一種礦井通風(fēng)系統(tǒng)的聯(lián)合優(yōu)調(diào)優(yōu)控方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于礦井通風(fēng)自動(dòng)化控制技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種礦井通風(fēng)系統(tǒng)的聯(lián)合優(yōu) 調(diào)優(yōu)控方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 礦井通風(fēng)的核心任務(wù)是保證井下各用風(fēng)地點(diǎn)按時(shí)按需供風(fēng)，從而確保礦井安全、 高效和綠色的開(kāi)采。由于井下通風(fēng)系統(tǒng)錯(cuò)綜復(fù)雜，從環(huán)境監(jiān)測(cè)、需風(fēng)量計(jì)算到系統(tǒng)調(diào)節(jié)是一 個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，只靠人工分析調(diào)節(jié)或局部自動(dòng)調(diào)節(jié)難以滿足井下安全生產(chǎn)和節(jié)能的需 要，因此，實(shí)現(xiàn)礦井通風(fēng)全局最優(yōu)調(diào)節(jié)方案的自動(dòng)計(jì)算是實(shí)現(xiàn)礦井通風(fēng)自動(dòng)化必須解決的 技術(shù)難題。
[0003] 雖然人們對(duì)礦井通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)節(jié)問(wèn)題進(jìn)行了大量研宄，提出單風(fēng)道卷簾門(mén)壓差 調(diào)節(jié)法、固定風(fēng)量風(fēng)道調(diào)節(jié)法、最大通風(fēng)調(diào)節(jié)法、線性規(guī)劃調(diào)節(jié)法和非線性規(guī)劃調(diào)節(jié)法等， 但上述調(diào)節(jié)方法均沒(méi)有從本質(zhì)上解決礦井通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)節(jié)問(wèn)題的可行性、經(jīng)濟(jì)性和全局 性問(wèn)題。原因如下：
[0004] (1)對(duì)于單風(fēng)道卷簾門(mén)壓差調(diào)節(jié)法，主要通過(guò)調(diào)節(jié)本風(fēng)道卷簾門(mén)的開(kāi)啟高度，進(jìn)而 使通過(guò)本風(fēng)道的風(fēng)量達(dá)到目標(biāo)風(fēng)量要求。然而，對(duì)于流體管網(wǎng)來(lái)說(shuō)，在原理上是行不通的。 理由為：由于整個(gè)風(fēng)網(wǎng)需要滿足風(fēng)量平衡定律，因此，各風(fēng)道相互制約。例如，在最簡(jiǎn)單的情 況下，對(duì)于并聯(lián)的風(fēng)道A和風(fēng)道B，如果需要使通過(guò)風(fēng)道B的風(fēng)量達(dá)到最大，不僅需要將風(fēng)道 B的卷簾門(mén)開(kāi)啟到最大，還需要將風(fēng)道A的卷簾門(mén)關(guān)閉到最小。可見(jiàn)，單獨(dú)調(diào)節(jié)風(fēng)道B本身， 不可能使其通過(guò)的風(fēng)量達(dá)到目標(biāo)風(fēng)量；另外，調(diào)節(jié)風(fēng)道B時(shí)同樣也影響到其它風(fēng)道風(fēng)量，使 整個(gè)系統(tǒng)處于混亂狀態(tài)。
[0005] (2)對(duì)于固定風(fēng)量解算法，由于不能進(jìn)行調(diào)節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)移，很容易求出不可行方案， 甚至出現(xiàn)風(fēng)阻為負(fù)數(shù)的情況。
[0006] (3)對(duì)于最大阻力通路調(diào)節(jié)法，本身不具有經(jīng)濟(jì)性，而且，由于各風(fēng)道風(fēng)阻和各用 風(fēng)點(diǎn)需風(fēng)量的時(shí)變性，最大通路是變化的，調(diào)節(jié)點(diǎn)也是變化的，因此，最大阻力通路調(diào)節(jié)法 不可行。
