基于能量守恒的全矿风阻在线实时修正方法及系统

技术领域

本发明涉及矿井通风风阻技术领域，尤其涉及一种基于能量守恒的全矿风阻在线实时修正方法及系统。

背景技术

矿井通风网络风阻的实时动态获取方法是矿井智能通风系统建设核心技术难点之一。目前，矿井通风网络解算只能基于人工实测的巷道风阻进行模拟计算，其风量分配计算结果通常与井下实际分风情况存在较大差别，难以满足矿井智能通风系统动态预警与按需调风的需求。传统的固定风量解算法将风量监测巷道转化为定流巷道，尽管可以提高风量分配计算结果与井下实际分风情况的吻合度，但该方法掩盖了矿井通风网络真实的风阻分布情况，可能导致无法计算可靠的通风调控方案。

发明内容

(一)要解决的技术问题

基于上述问题，本发明提供一种基于能量守恒的全矿风阻在线实时修正方法及系统，解决现有矿井智能通风系统基于静态网络计算的风阻与井下实际分风情况存在较大差别，或无法展现通风网络真实的风阻分布情况，从而影响矿井智能通风系统的动态预警与通风调控方案的准确性的问题。

(二)技术方案

基于上述的技术问题，本发明提供一种基于能量守恒的全矿风阻在线实时修正方法，包括：

本发明也公开了一种基于能量守恒的全矿风阻在线实时修正系统，包括：

S1、建立初始状态的三维矿井通风网络模型，建设风机在线监测系统，实时监测井下风机运行工况数据，所述风机运行工况数据包括风机运行的工况风量和工况风压；

S2、根据全矿通风总损失功率或全矿通风总供能功率计算全矿通风总功率，根据所述全矿通风总功率计算全矿总风阻；

S3、在更新时间段内风机平均工况风量或平均工况风压超过设定值时，获取风机运行工况数据；

S4、根据所述风机运行工况数据，通过计算实测全矿通风总供能功率计算实测全矿总风阻；

S5、基于所述三维矿井通风网络模型进行多次迭代修正：在所述三维矿井通风网络模型中不断修改巷道修正风阻值，计算每次迭代修正后的全矿总风阻，直到所述迭代修正后的全矿总风阻与所述实测全矿总风阻之间的差值在给定的误差之内，根据停止迭代的所述巷道修正风阻值计算每条巷道修正后的风阻；

S6、根据所述迭代修正后的全矿总风阻和每条巷道修正后的风阻进行动态预警和通风调控。

进一步的，所述步骤S2中，包括：

S21A、计算全矿通风总损失功率，进入步骤S22；

P

S22、根据所述全矿通风总损失功率计算全矿通风总功率：

P

式中，P

进一步的，所述步骤S2中，包括：

S21B、根据风机输出功率计算全矿通风总供能功率，进入步骤S22；

S22、根据所述全矿通风总供能功率计算全矿通风总功率：

P

式中，P

进一步的，步骤S2中，还包括：

S23、根据所述全矿通风总功率计算全矿总风阻：

式中，N

进一步的，步骤S4中，所述实测全矿总风阻计算公式为：

式中，R

进一步的，步骤S5中，所述每条巷道修正后的风阻为：

R′

式中，R

进一步的，步骤S5中，任意一次迭代的所述巷道修正风阻值的计算公式为：

在第k-1次迭代修正后，由三维矿井通风网络模型根据迭代修正后的全矿总风阻的计算步骤重新计算；

初次迭代时满足以下条件：

式中，

进一步的，步骤S5中，所述迭代修正后的全矿总风阻的计算方法包括：在所述三维矿井通风网络模型中修改巷道修正风阻值后，计算每次迭代修正后的全矿通风总损失功率，根据所述迭代修正后的全矿通风总功率计算迭代修正后的全矿总风阻。

至少一个处理器；以及与所述处理器通信连接的至少一个存储器，其中：

所述存储器存储有可被所述处理器执行的程序指令，所述处理器调用所述程序指令能够执行所述的方法。

本发明也公开了一种非暂态计算机可读存储介质，所述非暂态计算机可读存储介质存储计算机指令，所述计算机指令使所述计算机执行所述的方法。

(三)有益效果

本发明的上述技术方案具有如下优点：

(1)本发明以矿井智能通风系统建设的风机在线监测系统风机工况实时监测数据为基础，通过能量守恒原理对全矿总风阻进行实时动态修正：先计算正常情况下的全矿总风阻，再根据风机在线监测系统监测的异常情况的风机工况数据来计算实测全矿总风阻，再通过基于能量守恒的多次迭代修正，使得迭代修正后的全矿总风阻与所述实测全矿总风阻之间的差值在给定的误差之内，得到迭代修正后的全矿修正总风阻和每条巷道修正后的风阻，实现实时动态修正，并实时地反映矿井通风系统的风阻分布情况，使得修正结果更加准确，与实际分风情况更相符，更加准确地模拟矿井通风系统的性能，为通风系统的动态预警和优化调控提供更加准确的数据支持，提高矿井通风系统的安全性和经济性；

