分区解算实现风网的风量调节.pdf

第期蝶扩安全年月 娜政扭甲净,政担电孚叹罗殆岁政梦民卿叹扭异鱿 分 区 解算 卿弓么狱妙 嵘尺介只又笋祝分或介味弓万,愁泌尺矛政 实现风网的风量调节 中国矿业 大学北京研究生部 吴兵周心权 摘要本文针对矿井风量调节的实际要求 , 提出了分区解算获得局部最优调 节方案的一种方 法 , 从而将复杂的矿井风量优化调节非线性规划问题转化为线性规 划问题 , 并应用节点迭代计算绝对静压的方法 , 结合考虑了自然风压和通风阻力的作 用 , 使 能获得更精确的结果 。 关键词风量调节分区解算优化调解自然分风 煤矿安全规程规定 流人矿井的 风 流 必须经过使用后 , 才能排出地面 , 否则风流被 视为无效风量 , 应 尽量减少 。 对于流经井下巷 道及工作面的风流 , 按用风地点如采煤工作 面 、 掘进工作面 、 用风酮 室等分为新鲜风流 和乏风 。 当把井下工作面 、 铜 室等也视为巷道 时 , 可以把井下的所有巷道按 用风点分为进 风区 、 用风区和 回风区 。 对于用风巷道 , 一般 都有一定的风量要求 。 这一要求有时是一个 确定的数值 , 但大部分是某一范围 。 为实现井 下 的这 一用风要求 , 我们必须使用调节装置 来调整井下巷道的风阻以及矿井主要通风机 的工作状况 。 通常 , 在风流经过使用后 , 只要 它满足一些 必要的限制条件 如风速 、 瓦斯含 量等 , 就允许它 自由地流经回风区巷 道而排 出地面 。 对于进风区风流 的分布 , 往往也没有 特定的要求 。 因此 , 作为通 风工程师 , 首要 的 任务是通过调节设施控制风流的流动来满足 用风地点的需要 , 其次是保证通风 系统 的稳 定可靠并进行合理的优化以提高矿井 的经济 效益 。 分区解算的概念及意义 由上述分析可以着 到 , 通风调节的 目的 是满足矿井用风巷道 的风量需求 。 假设风 流 全部都是经过使用才排 出地面即漏风等也 以固定风量 的形式给出 , 那么 , 用风区至少 可以形成一个割集 考虑有串联通风 的情况 将通风网络划分成两部分 , 即进 风区和回风 区 。 这两 个区域的风流都是自由分配的 , 因 此可归纳为 自然分风区 。 每个 自然分风区都构成一个 自然分风子 网络 。 对于一个 自然分风的子网络 , 每个节点 至少 有两个分支与它相 连 , 否则此节点和此 独立分支不是 自然分风子 网络 中的点及分 支 。 如下 图 勺 归 、 一 白然分风子网络的构成图 图中 , 图为自然分风子 网络 , 图不是 第期 碟扩 安全年月 自然分风子网络 , 因为分支的风量将同外 界 的固定风量分支相 连接 , 其风量是不能任 意分配的 。 去掉分支的网络为自然分风子 网络 。 而固定分风区则没有这样的限制 , 它只 是固定风量分支构成的子 图 , 并不形成网络 。 当流过某一自然分风子网络的总风量一 定且固定风量分支与子网络的连接关系一定 时 , 此子网络内的风流分布固定不变 。 基于这 一原理 , 可以首先对自然分风子 网络进行风 量分布的计算 , 得出各分支的风量数值 , 这样 就得到了整个风网的风量分布 。 如果调节设 施仅限制在固定风量分支上 , 那么风量分配 的优化调节问题就由非线性规划问题转化为 线性规划 问题 , 大大简化了计算方法 , 使分析 结果及 调整都变得简单易行 。 这种方法虽然 可以得到优化解 , 但只是局部的最优解 , 即调 节设施限制在固定风量分支上的最优解 。 其 它学者的研究表明 , 调节设施设置在 自然分 风分支上 , 可以得到更优的能耗结果 , 但必 须使用非线性解法 。 而解非线性问题 尚无一 个可普遍适应的方法 , 且矩阵运算要占用大 量的计算机内存 , 使可解算的风网分支数受 到较大限制 。 在矿井的实际通风工作中 , 往往 调节设施也是设置在需风巷道上或其附近 的 控风巷道上 , 这可以使对工作地点的供风易 于控制 、 简单明了 , 也正与上述风流调节的原 理相符合 。 因此 , 上述调节方法虽然不能得到 整个矿井的最优解 能耗 , 但在实际工作中 有着广泛 的应 用前景和实践意义 。 分区的原理 首先对这一点进行检查 , 若不符合要求 , 则必 须检查流人 、 流出固定风量分支的风量 。 对于 由大气流入的第一 自然分风区 , 不进行此 项 检查 对 流 出风井的 自然分风区也不 进行此 项检查 。 在满足风量平衡要求后 , 将 自然分风 子网络的风量源点与汇点用虚拟的分支连接 起来 , 虚拟分支的风量固定 。 对构成的这个虚 拟网络进行通风模拟解算 , 获得 风网 中的风 量分布 , 从而得到自然分风 子网络 中各分支 的风量值 。 对其它各所有 自然分风子网络进 行解算 , 则可得 到整个矿井 风网中所有 自然 分风分支的风量值 。 对于 固定分风区 , 不进行特别的处理 。 