CN103883343B - 基于动叶可调的煤矿主通风机不停风倒机方法 - Google Patents

Abstract

一种基于动叶可调的煤矿主通风机不停风倒机方法，属于煤矿主通风机与备用通风机的切换方法。该方法：在正常倒机过程中，始终维持两台风机运行，以保证通风动力的持续提供；通过并联分风，使倒机过程，风量平稳，实现不停风倒机；当正常运行风机发生故障时，通过振动传感器，风量负压传感器，温度传感器和电机电参数传感器给出综合判断，对故障风机视异常程度依次预警、置故障标志、直至启动故障模式不停风倒机。优点：1）利用风机已具备的动叶可调能力来实现不停风倒机。2）在整个倒机过程中通过调节风叶角度与调节风门开度相互结合来调节风量。3）减少了可能发生的如卡涩、风门开关不到位故障点，同时倒机速度加快，倒机时间缩短。

Description

基于动叶可调的煤矿主通风机不停风倒机方法

技术领域

本发明涉及一种煤矿主通风机与备用通风机的切换方法，特别是一种基于动叶可调的煤矿主通风机不停风倒机方法。

背景技术

目前，煤矿主通风机为矿井通风提供主通风动力源、其连续可靠运行是维持煤矿可靠通风、降低井下瓦斯等有害气体含量的关键。煤矿风井一般配置两台风机，一用一备，然而传统的煤矿安全规程所规定的停机倒机方法基于对通风设施安全考虑，需要先停运行风机、然后切换风门，最后启动备用风机，造成矿井在倒机期间的通风动力中断，且停风时间相对较长，易导致高瓦斯、煤与瓦斯突出矿井出现瓦斯超限事故，威胁煤矿通风安全。按照煤矿安全规程规定，现有的煤矿主通风机采用传统的停机倒机方案，其不足是倒机期间通风中断、且存在倒机失败的风险；对于高瓦斯和煤与瓦斯突出矿井，在倒机过程中容易造成瓦斯超限事故。

现有技术，一种不停风倒机方法，通过设置对空副风门，使备用风机提前启动进入热备用，然后通过四个风门联动，逐渐使原备用风机投入工作风路，而原运行风机逐渐从工作风路中切换出来，在整个过程中，通风动力不间断，在两台风机并联工作期间，通过风门的配合，使其平稳过渡。

从叶片角度是否具备在线可调能力来说，煤矿主通风机分为两大类：不具备动叶调节能力的风机和动叶可调风机，上述不停风倒机方法可以适应于两种风机，尤其是不具备动叶调节能力的风机，而对于具备动叶可调风机，与本发明提供的方法相比，其存在的不足是：（1）需要对于原有的风道改造，设立对空副风门，一方面增加设备投资，另一方面将破坏原来风道的结构造成风道的强度降低；（2）由于土建工程施工量较大，在至少一周的土建改造过程中，主通风机将处于无备用风机前提下的单机运行，通风安全可靠性降低；（3）由于使用对空副风门，在倒机控制过程中增加了对其检测和控制环节，意味着由此引入了新的故障点，在中国北部矿井，当遇到恶劣天气时会存在对空副风门结冻、卡涩的情况；（4）经过长时间使用后，对空副风门漏风率会增高，影响通风效率，耗电量增加，经济性降低。

发明内容

本发明的目的是要提供一种：基于动叶可调的煤矿主通风机不停风倒机方法，解决风机倒机期间停风的问题；同时，利用其动叶可调和零角度启动的能力，省去对空副风门，由此解决打开和关闭副风门时易发生的卡涩、开关不到位所引发的问题。

本发明的目的是这样实现的：该不停风倒机方法：即运行风机向备用风机的不停风倒机的方法，在正常倒机过程中，始终维持两台风机运行，以保证通风动力的持续提供；通过并联分风，使倒机过程，风量平稳，实现不停风倒机；当正常运行风机发生故障时，通过振动传感器，风量负压传感器，温度传感器和电机电参数传感器给出综合判断，对故障风机视异常程度依次预警、置故障标志、直至启动故障模式不停风倒机；具体倒机过程如下：