(2)本发明以风机在线监测系统风机工况实时监测数据为基础，因此其修正结果的可靠性取决于风机工况实测数据的准确性，通过提高风机在线监测系统的精度和稳定性，能进一步提高全矿总风阻动态修正结果的可靠性。

附图说明

通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：

图1为本发明实施例的基于能量守恒的全矿风阻在线实时修正方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

本发明实施例的一种基于能量守恒的全矿风阻在线实时修正方法，如图1所示，包括以下步骤：

S1、建立初始状态的三维矿井通风网络模型，建设风机在线监测系统，实时监测井下风机运行工况，所述风机运行工况数据包括风机运行的工况风量和工况风压；

S11、建立初始状态的三维矿井通风网络模型；

在稳定的全矿通风系统初始状态下，通过巷道风阻测定方法和阻力平差计算方法确定所有通风巷道的基础参数，以建立反映井下实际通风情况的初始状态三维矿井通风网络模型。

S12、建设风机在线监测系统，实时监测井下风机运行工况，所述风机运行工况数据包括风机运行的工况风量和工况风压；

建设风机在线监测系统，实时动态获取风机在线监测系统风机工况实时监测数据(包括风机运行的工况风量和工况风压)，以作为全矿通风总功率计算和全矿通风总风阻计算的依据。

S2、根据全矿通风总损失功率或全矿通风总供能功率计算全矿通风总功率，根据所述全矿通风总功率计算全矿总风阻；

基于能量守恒的全矿通风阻力动态修正方法的关键在于准确计算全矿通风总功率，并在全矿通风总功率的基础上确定全矿通风总风阻。在修正前，全矿通风总损失功率有两种计算方法，分别是根据全矿通风总损失功率计算全矿总风阻，或根据全矿通风总供能功率计算全矿通风总功率。

S21A、计算全矿通风总损失功率，进入步骤S22；

所述全矿通风总损失功率包括总摩擦损失功率、总局部损失功率、总调节损失功率和出口动压损失功率；

单条巷道风阻的构成包括巷道摩擦风阻、巷道局部风阻和巷道调节风阻。

R

式中，R

全矿通风总损失功率包括总摩擦损失功率、总局部损失功率、总调节损失功率和出口动压损失功率，计算方式如下

P

式中，P

其中，总摩擦损失功率计算：

式中，Q

总局部损失功率计算：

式中，h

总调节损失功率计算：

式中，h

出口动压损失功率计算：

式中，N

S21B、根据风机输出功率计算全矿通风总供能功率，进入步骤S22；

在不考虑自然风压等其他能耗的情况下，全矿通风总供能功率可以根据风机输出功率来计算。在这种情况下，全矿通风总供能功率可按下式计算：

式中，P

在风流稳态流动且风网不变的情况下，理论上基于风机在线监测系统实测的风机工况点与基于通风网络解算模拟的风机工况点是一致的。

S22、根据所述全矿通风总损失功率或全矿通风总供能功率计算全矿通风总功率；

基于以上分析，全矿通风总功率计算如下

P

式中，P

修正前，可以根据全矿通风总损失功率来计算全矿通风总功率，也可以根据全矿通风总供能功率来计算全矿通风总功率；考虑到工况异常时，根据风机在线监测系统监测的风机工况数据，应根据全矿通风总供能功率来计算异常情况下的实测全矿通风总功率；考虑到要根据风机在线监测系统监测的风机工况数据来更新修正全矿总风阻，应根据全矿通风总损失功率来计算修正的全矿通风总功率。

S23、根据所述全矿通风总功率计算全矿总风阻；

全矿通风总功率可以由全矿等效总风阻的表示方式来计算：

式中，h

全矿总风量计算按以下方式计算：

式中，N

当缺少所有地面进出风巷道的实测风量数据时，可以采用基于通风网络解算模拟的风量来近似估计全矿总风量。

在确定了全矿总风量的基础上，全矿总风阻可以按以下方式计算：

式中，R

S3、当更新时间段内风机平均工况风量或平均工况风压超过设定值时，获取风机运行工况数据；

设定风机运行工况更新时间段、更新数值大小，当更新时间段内风机工况风量或风机工况风压波动超过设定的参考数值时，风阻修正系统不执行计算过程。在风机稳定运行的情况下，当更新时间段内风机平均工况风量或平均工况风压超过设定的更新数值时，获取风机运行工况数据用于修正全矿通风阻力；否则，无需获取风机运行工况数据进行修正。

然后，基于能量守恒定律，根据所述风机运行工况数据实时动态修正全矿通风阻力数据；基于能量守恒的原理，通风系统中风流的压能差、位能差和动能差之和等于风流克服阻力所损失的能量。因此，我们可以通过能量守恒定律来推算矿井通风系统的全矿总风阻，并在全矿总风阻计算的基础上动态修正巷道风阻。

