王家嶺煤礦掘進工作面智能通風管控系統

孫 峰，李紅波，張 金

（中煤華晉集團有限公司 王家嶺礦，山西 河津 043301）

目前，中國的一次能源消費中,燃煤的使用率達到了56%[1]，在中國燃料消費中仍將一直處于主導地位。鑒于開采深度的加大和因此而發生的煤礦自然災害的頻率增加，在保持高效生產的同時保障安全生產成為當下亟需解決的問題[2-5]。

礦井通風系統是礦山生產過程中的必不可少的一個組成部分,在礦井安全生產中有著重要作用，因通風系統出現故障所導致的煤塵及瓦斯爆炸嚴重制約著煤礦安全生產的發展[6]。隨著現代工業智能化、自動化地不斷普及，近年來煤炭行業投入了大量資金以對生產系統和采煤設備進行了升級改造，作為煤礦安全的根本保證，通風系統的智能化現代化是智能礦井發展的重要組成部分[7-10]。

隨著變頻技術、監測技術、智能控制技術、數字化技術、工業通信技術、5G 通信技術的日益普及，使得將整個礦井的巷道、主要通風機、各工作面的局部通風機、風門、瓦斯、溫度、粉塵等各種因素納入全礦井通風的數學模型成為可能。進而建立起整個礦井通風的數學模型，采用智能技術解決方案來集中調控和管理，達到按需通風、節能環保的要求。

王家嶺煤礦瓦斯絕對涌出量為12.05 m3/min，其中，掘進工作面瓦斯絕對涌出量0.34 m3/min，回采工作面瓦斯絕對涌出量5.09 m3/min。屬于高瓦斯礦井，存在瓦斯和煤塵爆炸危險性。

基于此，以王家嶺礦12307 掘進面為例，結合礦井基本通風情況及防爆抑爆需求，在12307 智能掘進工作面設置了1 套智能局部通風控制系統, 通過根據瓦斯含量、環境溫度等技術參數自主調整局部通風機速度,并進行風速的自主調整。套智能局部通風控制系統極大程度上提升了王家嶺煤礦的生產自動化和智能化管理水平。

1 智能變頻通風管控系統

王家嶺煤礦智能變頻通風管控系統由地面監測和控制部分、網絡傳輸部分、環境監測部分、數據采集部分、變頻控制部分和局部通風機系統共同組成。

1.1 總體設計

系統設計圖如圖1。

圖1 系統設計圖Fig.1 System design

通風機控制室監控上位機通過以太網與井下數據采集控制箱通訊，實現遠程監控功能，控制箱通過總線與風機電源開關內的綜合保護器通訊，讀取風機運行的電壓、電流、功率和故障保護類型等參數，同時采集局部通風主機、從機的遠程/就地狀態、運行狀態、合閘、分閘、復位等各種狀態以及風機進風口和風機開關10 m 范圍內的瓦斯數據，并通過PLC程序判斷，實現局部通風機的自動控制功能。礦用本安型觸摸屏通過MPI 與PLC 控制箱通訊，實現就地局部通風機信息顯示和控制功能。

1）系統能夠按照預定目標，完成主局部通風機和備用局部通風機的自動切換。當主局部通風機因斷電或其他故障而無法正常運行時，備用局部通風機立即啟動，提供備用通風，保障工作面供風和避免瓦斯超限。

2）可以通過地面控制室的計算機來調節井下局部通風機的運行和倒機試驗，只需按下測試切換按鈕即可進行自動切換測試。

3）對局部通風機的溫度、電流等參數進行監測，當其超出安全范圍時，及時警報。

4）每臺局部通風機PLC 控制柜都配備了千兆網線接口，使其能夠直接接入進行工業環網。

5）瓦斯體積分數的數值及警報信號能直觀地從井下瓦斯監測分站和地面監測站中顯示和讀取。

6）安裝在地面監測站的系統，用于記錄本地通風機系統的運行情況，并對測試切換歷史進行記錄，其中包括風機切換的日期和切換過程的耗時、遠程或自動本地切換、供電和設備故障的日期和時間等，以保證工作記錄留存。

1.2 智能變頻調節

1.2.1 智能變頻調節的特點

軸流風機電動葉片調節的主要優點是在大范圍內修改流量時，效率變化不大，因此在調節流量時的經濟性很高。另外，還可以從2 個方向改變流量，從額定流量到更低或更高的流量，從而獲得更大的調節范圍。它以比例法則為基礎，通過調整風機的速度來改變其性能曲線，從而發揮作用。風機變速調節曲線圖如圖2。

