基于 VB 程序的鈾礦井通風(fēng)機(jī)自動(dòng)選型研究

付海鵬

中核第四研究設(shè)計(jì)工程有限公司鈾礦冶所 河北石家莊 050022

通風(fēng)機(jī)是礦山生產(chǎn)四大固定設(shè)備之一，其可靠性是礦山安全生產(chǎn)的重要保障。通風(fēng)量較小時(shí)，不能充分排出井下有害氣體，威脅井下工人的人身健康和安全；通風(fēng)量較大時(shí)，巷道風(fēng)速較大，影響井下工人作業(yè)，也造成能源浪費(fèi)[1]。因此，為礦山選擇合適的通風(fēng)機(jī)就顯得尤為重要。傳統(tǒng)的通風(fēng)機(jī)選型，主要通過礦井所需風(fēng)量、風(fēng)壓等參數(shù)計(jì)算出通風(fēng)機(jī)的風(fēng)量、風(fēng)壓和網(wǎng)路的風(fēng)阻曲線，然后根據(jù)計(jì)算風(fēng)量、風(fēng)壓與通風(fēng)機(jī)生產(chǎn)廠家提供的產(chǎn)品數(shù)據(jù)表格進(jìn)行逐項(xiàng)比對(duì)，選出較合適的通風(fēng)機(jī)。由于通風(fēng)機(jī)型號(hào)多，比對(duì)時(shí)需要消耗大量時(shí)間。對(duì)于性能接近的通風(fēng)機(jī)，通過手工繪制網(wǎng)路的風(fēng)阻曲線，找到與通風(fēng)機(jī)特性曲線的交點(diǎn)，進(jìn)而確定通風(fēng)機(jī)工況點(diǎn)等參數(shù)，從而選出效率最高的通風(fēng)機(jī)。由于以上原因造成使用傳統(tǒng)通風(fēng)機(jī)選型耗時(shí)長(zhǎng)、精度不高等問題。

筆者結(jié)合自身設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和通風(fēng)機(jī)選型設(shè)計(jì)流程，開發(fā)出依靠可視化程序語言 Visual Basic 的自動(dòng)化通風(fēng)機(jī)選型程序，實(shí)現(xiàn)通風(fēng)機(jī)的自動(dòng)、高效、準(zhǔn)確選型。

1 通風(fēng)機(jī)類型分析

礦山通風(fēng)機(jī)主要有軸流式和離心式通風(fēng)機(jī)。這2 種通風(fēng)機(jī)的主要特點(diǎn)如表 1 所列。鑒于鈾礦山所需風(fēng)壓低、風(fēng)量大，所以鈾礦山通風(fēng)多采用軸流式通風(fēng)機(jī)。

表1 軸流式與離心式通風(fēng)機(jī)對(duì)比Tab.1 Comparison of axial flow ventilator and centrifugal ventilator

2 選型設(shè)計(jì)

要實(shí)現(xiàn)通風(fēng)機(jī)自動(dòng)選型，首先，需要建立通風(fēng)機(jī)數(shù)據(jù)庫；接著，根據(jù)設(shè)計(jì)原始參數(shù)計(jì)算出通風(fēng)機(jī)的風(fēng)量、風(fēng)壓以及工作網(wǎng)路的風(fēng)阻；然后，根據(jù)計(jì)算所得數(shù)據(jù)與通風(fēng)機(jī)數(shù)據(jù)庫中的通風(fēng)機(jī)參數(shù)進(jìn)行比對(duì)，選出最合適的風(fēng)機(jī)；最后，生成選型報(bào)告，供設(shè)計(jì)者使用[2-3]。

2.1 建立通風(fēng)機(jī)數(shù)據(jù)庫

由于通風(fēng)機(jī)型號(hào)多，工作范圍也比較寬廣，建立的數(shù)據(jù)庫勢(shì)必相當(dāng)龐大。筆者采用 Excel 辦公軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)庫建立，便于數(shù)據(jù)庫建立以及后期添加、修改。

礦用通風(fēng)機(jī)性能參數(shù)如表 2 所列。

表2 礦用通風(fēng)機(jī)性能參數(shù)Tab.2 Performance parameters of mine ventilator

礦井通風(fēng)機(jī)全壓特性曲線如圖 1 所示。人工進(jìn)行通風(fēng)機(jī)選型時(shí)，根據(jù)通風(fēng)機(jī)的計(jì)算風(fēng)量、風(fēng)壓，直接在通風(fēng)機(jī)特性曲線圖上進(jìn)行比選。這種直接與通風(fēng)機(jī)特性曲線進(jìn)行比選的方法，造成選型周期延長(zhǎng)。采用計(jì)算機(jī)程序選型，其準(zhǔn)確性和快速性都能得到保障。該程序根據(jù)通風(fēng)機(jī)的性能范圍進(jìn)行初選，可以淘汰掉大部分通風(fēng)機(jī)，加速了選型過程。