[0007] (4)對(duì)于線性規(guī)劃調(diào)節(jié)法，由于對(duì)礦井通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)節(jié)問(wèn)題進(jìn)行了過(guò)度簡(jiǎn)化，因 此，計(jì)算結(jié)果常常不符合實(shí)際。
[0008] (5)對(duì)于現(xiàn)有的非線性規(guī)劃調(diào)節(jié)法，采用首先優(yōu)化系統(tǒng)，再調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)的兩階段法， 由于沒(méi)有考慮系統(tǒng)和風(fēng)機(jī)的聯(lián)合優(yōu)化，因此，無(wú)法獲得全局最優(yōu)的方案，更不適用于災(zāi)變時(shí) 期的實(shí)時(shí)均壓要求。
[0009] 由此可見(jiàn)，現(xiàn)有的各類(lèi)礦井通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)節(jié)方案，均沒(méi)有從本質(zhì)上實(shí)現(xiàn)礦井通 風(fēng)系統(tǒng)的全局優(yōu)調(diào)優(yōu)控，無(wú)法滿足礦井正常時(shí)期和災(zāi)變時(shí)期供風(fēng)需要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，本發(fā)明提供一種礦井通風(fēng)系統(tǒng)的聯(lián)合優(yōu)調(diào)優(yōu)控方法， 可有效解決上述問(wèn)題。
[0011] 本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：
[0012] 本發(fā)明提供一種礦井通風(fēng)系統(tǒng)的聯(lián)合優(yōu)調(diào)優(yōu)控方法，包括以下步驟：
[0013] 步驟1，根據(jù)礦井通風(fēng)系統(tǒng)調(diào)控目的，將風(fēng)道劃分為四類(lèi)，分別為I類(lèi)風(fēng)道、II類(lèi)風(fēng) 道、III類(lèi)風(fēng)道和IV類(lèi)風(fēng)道；其中，I類(lèi)風(fēng)道、II類(lèi)風(fēng)道和III類(lèi)風(fēng)道為控制風(fēng)道；IV類(lèi)風(fēng)道為 非控制風(fēng)道；具體的，I類(lèi)風(fēng)道為風(fēng)機(jī)所在風(fēng)道；II類(lèi)風(fēng)道為需風(fēng)風(fēng)道；III類(lèi)風(fēng)道為安裝有 風(fēng)阻調(diào)節(jié)裝置的調(diào)節(jié)風(fēng)道；
[0014] 然后，建立完整的礦井通風(fēng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖并編號(hào)，形成用于優(yōu)化調(diào)控計(jì)算 的通風(fēng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖；
[0015] 步驟2,設(shè)所述通風(fēng)系統(tǒng)共有η條風(fēng)道，m個(gè)獨(dú)立回路；則對(duì)所述通風(fēng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖 的η條風(fēng)道由1開(kāi)始進(jìn)行編號(hào)，由此得到m行η列的基本回路矩陣；其中，bkj為 獨(dú)立回路矩陣系數(shù)；
[0016] 此處，令E代表所有風(fēng)道的集合；令I(lǐng)代表獨(dú)立回路對(duì)應(yīng)的風(fēng)道集；令E1代表1類(lèi) 風(fēng)道的集合；令E2代表1I類(lèi)風(fēng)道的集合；令E 3代表1II類(lèi)風(fēng)道的集合；
[0017] 步驟3,對(duì)于III類(lèi)風(fēng)道集合^中的任意一個(gè)調(diào)節(jié)風(fēng)道，記為調(diào)節(jié)風(fēng)道j，將調(diào)節(jié)風(fēng) 道j的總風(fēng)阻&分解為：
