基于MCGS的通風機性能曲線自動跟蹤繪制

邵長宏

（徐礦集團新疆賽爾能源有限公司，新疆 和布克賽爾 834406）

礦井通風系統由井下風網、各類通風設施以及地面主通風機等構成，主通風機是礦井通風的主要動力設備，被稱為礦井之肺，擔負著向井下供給新鮮空氣、排出有害氣體和粉塵的重任，其運行合理與否直接關系到礦井安全生產和經濟效益，而風機性能曲線是衡量風機運行工況、考察風機與風網匹配程度、進行礦井通風系統優化的重要技術資料。因此，準確繪制風機性能曲線并實時計算風機工況點在性能曲線上的位置，對于考察風機運行狀態、指導風機合理調節，保證礦井通風安全，節能減排等皆具有重要的現實意義。特別是對于配有變頻器的風機，其運行頻率不定，風機性能曲線隨運行頻率不斷移動，實現對性能曲線的實時跟蹤與繪制則更具指導意義。

1 數學模型

1.1 風機性能曲線數學模型

主通風機的風量、風壓、功率、效率這四個參數可以反映出主通風機的工作特性，對于每一臺主通風機來說，在一定轉速下對應一定的風量，同時具有一定的風壓、功率、效率與之對應，風量變動則其它三個參數也隨之變動，因此，可將主通風機的風壓、功率、效率隨風量變化而變化的關系，分別用曲線表現出來，即風機性能曲線。風機性能曲線包括風壓特性曲線（H-Q）、功率特性曲線（N-Q）、效率特性曲線（η-Q）。研究表明，風壓與風量、功率與風量以及效率與風量之間存在著非線性多項式關系，在實際使用中，用一元二次方程表示的風機性能曲線，既能較好的滿足精度要求，又因方程不太復雜，計算、繪制均較為簡便，所以用一元二次方程表示的風機性能曲線得到廣泛應用〔1-2〕。

由于風流在風機內部的能量損失無法計算，故風機性能曲線只能通過測試、整理獲得，且一般均測試工頻運行時的一組性能曲線，其曲線的數學模型如下所示：

靜壓：H=α1x2+b1x+c1

軸功率：N=α2x2+b2x+c2

效率：η=α3x2+b3x+c3

1.2 變頻運行曲線數學模型計算

為適應礦井不同生產階段的風量調節需求，同時為了節能降耗，很多礦井都為主通風機安裝了變頻調速裝置并配以相應的監控系統，以風機風量為控制目標調節變頻器輸出，達到風機風量恒定的目的，由于井下風網是動態變化的，礦井風阻亦不停的波動。因此，變頻器的輸出頻率會隨著礦井風阻的波動而不斷變化。風機轉速的變化帶來性能曲線在坐標系上的移動，這時就很難及時了解風機工況點在性能曲線上的位置，也就很難判斷風機的運行狀態。解決這一問題，可借助計算機強大的計算能力，使風機性能曲線能實時追蹤風機運行頻率，同時充分利用計算機的繪圖功能實時繪制曲線，以期實現實時監測、實時顯示，使風機實時運行狀態一目了然，為此，需首先研究曲線隨頻率變化的規律，推導出相應公式〔3-4〕。

根據風機風量與轉速成一次方關系，壓力與轉速成二次方關系，軸功率與轉速成三次方關系，即：

式中：Q0、H0、N0、n0分別為工頻條件下的風機風量、靜壓、軸功率、轉速；Q、H、N、n分別為變頻條件下的風機風量、靜壓、軸功率、轉速。

式中：n為電機轉速，f為電源頻率，p為電機旋轉磁場的極對數），對于同一臺電機，p是定值。

因此風機風量、靜壓、軸功率與轉速的關系公式可近似列為：

式中：f0為工頻頻率，即50Hz；f為變頻頻率。

由此推導出工頻、變頻情況下各參數的關系式：

可見，風機效率不隨頻率的改變而改變，其曲線在直角坐標系上只做左右移動，不做上下移動。

根據一元二次方程“左加右減”、“上加下減”的性質，結合1.1節介紹的風機性能曲線方程，變頻 情況下風機性能曲線為：

1.3 風機工況點計算

風機性能曲線是三條靜態曲線，是考察風機性能的重要依據，然而，實際使用中若只考察這三條曲線則意義不大，只有將風機帶進風網進行綜合考慮，才能構建出合理的礦井通風系統。風機與井下風網可通過風阻曲線建立聯系：風阻曲線與風機的風壓-風量曲線的交點即為風機的工況點，工況點可以考察風機、風網的運行狀態，為此，需在計算機上計算工況點并將其實時顯示在風機性能曲線上。