1、过渡阶段：运行风机正常运转的前提下，备用风机在风叶零角度的状态下启动，备用风机由冷备用向可靠热备用过渡，达到额定转速；

2、并联切换阶段：运行风机和备用风机分别通过运行风机立风门和备用风机立风门并联运行，经公共风道从井下抽风；此时，逐步开启备用风机立风门，并增大备用风机风叶角度，使其从系统抽风量增加；同时逐步关闭原运行风机立风门，并逐渐减小原运行风机风叶角度，使其从系统抽风量逐渐减少；通过对风机的风叶角度和立风门开度的协同控制，保证通风机倒机过程中公共风道的断面风量平稳；

3、原运行风机反向备用阶段；延时1分钟，检测确认备用风机已可靠投入，令原运行风机停止，否则，进行反向切换，维持原风机运行；原运行风机在倒机过程中始终保持正常运转，当备用风机投入过程中出现异常故障时，随时可以中止倒机进程，反向切换风门、调整风叶角度，恢复原风机的运行，而不影响煤矿通风；

所述的风机为叶片角度在线可调通风机，风门使用模拟调节风门，在风机并联运行期间，自动控两台风机的风叶和风门四个对象的参数最优配合，通过监测风机的风量和负压、以及振动综合判断风机的工况是否落入不稳定区，在通风设施安全的前提下实现不停风倒机。

有益效果，由于采用了上述了技术方案，风机风叶在线可调，而当风叶角度处于零位时为空载启动，不会出现风机喘振和电机堵转的问题，可以实现备用风机由冷备用转为倒机前热备用。倒机前,在立式主风门关闭的情况下备用风机风叶在零角度情况下空载启动，不会发生电机堵转的情况，这样可以防止备用风机在停运一段时间后冷备用失效，实现倒机前自检，防止由于传统方式下由于备用风机无法启动造成倒机失败。针对一类具有动叶可调能力的风机，本发明将充分利用其叶片角度可自由调节的优点，在不改变风道结构、不额外增加投资，并使用可编程控制器实现自动控制，达到提高倒机成功率、保证倒机过程中通风设备安全和通风稳定的目标，提升煤矿通风安全水平。

倒机流程区别于传统的停机倒机，倒机过程中原运行风机不停机，备用风机零角度启动达到额定转速，备用风机转为倒机前可靠地热备用；倒机过程中，基于并联分风理论，通过风机风叶角度和风门开度的控制，对运行风机和备用风机的风叶角度和风门开度的协同控制，实现了主通风巷道风量平稳过渡；基于对风机驼峰形特性曲线及通过风机风叶角度和风门开度的控制时工况点迁移规律的研究，得到倒机过程中对风机风叶角度和风门开度的控制的边界条件，使两台风机的工况点始终处于稳定工作区，保证了通风设施的本质安全，同时实现主通风巷道风量平稳过渡；始终维持原运行风机的反向备用，当备用风机出现异常，随时可以中止倒机进程，恢复原风机的运行；运行风机故障的情况下，通过设置故障标志位对倒机流程合理裁剪，保证在故障倒机时，倒机速度加快，系统不停风。通过振动传感器、温度传感器、负压传感器，喘振测量装置和电参数传感器给出综合判断、置风机运行故障标志位，视异常程度依次预警，直至启动故障模式下的不停风倒机；通过设置故障标志位，倒机流程还可以裁剪为运行风机故障时应急启动方法。当运行风机故障时，通过振动传感器、温度传感器、负压传感器，喘振测量装置和电参数传感器给出综合判断，视异常程度依次预警、跳原运行风机同时置故障标志位，弱化判断条件直接启动故障模式下的不停风倒机。达到了本发明的目的。

优点：基于改变风机性能曲线的有改变风叶角度、改变转速两种调节方式，这两种调节方式都是节能的调节方式；而基于风门的调节方式，是一种通过风阻来改变工况点的调节方式，尤其是加大风阻获得风量降低的过程是非常耗能的，同时也是相对危险的，容易使工况点落入喘振区。本发明在风机热备用阶段，风机叶片零角度启动，风机负荷为零，电机出力非常少；在风机并联切换切断，与原有的单一调节风门来调风技术方案相比，基于风门和风叶角度联合调节，使备用风机稳步投入，运行风机平稳退出，整个过程中，两台风机的工况点迁移合理，抽风均来自井下，没有对空风量的浪费和额外的出力；可见，本发明的不停风倒机方法节能效果优于现有技术。