[0018] Rj = Rj0 + R1-0 + R1;
[0019] 其中：
[0020] -調(diào)節(jié)風(fēng)道j的基礎(chǔ)風(fēng)阻，為已知值；
[0021] Wf5-調(diào)節(jié)風(fēng)道j的風(fēng)阻調(diào)節(jié)裝置不可開(kāi)啟部分產(chǎn)生的局部固定風(fēng)阻，為已知值；
[0022] < -調(diào)節(jié)風(fēng)道j的風(fēng)阻調(diào)節(jié)裝置可開(kāi)啟部分產(chǎn)生的風(fēng)阻增量，為控制參數(shù)；
[0023] 步驟4,對(duì)每一臺(tái)可調(diào)節(jié)的風(fēng)機(jī)i，建立以下三個(gè)風(fēng)機(jī)多參數(shù)性能曲線：
[0024] 1)風(fēng)壓_(葉片角度，轉(zhuǎn)速，風(fēng)量）曲線：
[0025] hf = h； (/7,.,Oi,qt) = An(^.)qf + HiBh(O^qi + Tt1iCh(Θ-)
[0026] 其中：
[0027] A,7-風(fēng)機(jī)i的風(fēng)壓；
[0028] Iii一風(fēng)機(jī)i的轉(zhuǎn)速；
[0029] qi-風(fēng)機(jī)i的風(fēng)量；
[0030] Θ i-風(fēng)機(jī)i的動(dòng)葉角度；
[0031] Ah，Bh和Ch-風(fēng)機(jī)i的轉(zhuǎn)速為1時(shí)，風(fēng)機(jī)i的風(fēng)壓-風(fēng)量特性曲線系數(shù)；
[0032] 2)效率_(葉片角度，轉(zhuǎn)速，風(fēng)量）曲線
[0033]
[0034] 其中，？7/-風(fēng)機(jī)i的效率
[0035] 3)功率_(葉片角度，轉(zhuǎn)速，風(fēng)量）曲線
[0036] q,h； {η?,θ,^：)Ι η： {n：,Oi^qi)
[0037] 其中，Pi (叫，Θ i，qi)-風(fēng)機(jī)i的功率；
[0038] C/-風(fēng)機(jī)i的功率系數(shù)，與量剛有關(guān)；
[0039] 對(duì)于上述三個(gè)風(fēng)機(jī)多參數(shù)性能曲線：
[0040] 當(dāng)安裝的風(fēng)機(jī)為變頻調(diào)速風(fēng)機(jī)，即：僅具有調(diào)速功能、不具有動(dòng)葉角度調(diào)節(jié)功能 時(shí)，風(fēng)機(jī)i的動(dòng)葉角度Θ i為固定常數(shù)值，轉(zhuǎn)速n 變量；
[0041] 當(dāng)安裝的風(fēng)機(jī)為僅具有動(dòng)葉角度調(diào)節(jié)功能、不具有調(diào)速功能時(shí)，風(fēng)機(jī)i的轉(zhuǎn)速I(mǎi)ii為固定常數(shù)值、風(fēng)機(jī)i的動(dòng)葉角度Θ 變量；
[0042] 當(dāng)安裝的風(fēng)機(jī)同時(shí)具有動(dòng)葉角度調(diào)節(jié)功能和調(diào)速功能時(shí)，風(fēng)機(jī)i的動(dòng)葉角度Θ i 和風(fēng)機(jī)i的轉(zhuǎn)速I(mǎi)ii均為變量；
[0043] 此處需要強(qiáng)調(diào)的是，本發(fā)明所建立的三個(gè)風(fēng)機(jī)多參數(shù)性能曲線，與現(xiàn)有技術(shù)中已 有的風(fēng)機(jī)性能曲線具有顯著區(qū)別。
[0044] 現(xiàn)有技術(shù)中，以風(fēng)機(jī)風(fēng)壓性能曲線為例，其僅為風(fēng)壓和風(fēng)量的曲線關(guān)系，也就是 說(shuō)，現(xiàn)有的風(fēng)機(jī)風(fēng)壓性能曲線，僅有兩個(gè)變量，即：風(fēng)壓和風(fēng)量，具有風(fēng)機(jī)可調(diào)參數(shù)少、風(fēng)機(jī) 調(diào)節(jié)性能有限的不足。而本發(fā)明人經(jīng)常大量試驗(yàn)和理論推導(dǎo)，發(fā)現(xiàn)了影響風(fēng)機(jī)風(fēng)壓和風(fēng)量 關(guān)系的其他參數(shù)及表現(xiàn)形式，即：葉片角度和轉(zhuǎn)速，從而建立了具有多個(gè)可調(diào)參數(shù)的風(fēng)機(jī)多 參數(shù)性能曲線，從而提尚風(fēng)機(jī)性能調(diào)節(jié)范圍和精度。
