基于多项式曲线拟合方程法的矿用风机风压特性曲线的对比研究

成高飞，郭 媛

(1．陕西煤矿安全装备检测中心有限公司，陕西 西安 710001;2．陕西能源职业技术学院，陕西咸阳 712000)

0 引言

煤矿通风的动力来源主要有两类，分别是通风机风压动力与自然风压动力，矿井通风便是合理有效地运用这两种动力的影响因素及其产生特点，从而使矿井通风的运行过程稳定、安全可靠、经济合理。合理选择风机运行的工况点，既是保证矿井安全生产的必要因素之一，也是节能生产、降低经济负担的一个重要因素。文中从机械通风动力的角度出发，通过风机性能曲线拟合风机性能曲线多项式方程，然后根据实际生产需要合理选择通风机电源运行频率、风机叶片角度，从而有效经济地匹配矿井所需的风压、风量。

1 煤矿通风动力特点

煤矿通风的动力来源主要有两类，分别是通风机风压动力与自然风压动力。

图1(a)是一个矿井的简化通风系统图，其中1、5点为矿井的出入口。0～1以及0～5虚线部分可视为地表大气断面无限大、风阻为零的假想风路，由此，矿井通风系统也可视为一个闭合的回路。在夏季，0-1-2段空气柱的温度大于3-4-5段的温度，因平均空气密度较大，因而0-1-2段的重力小于作用在2-3段上的3-4-5段的重力，所以形成了系统的自然风压。自然风压使空气从井口5流入，从1流出。而冬季时则正好相反。但同时需要注意的是由于局部地热等的影响会造成与上述自然风压相反的情况出现，因此应根据矿井具体情况具体测定、具体分析。

自然风压的主要特点是当与机械通风风向一致时，有利于矿井通风，进而实现一定范围内的节能效果;但如果相反，则首先是造成风机工况点提高，进而多消耗电能等。特别注意的是在季节变换后，由于自然风压方向的变化，要实时调整风机工况点，以免矿井风压、风量欠缺，进而造成矿井安全事故的发生。另外自然风压也可作为矿井应急情况下的通风方式选择，一旦矿井主要通风机遭到损坏，或者双回路完全停电时，便可打开防爆门或防爆井盖，利用自然风压进行通风，可在很大程度上解决矿井非常时期的通风问题。

图1(b)是增加了机械通风的矿井的简化通风系统图，机械通风也是矿井通风的主要依赖方式。

图1 矿井通风系统简化图

抽出式通风方式的特点是矿井风压始终呈负压状态，对自然发火矿井防止火灾蔓延、采空区有毒有害气体突然涌出方面比较有利，当工作面等生产位置出现上述情况时，负压通风方式可以保证生产人员较多的大巷、其余掘进巷道等生产位置不受以上危险的影响，或受到的影响相对较小。其次抽出式通风方式对于浅地表矿井，沟壑较多的矿井出现的漏风等情况，便于与地面沟通，实时调整风机风量。

2 风机性能曲线多项式拟合方程

2．1 风压拟合曲线及其拟合次数

主通风机的风压特性曲线在煤矿通风管理方面具有广泛的用途，例如矿井通风网络结算以及确定主要通风机的工况点等。风机工况点，即是风机在某一特定转速和工作风阻条件下的工作参数，文中主要是指风机运行的风压H与风量Q。

已知通风机的特性曲线，假设矿井的自然风压忽略不计，首先使用最小二乘法拟合多项式的方法拟合风机风压特性曲线。

式中:a0、a1、a2、a3为曲线拟合系数。曲线的多项式次数根据计算精度的要求，但同时由于此种拟合产生的方程组是一个病态的方程组，当多项式次数超过4时，方程的病态性严重影响其正确值的求解，因此此处取3。

2．2 合理选取拟合数据与拟合方法

由风机的特性曲线选取风压曲线的拟合点时，应在通风机稳定工作区选择拟合点，即通风机最高运行风压0．9倍的数值点与通风机最低允许效率对应的点，如此可以最大程度地保证通风机实际性能曲线与矿井实际所需风量、风压的吻合。

由式(1)的拟合方程，选择Origin 8．0软件，并借助最小二乘法原理，可以方便求出 a0、a1、a2、a3。

3 某煤矿主扇风压特性曲线方程的拟合

3．1 多项式方程拟合系数的计算

某煤矿选用型号为FBCDZ No．20通风机，运行角度33°，工频运行，通风机特性曲线如图2所示。

图2 FBCDZ No．20通风机性能曲线

根据对拟合点的选择方法，在图2中随机选取7个风压风量拟合点，见表1。对表1所列数据用Origin 8．0进行3次多项式拟合，所得结果见表2、拟合曲线图如图3所示。

表1 风压拟合点数据

表2 拟合系数求解值

图3 风压拟合特性曲线

由表2可以得出风压特性曲线拟合方程为:

同时可以得出其拟合相关系数为0．996 45，说明拟合曲线与数据点的吻合度非常好。

3．2 拟合结果与风机性能测试数据的比对

现场风机性能实测，带通风网络法，叶片角度为33°，风机工频运行，利用风机入口处圆形蝶阀调节工况，共加阻6次，得到7组测试数据，又通过拟合方程(2)拟合风压值，所得各项数值及性能测试与拟合方程对比结果见表3。实测风压与拟合风压结果对比如图4所示。

表3 性能测试实测风压风量与拟合方程拟合风压风量结果对比表

图4 性能实测风压值与拟合风压值对比图

3．3 对比分析

由表3与图4可以看出:

无效区判断:现场结合风机性能测试技术，对风机进行了带网络法性能测试，由实测所得7个风压值可以看出，风机蝶阀关闭越多，实测风压越来越大;而观测第7点风压值较第6点有所下降，结合轴流风机运行特点以及现场实测第7点时风机实际运行振动较大、噪声值较大等特点，判定此点属于轴流风机运行喘振区。而此区域也相当于轴流风机运行的无效区。

误差解释:由实测风压与拟合风压的相对误差数据列可以看出，前6测点的相对误差值均在5%以内，考虑到煤矿生产的实际情况，拟合风压值可以作为实测风压测定的参考对比值。又可以看出第7点相对误差达到了9．09%，这是由于轴流风机运行达到喘振区域后，便不再按照轴流风机运行的一般规律继续运行。而由于此点位于轴流风机运行的无效区，因此虽然可以得出拟合风压值，但已不具备参考性。

4 结论

(1)多项式拟合方程可以较好地拟合出轴流风机的原始风压特性曲线方程，因此该方法可以成为煤矿风量、风压测算时的一种较为便捷的方法。

(2)结合轴流式风机性能测试的一般技术，通过与多项式曲线拟合方法的对比，根据轴流式风机的运行特性，得出多项式拟合方程法可以在轴流式风机运行的非喘振区实现风压、风量的快速计算;而风机运行喘振区对煤矿生产来说相对容易监测，且由于此区域在工程实际应用上是无效的，因此多项式拟合方程法针对喘振区域也是不适用的。

(3)煤矿井安全生产活动中，风量应实时监测并传递到相应的监测系统，建议根据多项式曲线拟合方程法计算矿井所需风压，实时调整风机运行的频率、叶片角度，从而达到节能的目的。