S4、根据所述风机运行工况数据，通过计算实测全矿通风总供能功率计算实测全矿总风阻；

在理论情况下，基于通风网络解算模拟风机运行工况计算得到的总风机输出功率应与风机在线监测系统计算得到的总风机输出功率相等。然而由于测量误差等原因通风系统的实测风阻与实际情况存在一定偏差，需要根据风机在线监测系统监测的风机工况来更新全矿风阻。

以风机在线监测系统实测的风机工况数据为基础，实测总风机输出功率按以下方式计算：

式中，P

以风机在线监测系统实测的风机工况数据为基础，实测全矿总风阻按以下方式计算：

式中，R

步骤S4中，根据所述风机运行工况数据，通过计算实测全矿通风总供能功率计算实测全矿总风阻的方法，与步骤S21B、S22、S23的计算全矿总风阻的方法相同，只是步骤S4是根据步骤S3更新时间段内风机平均工况风量或平均工况风压超过设定值时获取的风机运行工况数据计算，而步骤S21B、S22、S23是根据更新时间段内风机平均工况风量和平均工况风压未超过设定值时获取的风机运行工况数据计算。

S5、基于所述三维矿井通风网络模型进行多次迭代修正：在所述三维矿井通风网络模型中不断修改巷道修正风阻值，计算每次迭代修正后的全矿总风阻，直到所述迭代修正后的全矿总风阻与所述实测全矿总风阻之间的差值在给定的误差之内，根据停止迭代的所述巷道修正风阻值计算每条巷道修正后的风阻；

由于静态的通风网络并未反映井下风流，为了尽量不改变通风网络解算的分风逻辑，本发明通过引入修正风阻的方法来动态更新全矿通风阻力。

在这种情况下，单条巷道风阻除了巷道摩擦风阻、巷道局部风阻和巷道调节风阻之外，还应考虑巷道修正风阻。巷道修正风阻默认值为零。

R′

式中，R′

其中，巷道修正风阻采用多次迭代法进行计算：在所述三维矿井通风网络模型中不断修改巷道修正风阻值

由于根据所述全矿总风阻和实测全矿总风阻计算全矿修正总风阻：

式中，R′

则其中，任意一次迭代的巷道修正风阻值根据上一次迭代修正后的巷道修正风阻值、上一次迭代修正后的全矿总风阻和实测总分风阻计算得到，计算公式为：

式中，

满足以下关系：

需要在第k-1次迭代后通过网络解算和三维矿井通风网络模型根据迭代修正后的全矿总风阻的计算步骤来重新计算。

任意一次迭代的所述迭代修正后的全矿总风阻

初次迭代时满足以下条件：

S6、根据所述迭代修正后的全矿修正总风阻和每条巷道修正后的风阻进行动态预警和通风调控。

迭代修正后的全矿修正总风阻和每条巷道修正后的风阻均为停止迭代时的计算值

需要注意的是，该方法的应用效果与模拟的通风网络基础数据与通风系统初始状态的一致性密切相关。如果通风网络基础数据与通风系统初始状态存在较大偏差，全矿通风阻力动态修正方法修正的结果在部分区域可能仍然与实际通风系统存在较大偏差。因此，在使用该方法时，需要尽可能保证模拟的通风网络基础数据与通风系统初始状态的一致性，以提高修正结果的准确性。

最后需要说明的是，上述的修正方法可以转换为软件程序指令，既可以使用包括处理器和存储器的修正系统来运行实现，也可以通过非暂态计算机可读存储介质中存储的计算机指令来实现。上述以软件功能单元的形式实现的集成的单元，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。上述软件功能单元存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)或处理器(processor)执行本发明各个实施例所述方法的部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(Read-Only Memory，ROM)、随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

综上可知，通过上述的一种基于能量守恒的全矿风阻在线实时修正方法及系统，具有以下有益效果：

(1)本发明以矿井智能通风系统建设的风机在线监测系统风机工况实时监测数据为基础，通过能量守恒原理对全矿总风阻进行实时动态修正：先计算正常情况下的全矿总风阻，再根据风机在线监测系统监测的异常情况的风机工况数据来计算实测全矿总风阻，再通过基于能量守恒的多次迭代修正，使得迭代修正后的全矿总风阻与所述实测全矿总风阻之间的差值在给定的误差之内，得到迭代修正后的全矿修正总风阻和每条巷道修正后的风阻，实现实时动态修正，并实时地反映矿井通风系统的风阻分布情况，使得修正结果更加准确，与实际分风情况更相符，更加准确地模拟矿井通风系统的性能，为通风系统的动态预警和优化调控提供更加准确的数据支持，提高矿井通风系统的安全性和经济性；

(2)本发明以风机在线监测系统风机工况实时监测数据为基础，因此其修正结果的可靠性取决于风机工况实测数据的准确性，通过提高风机在线监测系统的精度和稳定性，能进一步提高全矿总风阻动态修正结果的可靠性。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。