圖1 礦井通風(fēng)機(jī)全壓特性曲線Fig.1 Total pressure characteristic curve of mine ventilator

由圖 1 可以看出，通風(fēng)機(jī)特性曲線包含不同角度的通風(fēng)機(jī)風(fēng)壓-風(fēng)量曲線和通風(fēng)機(jī)效率曲線。要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)選型，就需要將圖 1 中所反映的通風(fēng)機(jī)性能全部數(shù)據(jù)化，即風(fēng)壓-風(fēng)量曲線數(shù)據(jù)化和通風(fēng)機(jī)效率曲線數(shù)據(jù)化，然后全部錄入數(shù)據(jù)庫，供程序調(diào)用。

根據(jù)選型的實(shí)際需要，通風(fēng)機(jī)風(fēng)壓-風(fēng)量曲線需要進(jìn)行擬合處理。首先，需要從通風(fēng)機(jī)特性曲線上進(jìn)行取點(diǎn)，然后根據(jù)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合，得到通風(fēng)機(jī)風(fēng)壓-風(fēng)量曲線的擬合方程[4]。

采用最小二乘法進(jìn)行風(fēng)機(jī)曲線擬合，確定取點(diǎn)的數(shù)量和位置。由擬合曲線方程系數(shù)的確定可知，對(duì)于n次擬合曲線，其數(shù)據(jù)點(diǎn)至少也需要n個(gè)。筆者采用主流的二次多項(xiàng)式來進(jìn)行軸流式通風(fēng)機(jī)風(fēng)量-風(fēng)壓曲線擬合，得到的相關(guān)系數(shù)R＞0.99，完全能滿足設(shè)計(jì)要求，所以數(shù)據(jù)點(diǎn)最少需要 2 個(gè)[5]。考慮到取點(diǎn)數(shù)量越多，曲線越平滑，擬合的曲線越準(zhǔn)確，這里選取 5個(gè)點(diǎn)進(jìn)行曲線擬合。

用最小二乘法進(jìn)行風(fēng)機(jī)曲線擬合，假定通風(fēng)機(jī)風(fēng)量-風(fēng)壓曲線函數(shù)為H＝f(Q)，在m個(gè)互易點(diǎn)取得的數(shù)據(jù)為 (Qi，Hi) (i＝1，2，…，m)，要求構(gòu)造近似函數(shù)Hn(Q) 在包含全部基點(diǎn)Qi的區(qū)間上盡可能地逼近函數(shù)f(Q)。通風(fēng)機(jī)特性曲線上取得m組數(shù)據(jù) (Qi，Hi)，可以近似用Qi的n次多項(xiàng)式來擬合。

式中：H為通風(fēng)機(jī)理論風(fēng)壓，Pa；n為大于 0 的正整數(shù)；Q為通風(fēng)機(jī)理論風(fēng)量，m3/s；ak為擬合方程系數(shù)。

根據(jù)軸流式通風(fēng)機(jī)特性曲線特點(diǎn)，選取n＝2，即選用一元二次方程擬合通風(fēng)機(jī)特性曲線。對(duì)函數(shù)H(n)(Q) 和函數(shù)f(Q) 求偏差的平方和

求S對(duì)aj(j=0，1，2，…，n) 的偏導(dǎo)數(shù)，并令

由式 (4) 以及n＝2 可得方程組

解矩陣方程 (5) 得到a0、a1、a2，并將n＝2 代入式 (1) 得到通風(fēng)機(jī)的性能曲線

對(duì)于通風(fēng)機(jī)效率曲線，根據(jù)曲線變化幅度不同，建立數(shù)據(jù)庫時(shí)，可從效率曲線上取 4～5 個(gè)點(diǎn)。鑒于無法和通風(fēng)機(jī)網(wǎng)路特性曲線進(jìn)行求解，即使建立擬合曲線方程，也只能計(jì)算出通風(fēng)機(jī)工況點(diǎn)所處的范圍，后期仍需要人工進(jìn)行比選。

2.2 通風(fēng)機(jī)選型

通風(fēng)機(jī)選型流程如圖 2 所示。首先輸入設(shè)計(jì)參數(shù)，計(jì)算出通風(fēng)機(jī)的風(fēng)量、風(fēng)壓、工作網(wǎng)路的風(fēng)阻，并根據(jù)效率范圍值算出通風(fēng)機(jī)的最大和最小軸功率，再從通風(fēng)機(jī)性能范圍和主要技術(shù)參數(shù)表中初選出滿足需求的通風(fēng)機(jī)，并將初選所得的通風(fēng)機(jī)建立數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)，供下一步使用。