圖2 變速調節曲線圖Fig.2 Variable speed adjustment curves

圖2 中：n 為風機的轉速；H 為風壓；Q 為流量；P 為功率；η 為效率。由圖2 可知，當風機的工作速度增加時，流量和壓力上升；而當風機的工作速度減少時，流量和壓力下降。管道的變速調節的特性保持不變，不存在附加的調節阻力。這是風機是最合適的調節方式，因為它在提供增加調節阻力的同時，也提供了良好的調節經濟性。

1.2.2 智能變頻調節的功能實現

根據采集到的瓦斯、溫度、風速、CO、粉塵等（選配）信號來設定控制模式。設有3 個工作模式，分別是“自控模式”下的通風和排瓦斯模式、以及“手控頻率給定模式”。

1）自控通風模式運行狀態下，調速裝置在工作面迎頭、回風區瓦斯體積分數低于設定值。一旦瓦斯體積分數超過預設值，則切換至以巷道風量、溫度、CO 含量、粉塵含量來綜合控制風機調速，此時巷道風量、溫度、CO 含量、粉塵含量任何1 個測點超過設定值時，調速裝置將自動提高轉速，增大供風量（上限頻率），直到超標信號恢復至設定安全數值以下后，風機轉速下降至正常水平（下限頻率）。在此過程中瓦斯體積分數需一直在安全值下，任何時候超標則快速切換至自控排瓦斯模式。風速、CO、粉塵、溫度傳感器位置及數量根據實際井下工況合理布置。

2）正常狀態下，調速裝置的工作模式為自控通風。當工作面迎頭實時瓦斯體積分數≥工作面迎頭設定值或回風區實時瓦斯體積分數≥回風區瓦斯體積分數設定值時，工作模式自動調整至自控排瓦斯。風機轉速隨工作面迎頭瓦斯體積分數變化而改變，呈正相關趨勢，通過風機輸出風量的自動調節，達到避免瓦斯體積分數超限的目的。當工作面迎頭瓦斯體積分數超過1.5%，調速裝置停止制動，且在工作面迎頭瓦斯體積分數未下降至設定值時不會自動重新啟動；當工作面迎頭瓦斯體積分數及回風區瓦斯體積分數皆小于其設定值時，調速裝置自動重新啟動，并在10 min 內轉入自控風模式。自控通風排瓦斯流程圖如圖3。

圖3 自控通風排瓦斯流程圖Fig.3 Flow chart of self-controlled ventilation and gas discharge

3）調速裝置在手動頻率調整模式下運行時，其輸出頻率與預設頻率匹配，誤差不超過0.5 Hz。工作面迎頭和回風區瓦斯傳感器不會對調速裝置的輸出頻率產生影響。

1.2.3 智能變頻調節的節能效果

變頻器的節能效果從以下4 個方面實現。

1）軟啟動。在大多數情況下，交流電機的啟動電流是電機額定電流的6～7 倍。而經過軟啟動器的變頻和調速，電機的啟動電流不會超過電機的額定電流。

2）減少設計冗余。為保障設備在復雜多變的環境條件下正常運行，設計者必須一般都不得不考慮到設計冗余，但使用過程中大都是正常運行，這就造成了一定程度的冗雜，而變頻調速則可以把這部分冗余節省下來。

3）調速節電。根據流體力學理論，軸功率與速度的立方有關，隨著速度的降低，軸功率也按比例降低，這是變頻調速的主要節電原理。

4）系統功率因數高。通常超過0.95，導致無功功率消耗減少，變壓器的負荷較輕。

變頻調節特性曲線圖如圖4。

圖4 變頻調節特性曲線圖Fig.4 Variable frequency regulation characteristics

圖4 中：H 為風壓；曲線①、曲線③分別為風機在不同阻力下運行時的特性曲線；曲線②、曲線④分別為不同頻率下的流量和壓力關系的曲線。風機工作在A 點時,軸功率P1等于Q1與H1的乘積，即與圖中AQ1OH1A 的面積成正比。若要將流量叢Q1減至Q2時，如通過閥門調整，則將工作點由A 移到B時，同樣流速降低，但壓力也增大，因此軸功率降低程度不大；若采用變頻調速，則工作點由A 移動到C，在滿足同樣流量Q2的情沉下，壓力也降低，軸功率大大降低。因此通過調速裝置實現對流量的控制是變頻器節能的底層邏輯。