1）利用风机已具备的动叶可调能力来实现不停风倒机。通过风机零角度启动实现倒机前热备用，取代了为了防止风机堵转只有通过设置旁路风门才能实现倒机前热备用的现状，节省了两个对空副风门及其执行机构的这一部分不必要的设备投资，同时也消除了现场土建施工所带来的安全隐患。

2）在整个倒机过程中通过调节风叶角度与调节风门开度相互结合来调节风量，取代了原有的在风叶角度固定的前提下单纯依赖风门的调节方法，倒机过程中系统没有对空抽风因而没有额外出力。此外，在风机正常运行过程中，旁路风门即使是少量的漏风，都将影响通风的效率，因而倒机过程更节能。

3）与现有的基于风门联动的倒机过程相比，减少了对于对空副风门开度的检测和输出控制的环节，减少了可能发生的如卡涩、风门开关不到位故障点，同时倒机速度加快，倒机时间缩短。

附图说明

图1为本发明的煤矿风井通风设施结构图。

图2为本发明的基于动叶可调的不停风倒机流程图。

图3为本发明的动叶可调轴流式通风机的性能曲线及工况点调节迁移规律图。

图4为本发明第一实施例的控制系统拓扑结构及硬件组成图。

图5为本发明第二实施例的控制系统拓扑结构及硬件组成图。

图6为本发明第三实施例的控制系统拓扑结构及硬件组成图。

图中，1、运行风机；2、备用风机；3、运行风机风叶；4、备用风机风叶；5、运行风机立风门；6、备用风机立风门；7、公共风道；8、井下；9、运行电机；10、备用电机；11、运行风机风量负压测量装置；12、备用风机风量负压测量装置。

具体实施方式

下面结合附图对本发明专利的自动控制系统实现作进一步说明：

实施例1：该不停风倒机方法：即运行风机向备用风机的不停风倒机的方法，在正常倒机过程中，始终维持两台风机运行，以保证通风动力的持续提供；通过并联分风，使倒机过程，风量平稳，实现不停风倒机；当正常运行风机发生故障时，通过振动传感器，风量负压传感器，温度传感器和电机电参数传感器给出综合判断，对故障风机视异常程度依次预警、置故障标志、直至启动故障模式不停风倒机；

1、过渡阶段：运行风机1正常运转的前提下，备用风机2在备用风机风叶4零角度的状态下启动，备用风机2由冷备用向可靠热备用过渡，达到额定转速；

2、并联切换阶段：运行风机1和备用风机2分别通过运行风机立风门5和备用风机立风门6并联运行，经公共风道7从井下8抽风；此时，逐步开启备用风机立风门6，并增大备用风机风叶4角度，使其从系统抽风量增加；同时逐步关闭原运行风机立风门5，并逐渐减小原运行风机风叶3角度，使其从系统抽风量逐渐减少；通过对风机的风叶角度和立风门开度的协同控制，保证通风机倒机过程中公共风道7的断面风量平稳；

3、原运行风机反向备用阶段；延时1分钟，检测确认备用风机2已可靠投入，令原运行风机1停止，否则，进行反向切换，维持原风机1运行；原运行风机1在倒机过程中始终保持正常运转，当备用风机2投入过程中出现异常故障时，随时可以中止倒机进程，反向切换风门、调整风叶角度，恢复原风机的运行，而不影响煤矿通风；

所述的风机为叶片角度在线可调通风机，风门使用模拟调节风门，在风机并联运行期间，自动控两台风机的风叶和风门四个对象的参数达到最优配合，通过监测风机的风量和负压、以及振动综合判断风机的工况是否落入不稳定区，在通风设施安全的前提下实现不停风倒机。

实现本发明方法的装置包括：运行风机1、备用风机2、运行风机风叶3、备用风机风叶4、运行风机立风门5、备用风机立风门6、公共风道7、井下8、运行电机9、备用电机10、运行风机风量负压测量装置11和备用风机风量负压测量装置12；从风流正常进入方向，公共风道7与井下8相通，从风流排出方向，公共风道7又分出二个风道，在二个风道中均有风机和立风门，所述的风机有运行风机1和备用风机2，在运行风机1和备用风机2上对应连接有运行风机风叶3和备用风机风叶4，所述的运行风机风叶3和备用风机风叶4均为角度可调风叶；所述的立风门有运行风机立风门5和备用风机立风门6，在运行风机风叶3和运行风机立风门5之间的风道上连接有运行风机风量负压测量装置11，在备用风机风叶4和备用风机立风门6之间的风道上连接有备用风机风量负压测量装置12。