圖2 通風(fēng)機(jī)選型流程Fig.2 Process flow of ventilator type selection

通風(fēng)機(jī)風(fēng)量

式中：K為通風(fēng)裝置漏風(fēng)系數(shù)；Qx為礦井所需風(fēng)量，m3/s。

通風(fēng)機(jī)風(fēng)壓

式中：Hx為礦井通風(fēng)阻力，Pa；ΔH為通風(fēng)裝置阻力，Pa；Hd為擴(kuò)散器的動(dòng)力損失，Pa；Hc為消聲裝置阻力，Pa；Hz為自然風(fēng)壓，Pa。

通風(fēng)機(jī)工作網(wǎng)路的計(jì)算風(fēng)阻

電動(dòng)機(jī)的軸功率

式中：Qj1為通風(fēng)機(jī)工況點(diǎn)暫定風(fēng)量，m3/s，Qj1=1.1Qj；Hj1為通風(fēng)機(jī)工況點(diǎn)暫定負(fù)壓，Pa，Hj1=Rj=；η1為通風(fēng)機(jī)工況點(diǎn)的暫定效率；ηm為機(jī)械傳動(dòng)效率。

根據(jù)風(fēng)機(jī)效率一般不應(yīng)低于 0.7 的通風(fēng)機(jī)選型原則，在計(jì)算通風(fēng)機(jī)最大軸功率時(shí)，取η1＝0.5；在計(jì)算通風(fēng)機(jī)最小軸功率時(shí)，取η1＝1.0。

根據(jù)初選通風(fēng)機(jī)參數(shù)，依次調(diào)用對(duì)應(yīng)通風(fēng)機(jī)的風(fēng)壓、風(fēng)量，采用最小二乘法擬合出風(fēng)量-負(fù)壓曲線函數(shù)，與通風(fēng)網(wǎng)路特性曲線建立方程組：

解方程組 (11) 得到兩條曲線的交點(diǎn)，保存該點(diǎn)的風(fēng)量、風(fēng)壓，然后判斷該點(diǎn)的風(fēng)量是否在風(fēng)機(jī)風(fēng)量可接受的浮動(dòng)范圍內(nèi)。如果該點(diǎn)在可接受范圍內(nèi)，則保存該選型結(jié)果，存入二次選型通風(fēng)機(jī)數(shù)據(jù)庫；如果不在可接受范圍內(nèi)，則讀取下一組風(fēng)壓、風(fēng)量參數(shù)，然后重復(fù)上述過程。

當(dāng)通風(fēng)機(jī)初次選型完成后，就需要根據(jù)通風(fēng)機(jī)工況點(diǎn)的效率值進(jìn)行通風(fēng)機(jī)比選。鑒于通風(fēng)機(jī)工況點(diǎn)效率值用計(jì)算機(jī)進(jìn)行比選，只能得到效率值的范圍，無法得到具體數(shù)值，因此，可直接采用人工判斷效率值。根據(jù)二次選型通風(fēng)機(jī)數(shù)據(jù)庫，繪出待選通風(fēng)機(jī)特性曲線，根據(jù)圖上所示工況點(diǎn)位置，判斷出通風(fēng)機(jī)效率，比選出最合適的通風(fēng)機(jī)。最后，將選出的通風(fēng)機(jī)方案保存，供設(shè)計(jì)者參考。

2.3 選型報(bào)告形式

通過程序?qū)νL(fēng)機(jī)進(jìn)行自動(dòng)選型，使用 Word 文檔來保存原始設(shè)計(jì)參數(shù)、二次選型結(jié)果以及選型的最終結(jié)果，供設(shè)計(jì)師查看以及后期校核、審核；使用Excel 文檔用來保存原始設(shè)計(jì)參數(shù)，供查詢及修改。

2.4 礦井通風(fēng)機(jī)自動(dòng)選型

利用 Visual Basic 程序設(shè)計(jì)語言，設(shè)計(jì)礦井通風(fēng)機(jī)自動(dòng)選型程序，通過輸入工程名稱、礦井所需風(fēng)量、礦井通風(fēng)阻力等原始設(shè)計(jì)參數(shù)，自動(dòng)選出最優(yōu)的通風(fēng)機(jī)配置方案。