1.3 遠程監控功能

1）故障監測與診斷預警。系統主要包括現場傳感器數據監控、智能開關故障監控、無人值守監控平臺報警等多平臺聯動。具備故障報警及自動切換功能，故障時能夠自動地切換至備用電源和備用風機，具備完整的故障保護功能。具備數據、視頻監測及故障報警功能，實現對局部通風機風機系統的統一監控，系統故障在上述中心實時報警提示，為快速處理故障提供多方面保證，實現局部通風機通風系統安全運行。系統具備歷史報警查詢功能：可對各子系統系統、報警類別、報警等級、起始日期、結束日期、持續時間大于某個值來查詢。并可按各子系統、日期、級別來統計當天的報警記錄。

2）地面監控功能。與大屏顯示系統配合使用時，地面配置配置軟件可以完整顯示現場視頻和數據，以及每臺局部通風機的狀態和其他參數，為統一調度和遠程指揮提供決策依據。在上位機監控畫面中，可以手動給定風機頻率、起停風機、切換風機等。配置6 個監控功能模塊，實現視頻、工藝、可視化、應急流程、巡檢數據、報警的集中管控。當地面設備發生故障如停電、斷網等時,若對井下局部通風機的無人值守系統不產生影響, 則由現場控制器完成緊急作業。

2 關鍵技術

2.1 風機狀態監測

對于電機的性能，溫升是一個關鍵參數，不同耐熱等級的電機對溫升的要求有一定的差異。溫升與溫度呈正相關，雖然電機不同部位的溫度不盡相同，但其分布非常有規律。

繞組與電動機鐵心之間的溫升是影響電動機溫升的最主要原因。因為這些元件都是導熱介質，它們的熱量在空氣中一般總是按照某種規則均勻分布在同一個曲線上，則最高溫升和平均溫升之間必然存在差異。因此，雖然可以應用各部件的最高溫升來確定各部件的發熱極限，但在實際計算中，作為一個整體只能計算出發熱部件的平均溫升；而平均高溫上升和最高溫上升之間也有必然的規律關系, 所以也可以用于判斷發電機的發熱情況。局部通風機為徑向散熱方式，風流流過電機表面，經過各個徑向通風通道產生的熱空氣量幾乎一致, 繞組和鐵心都在電動機中央附近達最高的工作溫度。熱部分通過鐵心和通風通道散入空氣中, 而熱部分則沿著繞組走向二端,最后在繞組末端處散入空氣中，通過鐵芯和通風通道,分散在空氣中。當電機出現絕緣下降或鐵芯出現異常時，電機損耗增加，溫度上升，溫度出現異常，雖然電機可維持工作，但隨時都可能完全損壞。通過采樣電機的實時溫度，繪制溫度曲線，既可提前判斷電機狀況。

電機溫度采集框圖如圖5。在數據采集分站中，配置了溫度采集模塊，掃描周期小于1 s。PLC 通過modbus 通訊，每0.5 s 讀取1 次采集的電機溫度數據，并將數據上傳至上位機終端中保存，并實時繪制溫度曲線。當溫升出現異常時，報警提醒。用戶可通過上位機終端查詢電機溫度歷史曲線，由此判斷分析設備問題。

圖5 電機溫度采集框圖Fig.5 Block diagram of motor temperature acquisition

2.2 風機轉速控制

在滿足降低瓦斯體積分數、CO/CO2體積分數、粉塵濃度和新風供應的前提下，盡量降低風機的轉速，既可以降低風機噪音，改善工作環境，又可以節約大量的能源。

智能控制系統，通過采集瓦斯體積分數、CO 體積分數、CO2體積分數和風速，通過綜合計算，控制變頻器頻率，從而實現風機轉速的最優控制。數據采集及控制框圖如圖6。

圖6 數據采集及控制框圖Fig.6 Data acquisition and control block diagram

3 結 語

針對王家嶺煤礦智能通風建設問題，設計布局了掘進工作面智能通風管控系統，建設局部通風機遠程監測及控制系統，替代傳統的人工測風、調風、控風方式，形成了基于以太網的數據交匯，達到了煤礦通風智能化的目標。

自2021 年6 月王家嶺12307 掘進工作面配備智能通風管控系統至今，在智能通風管控系統的調配下，12307 掘進工作面的瓦斯體積分數、一氧化碳體積分數及粉塵濃度均未發生過超限情況，實現了工作面的安全生產。