CN107620606A - 一种基于变频调速功能的煤矿主通风机不停风倒机方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于变频调速功能的煤矿主通风机不停风倒机方法，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。当运行风机发生故障时，通过高压变频器、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。本发明在整个倒机过程中通过调节风机转速与调节风门开度相互结合来调节风量；另外减少了倒机过程中可能发生的如备用风机启动故障、风门卡涩和开关不到位的故障点，同时倒机速度加快，倒机时间缩短。
Description
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，特别是针对已配备了高压变频器的具有调速功能的煤矿主通风机的不停风倒机方法。
背景技术
矿井通风将新鲜空气输入矿井下，冲淡井下有害气体和粉尘，保证安全生产；同时，可以调节井下气候，增加氧气浓度，满足人员对氧气的需要，创造良好的工作环境。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、然后再切换风门，最后启动备用风机；会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，容易导致高瓦斯、煤与瓦斯突出矿井发生瓦斯超限事故，威胁煤矿通风安全。
现有技术中具有一种基于风门联动的不停风倒机方法，通过增添对空副风门，使备用风机提前启动进入热备用，然后通过两台风机的四个风门联动，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，使公共风道的断面风量平稳。
从风机是否具备调速能力来说，煤矿主通风机分为两大类：定速运行风机和具有变频调速运行能力风机，上述基于风门联动的不停风倒机方法可以适应于两种风机，尤其是定速运行的风机；而对于具有变频调速运行能力的风机，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。
另外现有技术中进一步地提出一种针对具有动叶可调功能主通风机的不停风倒机方法，在运行风机的正常运转的前提下，使原备用风机的风叶角度在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；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风量平稳。该方法虽然也能解决上述基于风门联动的不停风倒机方法存在的问题，但是由于现有的通风机无论是定速运行风机还是具有变频调速运行能力风机，它们的叶片大都是固定式，因此为了达到动叶可调功能，必须要将风机的叶片进行更换使其具有动叶可调功能，由于动叶可调功能无法通过现场改造实现，而需要将整台风机返回生产厂家，重新配套动叶可调功能，这就大大增加了改造过程及改造时间，是煤矿通风安全所不允许的。因此该方法可用场合有限，存在较大局限性。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供一种基于变频调速功能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，利用高压变频器可以使风机从零到额定转速连续可调的能力，省去增加对空副风门，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，同时采用现有设备即可实现本发明的目的。
为了实现上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的：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；当运行风机发生故障时，通过高压变频器，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，而正常倒机过程与故障模式不停风倒机兼容。
本发明的具体倒机过程如下：(1)过渡阶段：运行风机正常运转的前提下，备用风机从静止开始低速启动，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，并增大备用风机转速，使其从系统抽风量增加；同时逐步关闭原运行风机立风门，并逐渐降低原运行风机转速，使其从系统抽风量逐渐减少；通过对风机的转速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；维持原运行风机低速运行，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；
本发明所述的风机为已配备高压变频器具备调速功能的煤矿主通风机，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转速和风门，通过控制四个对象的参数达到最优配合；通过同时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。
本发明的有益效果由于采用了上述技术方案，风机转速可调而当风机处于低速运转时，在通风机性能曲线坐标平面上，风机喘振的安全临界点左移，倒机前在立式主风门关闭的情况下也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；倒机前热备用防止了传统停机倒机方式下由于备用风机无法启动造成倒机失败。本发明充分利用其转速可以自由调节的优点，在不改变风道结构、不额外增加投资，达到提高倒机成功率。
本发明的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，备用风机启动低速运转，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，通过对运行风机和备用风机的电机转速和风门开度的协同控制，实现了主通风巷道的风量平稳过渡；
本发明的协同控制策略基于对轴流风机驼峰形特性曲线与通过风机转速变化规律的研究和风门开度改变时的通风机工况点迁移规律的研究，得到倒机过程中对风机转速调节和风门开度控制的边界条件，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。
在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。所述的故障标志位是通过高压变频器、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得到的；对于风机故障，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。应急启动方法是为了在故障异常程度高的情况下，弱化判断条件直接启动故障模式下的不停风倒机。
本发明的节能优势明显，传统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，风机启动维持低速运转，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，基于风门和风机转速联合调节，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。具体体现在：
