Способ определения оптимальных режимов совместной работы шахтных вентиляторов Советский патент 1993 года по МПК E21F1/00 

Изобретение относится к горной промышленности, в частности к проветриванию шахт и рудников несколькими вентиляторами.

Известен способ управления шахтными вентиляторами, включающий перебор возможных сочетаний депрессий нагнетающего и всасывающего вентиляторов с сохранением при этом требуемого на проветривание расхода воздуха и измерением затрат электроэнергии на проветривание с последующим установлением соотношений депрессий вентиляторов с наименьшим потреблением электроэнергии (1).

Этому способу присущи следующие недостатки:

- большая трудоемкость работ, обусловленная необходимостью перебора возможных сочетаний депрессий шахтных вентиляторов;

- область его применения ограничивается нагнетательно-всасывающим способом проветривания шахт;

- при реализации режимов с минимальным значением депрессии одного из вентиляторов ухудшается воздухоснабжение подземных потребителей и снижается безопасность горных работ, находящихся в зоне его действия;

VI 00 О VI

ю VI

- при реализации режимов не учитывается состояние проветривания потребителей воздуха (забоев, камер, отдельных выработс:: и т.п.);

- сложность поддержания заданного расхода воздуха при регулировании депрессий вентиляторов.

Наиболее близким техническим решением явл я тся способ определения режимов совместной работы шахтных вентиляторов после взрывных работ, включающий изменение производительности вентиляторов в большую и меньшую стороны на шаг 10-15% от расчетной путем изменения их входных регулируемых параметров измёрёнйе расхода воздуха на участке введения взрывных работ в установившемся режиме проветривания, определение коэффициентов влияния работы вентиляторов на эффективность проветри- вания этого участка, коэффициентов пропорциональности изменения входных регулируемых параметров вентиляторов и их значений, при которых на участок ведения взрывных работ обеспечивается макси- мальная подача воздуха и установка входных регулируемых параметров вентиляторов в найденные положения 2.

Однако известный способ имеет следующие недостатки. Он не может быть приме- нен для определения режимов работы вентиляторов в нормальном режиме проветривания шахты, так как не учитывает обеспеченность расчетным количеством воздуха шахтных потребителей и мощность, затрачиваемую вентиляторами на проветривание.:

Целью изобретения является повышение эффективности проветривания шахтных потребителей воздуха в нормальном режиме за счет выбора оптимального режима совместной работы всех шахтных вентиляторов.

Использование способа определения оптимальных режимов совместной работы шахтных вентиляторов обеспечивает улучшение проветривания шахтных потребителей, условий труда горнорабочих, повышение безопасности ведения горных работ и снижение мощности, потребляемой вентиляторами. Поставленная цель достигается тем, что для определения оптимальных режимов работы шахтных вентиляторов изменяют производительности вентиляторов в большую и меньшую стороны и шаг, равный 10-15% от расчетной, путем установки входных регулируемых параметров (ВРП) каждого j-ro вентилятора на верхнем XJB и нижнем XJH уровнях относительно основного Xj0. В качестве ВРП шахтных вентиляторов могут быть частота вращ ёния рабочего колеса и углы установки лопаток направляющего аппарата и рабочего колеса. Шаг варьирования входных регулируемых параметров для каждого вентилятора AXj выбирают по совмещенной аэродинамической характеристике вентилятора и вентиляционной сети таким, чтобы обеспечить изменение их производительности на 10- 15%. В зависимости от количества регулируемых вентиляторов (v) выбирают план - матрицу проведения серии исходиых опытов двухуровневого факторного эксперимента, в которой значения ВРП вентиляторов представлены в кодированных переменных Xjk для каждого опыта и равные +1 при установке ВРП на верхнем уровней -1 на нижнем. Значения регулируемых параметров в натуральных величинах для каждого опыта вычисляют по формуле

Xjk Xj0 + AXjXjk

(1)

где k - порядковый номер огшта в исходной серии

(k 1.1, 1.2,...1.г) г- число опытов в исходной серии.

В соответствии с планом проведения опытов увеличивают и уменьшают производительность вентиляторов,устанавливая их ВРП в найденные положения, измеряют в каждом опыте расходы воздуха, поступающего к шахтным потребителям при установившемся режиме проветривания. Дополнительно измеряют потребляемую вентиляторами мощность при фактической их производительности NJ и в каждом опыте исходной серии Njk. По полученным данным вычисляют значения обобщенного критерия оценки функционирования вентиляционной системы в этих режимах.

v

Фк &Nk + Јqk ( 2 NJk У j 1

( I Nj) + (1/n)Ј(q,k/qip)j

- 1 C° 5f (qik-qip)

где Фмь критерий, учитывающий изменение потребляемой на проветривание мощности;

Oqk- критерий обеспеченности потребителей воздухом;... j - порядковый номер, вентилятора;

v- общее число регулируемых вентиляторов;

Njk - мощность j-ro вентилятора в k-ом опыте, кВт;

NJ - мощность j-ro вентилятора при фак- тическом режиме его работы (до начала опытов), кВт;

п - число потребителей воздуха;

i - порядковый номер потребителя;

gip - расчетный расход воздуха i-ro по- требителя, м /с;

qik - фактический расход воздуха i -ro потребителя в k-ом опыте, м/с;

С - коэффициент чувствительности (приоритетности) критерия на обеспечен- ность потребителей воздухом.