实现本发明方法的装置包括：装置的核心部分采用一套三节琴键式操作台结构或者一台低压控制柜和一个电脑操作台的组合形式，装置的外围部分包括传感器和控制执行机构，安装在风机及其附属设施的相应位置；其中，三节琴键式操作台置于集控室内，其盘面布局依次为电脑显示屏盘面、风机及高压柜指示和控制按钮盘面、温度及风门的指示和控制按钮盘面，操作台柜体内后侧配安装板，其上为电源及防雷模块、PLC模块、继电器及柜内布线；对于低压控制柜模式，其正面上部是风机、风门和高压柜指示和控制面板，指示按钮居上布置，控制按钮偏下布置，便于用户操控；控制柜的下部内侧是安装板，其上为电源及防雷模块、PLC模块、继电器和配线等；控制柜的下部外侧为是平开门，透过玻璃开孔可以直观的观察PLC的运行和通信状况。

系统信号传输基于工业以太网，一方面方便远程监控，另一方面可以与全矿综合自动化平台实现无缝连接。

本发明通过图4的所示分布式系统硬件拓扑结构实现。不停风倒机控制系统主要由信号采集单元、输出执行单元、下位机PLC控制单元、上位工控机人机管理单元和通信网络单元组成；信号监测单元将通风机运行的电气、机械和性能参数及附属设施状态通过输入模块实时地传给PLC的CPU模块，在PLC控制单元一方面完成设备状态的安全评估、故障报警和控制输出，并传给控制开关或者调节执行机构；另一方面，设备状态通过工业以太网传给上位机实时显示，并接受上位机的定期倒机控制和风叶角度调节命令控制。在不停风倒机的实现方面，监控系统采用双PLC冗余控制。其中：软冗余在满足现场需求的基础上性价比高；硬冗余实现了从信号检测、信号输入、信号处理和输出控制的全部冗余，可靠性高。信号传输基于工业以太网，一方面方便远程控制，另一方面可以与全矿综合自动化平台实现无缝连接。

所述的信号检测单元包括振动传感器、温度传感器、风量负压传感器、风机叶片角度传感器和风门开度传感器等全面反映通风机及附属设施的工作状态，瓦斯浓度传感器实时测量井下有害气体的特征参数，为需风量调节提供决策依据。

所述的输出执行单元实现对风机叶片角度执行器、风门开度执行器的控制，以及电机启停等开关量的控制；

所述的下位机控制单元由适应于在恶劣的现场环境使用的可编程逻辑控制器PLC组成，包括CPU模块、通信模块、输入输出模块及功能模块组成；对信号检测单元传来的信号给出综合判断，视异常程度依次预警、直至启动故障模式不停风倒机；

所述的上位工控机人机管理界面单元由工控机和显示器组成，主要完成人机交互，并实现通风数据管理功能。

所述的通信网络单元由交换机、通信模块、网线和光缆组成，使用工业以太网作为现场总线，方便监控数据的远程数字化传输和与矿井自动化平台的无缝连接。

实施例2：所述的装置的核心部件为一套四节琴键式操作台，外围的传感器和控制执行机构安装在风机及其附属设施的相应位置；其中，琴键式操作台置于集控室内，其四个盘面布局依次为电脑显示屏盘面、风机及高压柜指示和控制按钮盘面、温度及风门的指示和控制按钮盘面和另一台热备电脑显示屏盘面；操作台内后配置安装板，其上布置电源及防雷模块、一用一备软冗余PLC及其远程I/O模块、隔离继电器和布线，每节柜体内两侧为与外部传感器和执行机构连接的端子排。

图5所示分布式系统硬件拓扑结构。不停风倒机控制系统由信号检测单元、输出执行单元、下位机PLC控制单元、上位工控机人机管理界面单元和通信网络单元组成；信号监测单元将通风机运行的电气、机械和性能参数及附属设施状态通过输入模块实时地传给PLC的CPU模块，在CPU模块控制单元一方面完成设备状态的安全评估、故障诊断报警和控制决策，通过输出模块传给控制开关或者调节执行机构；另一方面，设备状态通过工业以太网传给上位机显示并接受上位机的控制。

为了提高系统的可靠性，防止上位机或下位机故障造成系统瘫痪，系统采用双PLC热备软冗余和双工控机热备冗余结构，上位机和下位机均可以实现当一台设备故障，另外一台随时投入，切换时间为秒级。