利用风机已配备的变频器来实现不停风倒机。通过风机启动和低速运转实现倒机前热备用，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。
在整个倒机过程中通过调节风机转速与调节风门开度相互结合来调节风量，取代了原有在风机转速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，对空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。
另外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。并且本发明仅是通过高压变频器控制转速即可实现本发明的不停风倒机，因此无需额外对现有设备进行复杂的改造升级，从而大大提高本发明的应用范围。
附图说明
图1为本发明的煤矿风井通风设施结构图。
图2为本发明的基于变频调速的不停风倒机流程图。
图3为本发明的轴流式通风机的不同转速的性能曲线及工况点调节迁移规律图。
图4为本发明实施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、运行风机变频器；4、备用风机变频器；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；13、运行风机风叶；14、备用风机风叶。
具体实施方式
下面将对本发明作进一步说明。
如图1和图2所示，一种基于变频调速功能的煤矿主通风机不停风倒机方法，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；当运行风机发生故障时，通过高压变频器，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，而正常倒机过程与故障模式不停风倒机兼容。
本发明的具体倒机过程如下：(1)过渡阶段：运行风机正常运转的前提下，备用风机从静止开始低速启动，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，并增大备用风机转速，使其从系统抽风量增加；同时逐步关闭原运行风机立风门，并逐渐降低原运行风机转速，使其从系统抽风量逐渐减少；通过对风机的转速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；维持原运行风机低速运行，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；
本发明所述的风机为已配备高压变频器具备调速功能的煤矿主通风机，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转速和风门，通过控制四个对象的参数达到最优配合；通过同时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。
实现上述方法的控制对象及配套装置包括：运行风机1、备用风机2、运行风机变频器3、备用风机变频器4、运行风机立风门5、备用风机立风门6、运行电机9、备用电机10、运行风机风量负压测量装置11、备用风机风量负压测量装置12、运行风机风叶13和备用风机风叶14；从风流正常进入方向，公共风道7与井下8相通，沿风流的排出方向，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，所述的风机包括运行风机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13和备用风机风叶14，所述的运行风机1和备用风机2分别配有变频器3和变频器4，通过变频器可以控制风机转速连续可调；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。
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下位机控制单元、信号采集单元、输出执行单元、上位工控机人机管理单元和通信网络单元组成。
实现本发明方法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、输入输出模块、功能模块及通信模块组成；下位机控制单元置于琴键式操作台或者低压控制柜组内；其中，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。
本发明的PLC控制单元一方面监测通风机运行的电气、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，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。
本发明在不停风倒机的实现方面，为了进一步提高控制的可靠性，监控系统采用双PLC软冗余控制，采用远程I/O作为共用信号输入输出通道。PLC软冗余在满足现场需求的基础上性价比高。
本发明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。
本发明所述的输出执行单元实现对风机变频调速控制、风门开度执行器的控制，以及电机启停等开关量的控制；
本发明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。
本发明所述的上位工控机采用双工控机冗余方式，两台工控机一备一用，其中一台掌握系统的控制权，另外一台通过心跳检测随时可以投入使用接管系统的控制权。
本发明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。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。
Claims (1)
1.一种基于变频调速功能的煤矿主通风机不停风倒机方法，其特征是：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，通过高压变频器，风量负压传感器，振动传感器，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：在运行风机正常运转的前提下，备用风机启动低速运转，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，并增大备用风机转速，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转速，使其从系统抽风量逐渐减少；通过对两台风机的转速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；维持原运行风机低速运行，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；
所述的风机为已配备变频器转速可调的通风机，风门使用模拟调节风门，在风机并联运行期间，协同控制两台风机的转速和风门开度四个对象的参数，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。
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