有很多， 目前国内外的方法 主要有斯考德 －恒斯雷法 Scott － Hinslye 、 牛顿 － 拉夫森法 Newton － Raphson 、 平均风量逼近法等， 这些方法大致可归纳为回路风量法和节点风压法 2 大类 ［1 ］， 每一种算法都各具特点， 其中斯考德 － 恒 斯雷法具有求解速度快、 容易掌握的特点， 并且利用 该方法得到的解算结果的误差也能够控制在合理的 范围之内 ［2， 3 ］， 更为重要的是该算法比较容易利用 计算机实现， 因此本文将采用斯考德 － 恒斯雷法作 为网络解算的核心算法。 1． 1斯考德 －恒斯雷算法模型 1． 1． 1算法模型 斯考德 － 恒斯雷近似计算法， 实质上是利用方 程中一个近似值为已知时， 用泰勒级数展开求风量 校正值， 然后逐步逼近求出真实值。数学模型如下 ΔQ i －  n i 1 RiQi Qi － Pi 2 n i 1 RiQi －  n i 1αi 1 式中 Ri 第 i 分支的风阻， Ns2/m8; Qi 第 i 分支的风量， m3/s; pi 第 i 分支通风能量的代数和， Pi Hf Hn Hz， 其中Hf为风机工作风压， Hn为 自然风压， Hz为火风压; αi 第 i 分支扇风机的斜率; n 回路个数。 预先给定一个精度， 一般取 ε 0． 5 ～ 0． 00001 m3/s， 当迭代求出的独立回路风量校正值满足给定 条件 max ΔQ {} i ε ， 则可停止计算， 第 k 1 次近似 风量值就是自然分配的风量。 1． 1． 2自然风压 ISSN 1005 －2763 CN 43 －1215/TD 矿业研究与开发 第 30 卷 第 6 期 MININGR ＆ D，Vol． 30， No． 6 2010 年 12 月 Dec． 2010 *收稿日期 2009 －09 －14 基金项目 北京市教育委员会共建项目建设计划资助项目 XK10008043 ． 作者简介 刘杨威 1984 － ， 男， 河南驻马店人， 硕士， 主要从事矿井通风安全的研究， Email lyw717 yahoo． cn。 斯考德 － 恒斯雷算法当中涉及到自然风压和火 风压。所谓自然风压是指由于风流流过井巷时与岩 石发生了热量交换， 进、 回风井里的气温出现差异， 回风井里的空气密度比进风井里的空气密度小， 因 而 2 个井筒底部的空气压力不相等， 其压差就是自 然风压。自然风压通常随着季节变化而变化， 春秋 弱冬夏强， 其方向时而对矿井通风有利时而有害。 尤其对于山区平硐开拓的矿井以及较深的矿井， 自 然风压的作用与影响都较大。因而在网络解算中不 能忽视自然风压， 尤其当其阻碍风机做功时， 必须将 其以能量的形式考虑在回路迭代和风机选型中。 对于大多数的金属、 非金属矿山， 井深一般都超 过 100 m， 井内空气柱状态变化可视为等温过程， 自 然风压可用以下公式计算［4 ］ Hn 0． 0341KP0Z 1 T1 － 1 T 2 2 式中Hn 进、 回风井底气压差， 即自然风压， Pa; Z 由井口到井底最深处的深度， m; K 修正系数， K 1 Z 10000 ; T1 进风井平均温度， K; T2 回风井平均温度， K。 1． 1． 3火风压 当大爆破后或者井下发生火灾时， 会产生大量 温度较高的烟气， 这种高温烟气改变了局部空气的 温度和密度， 并产生与自然风压相仿的局部火风压。 火风压是扰乱正常通风系统的主要原因， 它可使矿 井局部的或全矿的风流状况发生变化， 破坏矿井原 来的正常通风系统。甚至使矿井主要通风机出现不 稳定运转甚至出现负风量从而烧毁电动机［5 ］。因 此， 在通风网络解算时，需适当的考虑火风压的 存在。 目前火风压的计算模型非常多［6 ］， 都有各自不 同的适用范围， 如果仅仅利用其中某个公式去考虑 火风压的大小无疑会影响软件的适用范围， 因此， 本 研究将火风压设置为可由用户输入的参数。 1． 2斯考德 －恒斯雷算法的不足及改进方法 斯考德 － 恒斯雷算法是基于对矿井通风网络建 立起来的非线性方程组进行逐次线性化求解的。是 在当时的历史条件下， 为了适应手算， 对方程的泰勒 展开式进行了不严格的忽略， 这样随之而来的问题 是 ［7 ］ 1算法对独立回路的要求非常高。独立回路 选择的好坏将直接影响算法的收敛性。算法要求各 独立回路之间公共分支越少越好， 而且每一个独立 回路中， 余树的阻力应尽量大于该回路其它各分支 阻力值的代数和。这对于复杂通风网络来说， 建立 这样的独立回路是较为困难的; 2由式 1 可以看出， 斯考德 － 恒斯雷算法 把整个有机联系的通风网络和独立回路割裂为若干 个孤立的回路， 各自计算风量的修正值， 反映在数学 上， 即将有机联系的独立回路风压平衡方程组变为 每一个方程仅含一个变元的、 互不相关的方程组 求解。 