該程序設(shè)計(jì)了 2 種數(shù)據(jù)輸入方式：一種是直接輸入數(shù)據(jù)方式；另一種是通過打開原有的設(shè)計(jì)文件，直接調(diào)用數(shù)據(jù)。直接輸入數(shù)據(jù)方式主要用于新建工程的通風(fēng)機(jī)自動(dòng)選型，調(diào)用數(shù)據(jù)方式則主要用于查看已選的通風(fēng)機(jī)選型過程是否合理以及修改參數(shù)。

當(dāng)原始設(shè)計(jì)參數(shù)全部輸入完畢后，點(diǎn)擊計(jì)算按鈕，由程序自動(dòng)完成通風(fēng)機(jī)初步比選、建立初選數(shù)據(jù)庫、通風(fēng)機(jī)二選、擬合曲線、建立二選數(shù)據(jù)庫等流程。最后，由設(shè)計(jì)者根據(jù)顯示的二選通風(fēng)機(jī)工況點(diǎn)，人工比選出最合適的通風(fēng)機(jī)。

該程序可以將二選通風(fēng)機(jī)數(shù)據(jù)庫中的所有通風(fēng)機(jī)全部顯示在同一界面，比選起來比較直觀。直接確定的通風(fēng)機(jī)工況點(diǎn)與使用插值法確定的通風(fēng)機(jī)工況點(diǎn)通過不同的圖形反映出來，使設(shè)計(jì)者能了解工況點(diǎn)的產(chǎn)生過程。

3 選型實(shí)例

鈾礦井采用對(duì)角式通風(fēng)系統(tǒng)，抽出式通風(fēng)方式，原始設(shè)計(jì)參數(shù)如表 3 所列。自動(dòng)選型界面如圖 3 所示。將表 3 所列參數(shù)輸入到程序中，運(yùn)行得到選型結(jié)果，如圖 4 所示。

圖3 自動(dòng)選型界面Fig.3 Interface of automatic type selection

表3 原始設(shè)計(jì)參數(shù)Tab.3 Original design parameters

由圖 4 可以看出，根據(jù)顯示的風(fēng)機(jī)性能曲線分析，K40-6-No.19 通風(fēng)機(jī)的效率為 86%，小于 K45-6-No.17 通風(fēng)機(jī)的效率 89%。考慮到 K45-6-No.17 通風(fēng)機(jī)的工況點(diǎn)已經(jīng)接近最大風(fēng)量，如果出現(xiàn)礦井所需風(fēng)量增大的情況，該通風(fēng)機(jī)將無法滿足礦井正常通風(fēng)的需求，故選擇 K40-6-No.19 通風(fēng)機(jī)為終選通風(fēng)機(jī)。

圖4 自動(dòng)選型終選界面Fig.4 Final selection interface of automatic type selection

4 結(jié)語

通風(fēng)機(jī)自動(dòng)選型程序人機(jī)交互界面友好，經(jīng)過簡(jiǎn)單的操作演示后，設(shè)計(jì)者就可以熟練使用。該程序在輸入基本的設(shè)計(jì)參數(shù)后，僅需局部人為干預(yù)，就可以得到礦井通風(fēng)機(jī)最優(yōu)配置方案，縮短了通風(fēng)機(jī)選型周期，提高了通風(fēng)機(jī)選型的準(zhǔn)確性。通過 Excel 建立數(shù)據(jù)庫，具有顯示直觀，讀取方便，便于修改等特點(diǎn)。自動(dòng)生成的選型文件內(nèi)容簡(jiǎn)單，可以直接滿足設(shè)計(jì)及審核需求。但現(xiàn)階段仍存在如下問題，需要在后期的工作中進(jìn)行優(yōu)化。

(1) 通風(fēng)機(jī)數(shù)據(jù)庫中特性曲線的參數(shù)主要從廠家提供的產(chǎn)品圖冊(cè)中讀取的，存在人為誤差。后期可以考慮與通風(fēng)機(jī)廠家進(jìn)行合作，由通風(fēng)機(jī)廠家提供數(shù)據(jù)。

(2) 程序終選界面中設(shè)計(jì)顯示的備選通風(fēng)機(jī)數(shù)量為 4 個(gè)，顯示的備選通風(fēng)機(jī)數(shù)量過少，有可能造成其他合適的通風(fēng)機(jī)被漏選，需要進(jìn)一步調(diào)整完善。

(3) 通風(fēng)機(jī)工況點(diǎn)對(duì)應(yīng)的效率值無法自動(dòng)計(jì)算，需要人為讀取。需要考慮是否有合適的方法，能夠自動(dòng)計(jì)算出通風(fēng)機(jī)的效率，進(jìn)一步提高選型軟件的自動(dòng)化程度，縮短選型周期。