Затем определяют коэффициенты влияния каждого вентилятора на обобщенный критерий

bj ( I xjk Фс УТ (3)

k 1

где г-число опытов в исходной серии;

xjk - кодированные значения входных регулируемых параметров вентиляторов в k-ом опыте.

Вычисляют значения входных регулируемых параметров вентиляторов для допол- нительных опытов

Xjm Xjo-(m-1)AXjbj/ bMaKcl (4)

гделп - порядковый номер режима в допол- нительных опытах

(т 1,2,......);

Xj0 - значения входных регулируемых параметров вентиляторов в натуральных величинах для основных уровней (в исходном режиме);

Ьмакс - максимальное значение коэффициента bj из рассчитанных по выражению (3) для всех вентиляторов.

Проводят серию дополнительных опы- тов, при этом измеряют режимы работы вентиляторов, устанавливая их входные регулируемые параметры в найденные положения, измеряют расходы воздуха и потребляемую вентиляторами мощность, вычисляют значения обобщенного критерия для дополнительных опытов и выбирают режим работы вентиляторов, соответствующий наименьшему значению обобщенного критерия из серии дополни- тельных опытов.

Сопоставительный анализ заявленного способа с прототипом показывает, что заявленный способ отличается тем, что в каждом режиме определяют расход воздуха не одного, а всех шахтных потребителей, причем наряду с расходом воздуха измеряют мощность затрачиваемую вентиляторами на проветривание. Для всех режимов вычисляют по полученным данным значения обобщенного критерия оценки функционирования вентиляционной системы, учитывающего обеспеченность потребителей расчетным количеством воздуха и потребляемую вентиляторами мощность. Определяют коэффициенты влияния вентиляторов на величину обобщенного критерия и расчетные значения входных регулируемых параметров для серии дополнительных опытов. Проводят серию дополнительных опытов, в которых изменяют режимы работы вентиляторов, устанавливая их ВРП в найденные положения. Для дальнейшей эксплуатации вентиляторов в нормальном режиме проветривания шахты выбирают такой режим, при котором обобщенный критерий имеет наименьшее значение. Таким образом, заявляемый способ соответствует критерию изобретения новизна и существенные отличия.

Изобретение осуществляется следующим образом.

Обследуют главные вентиляторные установки вентиляционной системы на предмет уточнения фактических режимов их работы, возможности оперативного изменения производительности и определения потребляемой на проветривание мощности. В зависимости от числа регулируемых вентиляторов по табл. 1 и 2 выбирают план проведения серии исходных опытов в кодированных переменных Xj принимающих значения ±1.

По совмещенной аэродинамической характеристике вентилятора и шахтной сети выбирают основные уровни ВРП Xj0 и шаг их изменения в большую и меньшую стороны AXj, обеспечивающий увеличение и уменьшение производительности на ID- 15%. По формуле (1) рассчитывают значения ВРП вентиляторов в натуральных величинах для каждого опыта исходной серии.

В шахтной вентиляционной сети (ШВС) выделяют потребители свежего воздуха, в качестве которых могут быть горизонты, крылья шахтного поля, блоки, отдельные забои, камеры, выработки и т.п. Согласно дей- ствующим нормативам определяют расчетный расход воздуха для их проветривания (qip). В горных выработках намечают пункты замера (ПЗ) расхода воздуха. Общее число потребителей и ПЗ принимают исходя из необходимости получения достоверной информации о воздухораспределении в

ШВС. Составляют план-график проведения серии исходных опытов многофакторного эксперимента.

При фактических режимах работы вентиляторов и при реализации исходных опытов измеряют расходы поступающего к потребителям воздуха и затрачиваемую, на проветривание мощность.