上述原因导致斯考德 － 恒斯雷算法计算的收敛 速度慢， 甚至还会出现不收敛的情况。因此在使用 该算法解算复杂矿井通风网络时， 为了尽可能取得 良好的效果， 对斯考德 － 恒斯雷算法做如下处 理 ［7 ］ 1在选择独立回路时， 在程序中将风阻值和 迭代若干次 一般为 5 ～8 次 所得风量的乘积作为 独立回路圈划的权重， 再返回重选回路， 这样可以大 大加快收敛速度; 2每一个独立回路分支风量修正完后， 将修 正后的风量代入下一个独立回路参与迭代， 这样不 仅使得收敛速度增加， 而且也使各个回路有机的联 系在一起， 比较符合现实情况; 3斯考德 － 恒斯雷算法对风量初值要求比较 高， 一般应先大概估算矿井总风量， 然后按照通风系 统中风量流动的基本定律去计算各个分支的风量。 1． 3斯考德 －恒斯雷算法的基本思路 应用斯考德 － 恒斯雷算法解算通风网络时的基 本思路如下 1绘制并简化通风网络图; 2赋风量初值， 并初步判断风流方向; 3生成独立回路矩阵; 4应用第 3 步生成的独立回路矩阵进行独立 回路风量修正值的计算， 计算出 ΔQi后， 应对相应回 路中各分支的风量进行校正， 即 qk1 i qk i ΔQi 3 并用此校正后的值应作为下一个回路迭代时的初 始值; 5检查计算精度。当满足 max ΔQ {} i ε 时， 停止迭代; 6计算各分支的风阻以及风机工作的工 05 矿 业 研 究 与 开 发2010， 30 6 况点。 需要注意的是， 在应用斯考德 － 恒斯雷法进行 网络解算时， 需要对扇风机联合作业的特性曲线进 行处理， 处理方法将在下一节阐述。 2扇风机联合作业运转特性分析 2． 1扇风机联合作业时的曲线方程 扇风机的个体特性曲线可用最小二乘法进行拟 合， 在此基础上， 根据风机联合作业的特点， 可得到 扇风机联合作业的特性曲线。风机并联工作时， H － Q曲线方程的数学表达式为 H  G i 0 aiQi ni 4 风机串联工作时， H － Q 曲线方程的数学表达 式为 H nfh Q 5 上述两式中的 n 均指风机台数。式 4 中 G 指 风压特性曲线的阶数。由于风压特性曲线不同的扇 风机联合作业时的工作稳定性较差， 甚至有可能出 现达不到联合作业的目的， 因而本文只对风压特性 曲线相同的扇风机联合作业情况进行处理。 2． 2扇风机联合作业时工况点的确定 2． 2． 1风压特性曲线相同的风机串联作业 风机串联作业的特点是各风机的风量相等， 风 机风压之和等于网路总阻力。根据风机变位和风机 合成的概念， 可先求等值“单机” 的联合工况点， 此 工况点可通过解以下方程组得到 H RQ2 H n a0 a1Q a2Q2 { 6 根据风机串联作业的特点， 将解出的 Q 代入单 台风机的风压 － 风量个体特性曲线方程， 即可求得 单台风机的实际运转工况。 2． 2． 2风压特性曲线相同的风机并联作业 扇风机并联作业的特点是通过网路的总风量等 于每台扇风机的工作风量之和， 工作风压与每台扇 风机的工作风压相同。因此， 可建立如下方程组求 解等值 “单机” 联合工况点 H RQ2 H a0 a1Q a2Q2 { n 7 根据风机并联作业的特点， 将解出的 H 代入单 台风机的个体特性曲线方程， 通过求解二次方程的 根可得到单台风机实际运转工况。 3系统的总体设计及开发 3． 1系统结构及界面设计 系统结构如图 1 所示。 图 1系统结构 系统的界面是否友好直接关系到系统的可接受 程度。本着便于操作的原则， 本系统采用菜单驱动 式界面， 5 大核心模块均提供菜单入口。 3． 2系统的独立模块 本系统主要包括 5 个独立模块， 分别是数据库 管理、 风机优选、 风机曲线拟合、 风网解算以及回路 圈划， 基本涵盖多级机站通风网络解算过程中所需 要的功能。以下仅选取具有代表性的数据库管理模 块和风网解算模块进行介绍。 3． 2． 1数据库管理模块 本系统选用 sqlserver2000 作为后台数据库管理 系统， 开发过程中引入了适合 sqlserver 的 JDBC 驱 动程序， 因 JDK1． 6 本身自带了 JDBC － ODBC 的驱 动， 因此该软件也可使用 access 作为后台的数据库 管理系统， 大大降低了该软件对软件环境的依赖。 数据库管理包括风机参数信息的管理、 风机个 体特性曲线的管理以及通风网络图的管理。主要完 成对风机信息以及通风网络图的增加、 修改、 删除、 保存以及导出等工作。