其它与实施例1同。

实施例3：该装置核心部分为一套三节控制柜和一个定制的可以放置两台工控机及显示器的电脑操作台，外围传感器和控制执行机构安装在风机及其附属设施的相应位置；其中，电脑操作台置于集控室内，控制柜置于低压配电室内，两者通过以太网通信，控制柜的3个盘面布局依次为1号主控屏、就地显示触摸屏、2号备用主控屏；控制屏上布置风机、风门和高压柜指示灯和控制按钮，指示按钮居上布置，控制按钮偏下布置，便于用户操控，就地显示触摸屏可以实现设备运行状态的实时查看和实施现场集中控制；柜体的下部内侧配安装板，其上布置电源及防雷模块、用于实现硬冗余的西门子400系列或者是施耐德昆腾系列PLC模块、隔离继电器及外围布线等，柜体下部外侧均采用平开门，通过玻璃开孔可以直观的观察PLC的运行和通信状况，柜体内两侧为端子排，方便与外部传感器和执行机构连接。

图6所示的不停风倒机控制系统由信号检测单元、下位机PLC控制单元、上位工控机人机管理界面单元、输出执行单元组成，其中，从信号采集、处理、显示到输出控制都是双套的；信号监测单元将通风机运行的电气、机械和性能参数及附属设施状态通过输入模块实时地传给PLC的CPU模块，在CPU模块控制单元一方面完成设备状态的安全评估、故障诊断报警和控制决策，通过输出模块传给控制开关或者调节执行机构；另一方面，设备状态通过工业以太网传给上位机显示并接受上位机的控制。

为了提高系统的可靠性，防止上位机或下位机故障造成系统瘫痪，系统采用双PLC热备硬冗余和双上位机热备冗余结构，一旦其中一台设备故障，另外一台可以随时投入。PLC冗余通过硬件实现（称为应冗余），相对于软冗余，由于主备PLC通过光纤链路同步，切换不需要软件判断，因而，切换速度更快（时间为毫秒级），且可靠性更高；此外，由于A、B站的I/O模块各自独立，通过配置两套同质的传感器（编号A和B），实现了两个通道独立进行信号采集，硬冗余实现了信号采集到信号处理和输出控制的全部冗余；输出的控制信号通过并联与执行机构相连，可以保证得到控制权的PLC能无扰动的对外输出控制。

其它与实施例1同。

Claims (1)

1.一种基于动叶可调的煤矿主通风机不停风倒机方法，其特征是：该不停风倒机方法：在正常倒机过程中，始终维持两台风机运行，以保证通风动力的持续提供；通过并联分风，使倒机过程风量平稳，实现不停风倒机；当正常运行风机发生故障时，通过振动传感器、风量负压传感器、温度传感器和电机电参数传感器给出综合判断，对故障风机视异常程度依次预警、置故障标志、直至启动故障模式不停风倒机；具体倒机过程如下：

（1）、过渡阶段：运行风机正常运转的前提下，备用风机在风叶零角度的状态下启动，达到额定转速，备用风机由冷备用向可靠热备用过渡；

（2）、并联切换阶段：运行风机和备用风机分别通过运行风机立风门和备用风机立风门并联运行，经公共风道从井下抽风；此时，逐步开启备用风机立风门，并增大备用风机风叶角度，使其从系统抽风量增加；同时逐步关闭原运行风机立风门，并逐渐减小原运行风机风叶角度，使其从系统抽风量逐渐减少；通过对两台风机的风叶角度和立风门开度的协同控制，保证通风机倒机过程中公共风道的断面风量平稳；

（3）、原运行风机反向备用阶段；延时1分钟，检测确认备用风机已可靠投入，令原运行风机停止，否则，进行反向切换，维持原风机运行；原运行风机在倒机过程中始终保持正常运转，当备用风机投入过程中出现异常故障时，随时可以中止倒机进程，反向切换风门、调整风叶角度，恢复原风机的运行，而不影响煤矿通风；

所述的风机为叶片角度在线可调通风机，风门使用模拟调节风门，在风机并联运行期间，自动控制两台风机的风叶和风门四个对象的参数最优配合，通过监测风机的风量和负压、以及振动综合判断风机的工况是否落入不稳定区，在通风设施安全的前提下实现不停风倒机。