По формуле (2) вычисляют для каждого режима значение обобщенного критерия оценки функционирования вентиляционной системы ( Ф ). Определяют по формулам (3) и (4) коэффициенты влияния каждого вентилятора (bj) на обобщенный критерий и значения ВРП вентиляторов для дополнительных опытов Xjm. Расчет ВРП вентиляторов для дополнительных опытов ведут до тех пор, пока значения одного из них достигнет своей предельной величины. Составляют план-график проведения дополнительных опытов и при их реализации измеряют расходы воздуха потребителей qim и потребляемую вентиляторами мощность Njm. По полученным данным в дополнительных опытах рассчитывают значения обобщенного критерия Фт. Принимают за искомый оптимальный тот режим в котором значение обобщенного критерия достигает минимальной величины.

Для сопоставительного анализа фактического режима работы вентиляторов с режимами дополнительных опытов (в том числе и с оптимальным) определяют отклонение расхода воздуха потребителей от расчетного

Aq, qi-qip

(5)

находят суммарный избыток и недостаток воздуха, поступающего к потребителям, а также разницу потребляемой вентиляторами мощности ДМт для этих режимов

v

Ni,

v 2Nj

j 1

(6)

Пример. Вентиляционная система шахты проветривается двумя центробежными вентиляторами с регулируемыми направляющими аппаратами. При фактическом режиме работы вентиляторов угол установки лопаток направляющего аппарата первого вентилятора Xi 0°, а второго Х2 10°. Потребляемая на проветривание мощность соответственно составила Ni 1264 кВт и N2 972 кВт. По составила Ni 1264 кВт и N2 972 кВт. По совмещенным аэродинамическим характеристикам вентиляторов в качестве основных уровней ВРП выбраны

углы установки лопаток направляющих аппаратов равн ые Xiso 7,5° и Х2,о 10°, а шаг их изменения принят для первого вентилятора AXi 7,5° и для второго АХ2 10°. В

данном случае при увеличении или уменьшении углов установки лопаток направляющих аппаратов, производительность вентиляторов изменяется примерно на 10%.

Для рассматриваемой вентиляционной системы с двумя регулируемыми вентиляторами план многофакторного эксперимента состоит из четырех опытов. Значения ВРП вентиляторов в этих опытах определены по

выражению (1). План-график проведения исходной серии опытов представлен в табл. 3. Для оценки эффективности проветривания горных работ в шахте определено 9 потребителей, для которых рассчитаны

расходы воздуха qip, а в выработках вентиляционной сети намечено 11 пунктов его контроля (к двум потребителем воздух поступает по двум выработкам).

При фактическом режиме работы вентиляторов измерены расходы поступающего к потребителям воздуха qi и затрачиваемая вентиляторами мощность NJ. Затем в соответствии с планом-графиком (табл. 3) реализована исходная серия опытов.

По результатам измерений расходов воздуха и затрачиваемой на проветривание мощности, по формуле (2) вычислены значения обобщенного критерия оценки вентиляционной системы Фк. Пример расчета

критерия обеспеченности потребителей воздухом Јqk для первого опыта (k 1.1) представлен в табл. 4.

Потребляемая вентиляторами мощность в первом опыте составила Ni,i.i 818

кВт и N2,1.1 680 кВт. Тогда значение критерия, учитывающего изменение потребляемой вентиляторами мощности, (первое слагаемое в выражении (2) составит

Фм,1.1 (818+680)7(1264+972) 0,67,

а значение обобщенного критерия для первого опыта будет равно

Фи. 0,67+(1/9) 21,28 3,03. По результатам остальных опытов были получены следующие значения обобщенных критериев: ,2 3,17; Фи 3,38; Фг4 3,40.

Используя полученные значения обобщенного критерия, по формуле (3) вычислены коэффициенты влияния вентиляторов на

обобщенный критерий, Для нашего примера Bi -0,04, а В2 -0,145. Затем по выражению (4) рассчитаны значения ВРП вентиляторов для дополнительной серии опытов поиска оптимального режима их совместной работы, План-график реализации дополнительных опытов представлен в табл. 5.

По результатам измерения расходов воздуха поступающего к потребителям и затрачиваемой на проветривание мощности в опытах, вычисляют: значения обобщенного критерия ( Фт), суммарное количество воздуха потребителей (), избыток и недостаток воздуха ( ZAqim), потребляемую вентиляторами мощность (2Kijm). Для выбора оптимального режима совместной работы шахтных вентиляторов в табл. б представлены показатели функционирования вентиляционной системы в дополнительных опытах и при фактических режимах их работы.

Рассмотрев данные в табл. 6 видим, что значение обобщенного критерия достигает минимальной величины в опыте 4, который

и является оптимальным для данной вентиляционной системы, несмотря на то, что в опыте 6 затраты мощности еще меньше. Это объясняется тем, что в опыте 4 достигается

наилучшее проветривание потребителей, так как количество недостающего воздуха при этом режиме проветривания минимально, а в последующих опытах недостаток свежего воздуха начинает увеличиваться.