在前台界面的实现上， 主要 采用 Swing 控件中的 JTable 控件。JTable 采用了 MVC Model － View － Controller， 模型 － 视图 － 控制 器 模式， 在这种模式下， 使用 JTable 类创建的仅是 数据的视图而没有包含真正的数据， 其数据由其模 型管理。例如风机参数信息的管理模块中， 管理数 据的模型是由 Vector 类产生的 Vector 对象。通过 对 vector 对象的操作， 可以实现 JTable 表格中数据 15 刘杨威， 等 多级机站通风网络解算系统的研究及开发 的更新。 该模块的逻辑流程比较简单， 首先接收用户指 令， 然后根据用户的不同指令在后台调用数据库信 息， 最后通过数据模型的改变反馈至前台用户界面， 其逻辑流程如图 2 所示， 图中的箭头代表信息流的 方向， 其中实线代表数据读取， 虚线代表数据的反 馈， 主要包括数据的修改、 保存、 删除、 导出等命令。 图 2数据库管理模块的逻辑流程 3． 2． 2风网解算模块 多级机站的通风网络解算是本系统要解决的核 心问题， 因此解算模块便成为本系统所要设计的核 心模块。该模块所要考虑的变量很多， 如风机的风 压、 风机特性曲线的斜率、 自然风压的大小、 每次迭 代产生的修正量等等， 其中有些变量是要求用户输 入的， 比如风机的型号及安装位置、 火风压大小， 有 些变量是算法在执行过程中生成的， 如风机风压、 斜 率。需要由用户提供的数据在用户界面上由用户输 入， 而解算反馈的数据则由系统生成并呈现在用户 界面。考虑到算法的需要， 该模块需要提供风机型 号、 安装位置等参数的输入， 自然风压和火风压的输 入， 原始解算表的选择以及解算精度的输入等功能， 对这些数据处理之后最终得到风网解算的最终结 果。该模块的功能结构如图 3 所示。 4结语 本文对多级机站通风网络解算系统的数学模型 及开发流程做了介绍， 所开发的网络解算系统主要 特色如下 1Java 面向对象的开发特质允许对象的粒度 尽可能小， 然后通过组合的手段创建出复杂的系统。 本系统正是建立在对象模型的基础上， 当功能的实 现发生变化时， 只需要修改个别类的功能的实现方 图 3解算模块的功能结构 式， 不会影响对象模型， 从而在一定程度上提高了系 统的可扩展性和稳定性; 2软件所提供的网络解算、 固定分支风量调 节计算以及风机运行参数的计算等功能基本满足考 察现有矿井通风系统现状的需要， 为矿井通风系统 改造提供了工具上的支持; 3软件所提供的风机选型、 回路圈划以及曲 线拟合等功能， 拓宽了该软件的适用范围， 可为矿井 通风工作的不同方面提供便利的工具; 4在风机数据的管理方面， 软件提供了一系 列的方法， 可以方便的实现对风机参数以及个体特 性曲线等信息的扩充、 更新等操作， 同时该软件支持 sqlserver2000 以及 access 的数据库管理系统， 在一 定程度上方便了用户对风机信息的管理。 参考文献 ［ 1］ 胡兴涛． 基于 C/S 模式的矿井风网解算可视化系统研究［ D］ ． 阜新 辽宁工程技术大学， 2006， 4． ［ 2］ 杜翠凤， 张昊， 田文明． 矿井通风网络解算可视化软件研究 ［J］ ． 中国安全生产科学技术， 2007， 4 51 ～54． ［ 3］ 王英敏． 矿井通风与除尘［M］． 北京 冶金工业出版社， 1993． ［ 4］ 冯拥军， 李桦． 矿井火灾时期火风压对矿井主要通风机的影 响［ J］ ． 中州煤炭， 2004， 4 57 ～58． ［ 5］ 王省身， 陈全． 几种火风压算式的分析比较［J］． 火灾科学， 1996， 5 1 14 ～19． ［ 6］ 李恕和， 王义章． 矿井通风网络图论［ M］． 北京 煤炭工业出版 社， 1984． ［ 7］ 张惠枕． 计算机在矿井通风网络中的应用［M］ ． 北京 中国矿 业大学出版社， 櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥 櫥櫥櫥櫥櫥 櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥 櫥櫥櫥櫥櫥 毣 毣 毣 毣 1992． 湖南锡田探获钨锡资源量 32 万吨 据国土资源部消息， 2002 年以来， 位于湖南省株洲市茶陵县东部的锡田地区累计探获钨锡资源量达 32 万吨， 相当于 8 个钨锡大型矿床规模， 预测远景资源量达 70 万吨， 潜在经济价值超 300 亿元。锡田矿区开发后， 有望在南岭地区形成 一个新的具有较大规模的国家级钨锡资源基地。 中国矿山网 25 矿 业 研 究 与 开 发2010， 30 6