对 处于自然分风区中的单个固定风量 巷 道 , 因 其包含在 自然分风子 网络中 , 因此 , 在自然分 风子网络解算时 , 计算出调节量的大小 , 并作 为最终的调节设施调节量 。 划分自然分风区和 固定 风量区时 , 首先 要根据已经设定的 固定 风量分 支 丫, 一 推算所 有可能的风 量固定分支 丫于一 然后从任 意 一 条 自然分风 支开始 , 构成一个包含此分支的自然分风子 网络 。 对于这一自然分风子 网络 , 要求流入此 网络的风量应等于流出此网络的风量 。 因此 , 法进行增阻调节的实现 法关键路径 法要求找到从入 风 节点直到出风节点的所有可能 通路中相对静 压差最大的一条通路 , 然后以此通路为基准 增加其它通路上的阻力 , 使整个网络的风压 平衡 。 当不考虑 自然风压的影响时 , 这一点很 容易完成 , 因为各通路上 的静压差只是 通路 上分支阻力 的和 。 但自然风压对矿井通风的 影响是 十分可观的 , 对于经过 不 同水平或 同 水平不 同标高的风流通路 , 其影响难以忽略 。 因此 , 考虑 自然风压影 响下 的最大阻力路线 寻找 , 变得很困难 。 采用节点绝对静压迭代法 计算各点的绝 对静压 , 综合了通风阻力和自 然风压 的共同作用 , 使得法可以得到与 实际情况相符的精确结果 。 该方法的计算原 理如下 首先已知巷道始点的绝对静压 , , 巷道的风量 、 风阻 , , 以及始点和末 点的温度 、 标高 」和相 对湿度 ,。 若忽 略巷道始末点问的风 流动能变化量 , 则两 第期碟扩安全年月 点静压关系如下 一垃十 , 一 式 中 分析式的右边 , 已知 , 玩可计算得 到 , 根据点 的大气 参数计算 , 而 八 是 点的静压 、 温度和湿度的函数 。 因此 , 计算 八 必须有 , 而式正是为了计算 , 所以 只能采用 迭代方法计算 。 计算步骤是首 先假设等于 , , 由此可计算出 外 , 由得 到新的值 。 在新的基础上计算 , 再次 得到值 , 直到两次计算得到的值的差 小于时 , 可以认为此的值是 准 确 的 , 计算结束 。 从上述迭代计算的过程 中可以看到 , 所 获得的值综合了通风阻力和自然风压的 联合作用 , 因此是点精确的绝对静压值 。 迭代计算节 点绝对静压 的方法 , 是进行 法调节的基础 。 首先对整个矿井风网节 点重新排序 , 使每一分支的末点号大于其始 点号第二 , 计算与大气相连的第一自然分风 中各点的绝对静压 第三 , 计算与 自然分风区 相连的固定风量区中各点的绝对静压 。 在计 算过程中会出现两条或多条固定风量分支相 交于一点的情况 , 这时应取最小静压值为该 点的绝对静压 , 并标志其它分支 , 计算应降低 的压力值即增阻调节量 。 第四 , 计算所有固定 风量区节点的绝对静压值 , 若计算中遇到自 然分风区 , 需作下列处理以某一固定风 量分支与自然分风子 网的交点为基点 , 计算 此自然分风子网络中各点的绝对静压将 所有与此自然分风子网络相交的固定风量分 支节点绝对静压值同依基点计算的该点的绝 对静压值相比较 , 选 出差值最小的点作为新 的基点依新的基点校正此 自然分风子网 络 中各点的绝对静压 , 并标志其它与该子网 络相交的固定风量分支 , 计算调节量 。 经过这 三步 , 就获得了该自然分风子 网络的绝对静 压值和相应固定风量分支的调节量 。第五, 重 复进行三 、 四步计算 , 直到矿井出风节 点为 止 。 经过上述五步计算 , 由出风节点到人风 节点未经标志的风流通路就是矿井的最大阻 力路线 。 同时得到了前推法的调节方案 。 在前推法调节方案的基础 上 , 可以在固 定风量区移动调节设施的位置进行变换解 法 , 以获得更多的调节方案 。 并可根据最大阻 力路线 , 分析矿井采取降阻措施的方案和效 果 , 了解矿井通风阻力 的分布状况 。 对于全矿井风网风量分布已知 、 自然分 风区风阻已知 、 固定风量分支风 阻可变的这 一线性规划问题 , 还有许多其它的解法 , 这里 不再一一探讨 , 希望对此感兴趣的同志 , 进行 更深人的研究 。 计算机编程 目前 , 依据上述解 法的计算机程 序已经 由中国矿业大学北京研究生部开发完成 , 经 过多次实际矿井风网的运算 , 均获得了满意 的调节方案 。 由于上述方法依托于通风模拟 程序 , 不需要进行矩阵运算和大型二维数组 , 因此 , 可以解算大型 矿井的复杂风网 , 且运算 速度快 , 结果稳定 。 作者简介吴兵 , 男 , 年 月 生 , 讲师 , 年 月毕业于中国矿业大学 , 获安全技术与工程专业硕士学 位 , 现在该校北京研究生部采矿研究室任职 , 参加国家 “ 八 五 ”攻关项 目及其它科研课题研究 , 获中国矿大科技进步二 等奖及教学成果 奖等曾发表论文多篇 。