Таким образом, в оптимальном режиме общий расход воздуха, поступающего к потребителям уменьшился на 10 м /с, улучшилось воздухоснабжение необеспеченных

потребителей на 9 м3/с, а затрачиваемая на проветривание мощность снизилась на 347 кВт. Реализация оптимального режима работы шахтных вентиляторов позволит улучшить проветривание потребителей.

Использование: при проветривании шахт и рудников несколькими вентиляторами. Сущность изобретения: изменяют производительность вентиляторов в большую или меньшую стороны на шаг, равный ID- 15% от расчетной, измеряют расход воздуховода в шахте при установившемся режиме проветривания, определяют расчетные значения регулируемых параметров, измеряя ют расходы воздуха, поступающего к потребителям, и затрачиваемую мощность, вычисляют значения обобщенного критерия оценки функционирования вентиляционной системы, коэффициенты влияния каждого вентилятора на обобщенный критерий, вычисляют значения входных регулируемых параметров вентиляторов для дополнительных опытов, проводят серию дополнительных опытов, изменяя режимы работы вентиляторов и устанавливая их входные регулируемые параметры в найденные положения, измеряют расходы воздуха и потребляемую мощность, вычисляют значения обобщенного критерия для дополнительных опытов и выбирают режим, соответствующий наименьшему значению обобщенного критерия из серии дополнительных опытов. 6 табл. СО С

Формула изобретения Способ определения оптимальных режимов совместной работы шахтных вентиляторов, включающий изменение производи- тельности вентиляторов в большую и меньшую стороны на шаг, равный 10-15% от расчетной, путем изменения их входных регулируемых параметров, измерение расходов воздуха в шахте при установившемся режиме проветри- вания и определение расчетных значений входных регулируемых параметров, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности проветривания шахтных потребителей воздуха в нормальном режиме проветривания за счет выбора оптимального режима совместной работы всех шахтных вентиляторов, измеряют потребляемую вентиляторами мощность при фактической их производительности, при увеличении и уменьшении производительности вентиляторов, измеряют расходы воздуха, поступающего к потребителям и затрачиваемую на проветривание мощность, по полученным данным вычисляют значения обобщенного критерия оценки функ- ционирования вентиляционной системы в этих режимах

v 1 - + ( 2 NJk )/

J 1

( I Nj) + (1/n) Ј(qik/qlp)- j 1i 1

-j j Q0,5 1-sign (qik-qip)

где k - порядковый номер режима (опыта);

критерий, учитывающий изменение потребляемой на проветривание мощности;

( - критерий обеспеченности потребителей воздухом;

п - число потребителей воздуха;

i - порядковый номер потребителя;

qip - расчетный расход воздуха i-ro потребителя, м /с;

qik - фактический расход воздуха i-ro потребителя в k-ом опыте; м/с;

С- коэффициент чувствительности критерия (приоритетности) на обеспеченность потребителей воздухом;

j - порядковый номер вентилятора;

V- общее число регулируемых вентиляторов;

NJ - мощность j-ro вентилятора при фактическом режиме его работы (до начала опытов), кВт;

Njk - мощность j-ro вентилятора в k-ом опыте, кВт;

коэффициенты влияния каждого вентилятора на обобщенный критерий

2 xJk f k 1

где г- число опытов в исходной серии;

k - порядковый номер опыта в исходной серии (k 1.1, 1.2,..., l.f);

xjk - кодированные значения входных регулируемых параметров вентиляторов;

ф - значение обобщенного критерия в k-м опыте,

вычисляют значения входных регулируемых параметров вентиляторов для дополнительных опытов

Xjm Xjo - (m-1) AXjbj/ I Ьмакс I

где Xjo - значения входных регулируемых параметров вентиляторов в натуральных величинах в исходном режиме;

m - порядковый номер режима в дополнительных опытах (т 2.1, 2.2,...,);

Планы многофакторных экспериментов для двух и трех регулируемых вентиляторов

Планы многофакторных экспериментов при количестве регулируемых вентиляторов от четырех до семи

0

5

Ьмакс - максимальное значение коэффициента bi из рассчитанных для всех вентиляторов,

проводят серию дополнительных опытов, при этом, изменяют режимы работы вентиляторов, устанавливая их входные регулируемые параметры в найденные положения, измеряют расходы воздуха и потребляемую вентиляторами мощность, вычисляют значения обобщенного критерия для дополнительных опытов и выбирают режим работы вентиляторов, соответствующий наименьшему значению обобщенного критерия из серии дополнительных опытов.

Таблица 1

Таблица 2

План-график проведения исходных опытов

Расчет критерия

План-график проведения дополнительных опытов

Таблица 3

Таблица 4

Таблица 5

Результаты дополнительных опытов

Таблица 6