[0047] 約束條件為：
[0045] 步驟5,在步驟1、2、3、4的基礎(chǔ)上，建立如下的風(fēng)機(jī)-系統(tǒng)聯(lián)合調(diào)節(jié)非線性規(guī)劃模 型：
[0046]
[0048]
[0049] 其中：
[0050] F-目標(biāo)函數(shù)；以控制時(shí)期整個(gè)通風(fēng)系統(tǒng)動(dòng)力消耗最小、各需風(fēng)風(fēng)道的需風(fēng)量與調(diào) 節(jié)風(fēng)量差平方和最小為目標(biāo)；
[0051] M-懲罰因子；
[0052] q〇i 一風(fēng)道i的需風(fēng)量；
[0053] Yk-由基本回路的風(fēng)壓平衡方程推導(dǎo)出來(lái)的右側(cè)常數(shù)項(xiàng)，通常為0 ;
[0054] bkj-獨(dú)立回路矩陣系數(shù)；
[0055] 〇」一風(fēng)道j中風(fēng)流的流態(tài)指數(shù)；
[0056] ht (j) -風(fēng)道j的自然風(fēng)壓；
[0057] yf風(fēng)道j的風(fēng)阻調(diào)節(jié)增量，與 < 含義相同，此處代表未知控制量；
[0058] y/-風(fēng)道j的風(fēng)阻調(diào)節(jié)上限；
[0059] <和0-風(fēng)機(jī)j的動(dòng)葉角度的調(diào)節(jié)下限和上限；
[0060] η/1和η /-風(fēng)機(jī)j轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的下限和上限；
[0061] 在上述風(fēng)機(jī)-系統(tǒng)聯(lián)合調(diào)節(jié)非線性規(guī)劃模型中，各調(diào)節(jié)風(fēng)道的風(fēng)阻調(diào)節(jié)增量y為 控制參數(shù)；調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)的動(dòng)葉角度Θ和/或調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速η為控制參數(shù)，此處，如果風(fēng)機(jī)為變 頻調(diào)速風(fēng)機(jī)，則僅轉(zhuǎn)速η為控制參數(shù)；如果風(fēng)機(jī)為動(dòng)葉角度調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)，則僅動(dòng)葉角度Θ為控 制參數(shù)；如果風(fēng)機(jī)同時(shí)具有動(dòng)葉角度調(diào)節(jié)功能和調(diào)速功能時(shí)，則轉(zhuǎn)速η和動(dòng)葉角度Θ均為 控制參數(shù)；
[0062] 除上述控制參數(shù)之外，其他所有參數(shù)均為已知固定值，通過(guò)求解該非線性規(guī)劃模 型，計(jì)算出通風(fēng)系統(tǒng)的最優(yōu)調(diào)節(jié)方案，即：在最大限度地滿足需風(fēng)要求、并使總功率消耗最 小、各種控制參數(shù)可實(shí)施的情況下，計(jì)算得到各調(diào)節(jié)風(fēng)道的控制參數(shù)，包括：風(fēng)阻調(diào)節(jié)增量 y，還包括，調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)的動(dòng)葉角度Θ和/或調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速η。
[0063] 優(yōu)選的，所述I類(lèi)風(fēng)道為：風(fēng)機(jī)所在風(fēng)井，或者，輔助風(fēng)機(jī)所在增壓風(fēng)道，或者，局 部風(fēng)機(jī)所在的虛擬風(fēng)筒風(fēng)道；