在本項目的軟件編制中，首先計算風機工況點，在不考慮自然風壓的情況下，利用風機監控系統監測到的風機負壓減去速壓即認為是礦井阻力，根據阻力定律h=R×Q2，監控系統自動計算礦井風阻R，阻力定律方程與風壓-風量曲線方程聯立：

解一元二次方程即可求得風機工況點。

2 曲線繪制

新疆賽爾能源有限公司三礦主通風機房無人值守及礦井風量閉環控制技術研究項目以MCGS為平臺編制上位機監控軟件。MCGS提供強大的數據處理能力，能以圖表、曲線、柱狀圖等各種方式處理從現場采集到的數據，風機曲線實時繪制就是利用其曲線繪制功能。

本項目中，利用MCGS提供的“實時曲線構件”，在腳本程序中調用“AddXYData（）函數”自動繪制風機性能曲線和風阻曲線，其組態過程見圖1。

圖1 實時曲線構件組態

AddXYData（）函數以連點成線的方式繪制曲線，函數中包含了曲線方程，曲線繪制程序調用AddXYData（）函數時自動計算給定點的函數值，多個點即可連成曲線〔5-7〕。上位機監控軟件實時監測風機運行參數（風壓、風量、變頻器輸出頻率、電參數等）且每1S調用一次曲線繪制程序。因此，監控軟件可根據風機運行頻率的變化實時繪制風機特征曲線和風阻曲線。

3 工況點實時顯示

利用1.3 節介紹的公式計算出風機工況點之后，MCGS根據顯示器的坐標、曲線構建取值范圍、工況點數值，利用線性比例關系、構件的水皮及垂直移動屬性實時計算并顯示工況點在風機性能曲線上的位置，達到實時監測風機工況的目的，其組態過程見圖2。

圖2 工況點移動屬性組態

4 應用效果

通風系統能否合理運行和風機效率高低皆與風機實際運行的轉速、風葉角度有著直接的關系。轉速或角度過大會造成功耗增加，有效風量降低，過小則會造成井下風量不夠用，風機運行效率降低等。而風機轉速、角度是否合理，最直觀的方法便是通過觀察風機性能曲線，查看風機工況點所在的工作區域，圖3為本項目中通過上位機軟件繪制的風機性能曲線和風阻特性曲線，風機運行工況一目了然。同時，為保證風機運行安全，系統設置報警功能，當風機工況點進入“喘振區”或“低效區”時，系統以聲光報警的方式提示工作人員采取措施。

圖3 主通風機性能曲線

〔1〕張幸樂，華中豪.風機特性曲線模擬〔J〕.煤礦設計，2000，4：13-16.

〔2〕周利華.礦井主通風機性能曲線模型的顯著性檢驗〔J〕.煤礦機械，2001，11：15-17.

〔3〕黃元平.礦井通風〔M〕.徐州：中國礦業大學出版社，2003，90-102.

〔4〕張國樞.通風安全學〔M〕.徐州：中國礦業大學出版社，2000，61-70.

〔5〕徐春艷，華 鋼，劉曉東，等.基于MCGS組態軟件的煤礦監控系統的研究〔J〕.工礦自動化，2005，5：28-30.

〔6〕尹洪勝，錢建生，華 鋼.Intranet環境下煤炭企業監控系統集成研究〔J〕.計算機系統應用，2005（3）：12-15.

〔7〕房利國，華 鋼，張 培，齊衛娟.主扇風機在線監控系統設計.淮陰工學院學報，2009，18（1）：23-26.