[0064] 所述II類(lèi)風(fēng)道為：回采工作面所在風(fēng)道，或者，采場(chǎng)所在風(fēng)道，或者，掘進(jìn)工作面所 在風(fēng)道，或者，硐室所在風(fēng)道，或者，需要密閉區(qū)所在風(fēng)道，或者，均壓區(qū)所在風(fēng)道；
[0065] 所述III類(lèi)風(fēng)道中所安裝的所述風(fēng)阻調(diào)節(jié)裝置，包括：調(diào)節(jié)風(fēng)門(mén)或調(diào)節(jié)風(fēng)窗。
[0066] 優(yōu)選的，所述調(diào)節(jié)風(fēng)門(mén)為：百葉窗式調(diào)節(jié)風(fēng)門(mén)、推拉式調(diào)節(jié)風(fēng)門(mén)或卷簾門(mén)式調(diào)節(jié)風(fēng) 門(mén)；
[0067] 所述調(diào)節(jié)風(fēng)窗為：百葉窗式調(diào)節(jié)風(fēng)窗、推拉式調(diào)節(jié)風(fēng)窗或卷簾門(mén)式調(diào)節(jié)風(fēng)窗。
[0068] 優(yōu)選的，懲罰因子M取值為108。
[0069] 優(yōu)選的，在步驟5之后，在求解出各調(diào)節(jié)風(fēng)道的風(fēng)阻調(diào)節(jié)增量y之后，還包括： [0070] 步驟6 :針對(duì)調(diào)節(jié)風(fēng)道j安裝的風(fēng)阻調(diào)節(jié)裝置，通過(guò)實(shí)測(cè)建立風(fēng)阻調(diào)節(jié)裝置的開(kāi)啟 面積S/和風(fēng)阻調(diào)節(jié)增量h之間的精確計(jì)算關(guān)系，即：確定下式中的C j:
[0071]
[0072] 其中，&為風(fēng)阻調(diào)節(jié)系數(shù)，為常量；S ^為風(fēng)道斷面面積，對(duì)于每條風(fēng)道，為固定已知 值；
[0073] 步驟7,在確定(^.后，將步驟5計(jì)算得到的風(fēng)阻調(diào)節(jié)增量y』代入上式，計(jì)算得到風(fēng) 阻調(diào)節(jié)裝置的開(kāi)啟面積K的值。
[0074] 本發(fā)明提供的礦井通風(fēng)系統(tǒng)的聯(lián)合優(yōu)調(diào)優(yōu)控方法，具有以下優(yōu)點(diǎn)：
[0075] 本發(fā)明能夠根據(jù)礦井通風(fēng)系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、根據(jù)指定的需風(fēng)風(fēng)道的需風(fēng)要求和系統(tǒng) 可調(diào)參數(shù)，適時(shí)計(jì)算出通風(fēng)系統(tǒng)的最優(yōu)調(diào)節(jié)方案，即：在最大限度地滿足需風(fēng)要求、并使總 功率消耗最小、各種控制參數(shù)可實(shí)施的目標(biāo)下，計(jì)算出風(fēng)機(jī)控制參數(shù)和調(diào)節(jié)風(fēng)道的調(diào)節(jié)參 數(shù)；并發(fā)布調(diào)節(jié)和控制命令完成礦井通風(fēng)系統(tǒng)的在線最優(yōu)調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)和風(fēng)網(wǎng)的聯(lián) 合調(diào)節(jié)，保證礦井通風(fēng)系統(tǒng)的按時(shí)按需低功耗最優(yōu)供風(fēng)。
【附圖說(shuō)明】
[0076] 圖1為本發(fā)明提供的用于優(yōu)化調(diào)控計(jì)算的通風(fēng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖的具體示例圖。
【具體實(shí)施方式】
[0077] 以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明：
[0078] 步驟1，建立完整的礦井通風(fēng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖并編號(hào)，形成用于優(yōu)化調(diào)控計(jì)算 的通風(fēng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖；