第5次課礦井通風網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化

1、第5次課礦井通風網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化第一頁，共44頁?；舅悸罚撼鯏M風網(wǎng)中各回路風量(如q1 q2 q3)，使其滿足風網(wǎng)中節(jié) 點風量風量平衡定律，然后利用 風壓平衡定律對其逐一進行修正，從而得各分支假設(shè)風量，經(jīng)把迭 代計算修正，各回路風壓逐漸趨 于平衡，這樣各分支風量逐漸接真實值。 回路風量修正值（Q）：ABCDEFq2q1q3Hf=D=-niiiniiiQRQRQ11222.3應(yīng)用計算機解算通風網(wǎng)絡(luò) 第二頁，共44頁?；芈分懈鞣种ё枇Υ鷶?shù)和，當分支流向與回路流向一致時，取“”，反之，取“”。當回路中有 Hf 和 Hn 時：故分支風量為：第三頁，共44頁。（二）通風網(wǎng)絡(luò)解算數(shù)學模型 由(5-5-1)式，設(shè)

2、 （5-5-4） 由于上式為非線性方程組，只能采用迭代法進行求解。 設(shè)第k次迭代后的風量近似值為；將(5-5-4)式用泰勒級數(shù)展開并忽略二次以上微分項得 （5-5-5）第四頁，共44頁。故 （5-5-6） 式中， 為獨立回路風量的修正值列向量； 為雅可比矩陣，第五頁，共44頁。第k+1次迭代后的風量可由下式計算： （5-5-8） （5-5-9） 上述式(556)和式(559)Bp為牛頓法解算通風網(wǎng)的迭代計算模型。 若雅可比矩陣具有對角線優(yōu)勢，即第六頁，共44頁。 則可略去雅可比矩陣的非對角元素，(556)式可簡化為 ： （5-5-11）式(5511)即為克勞斯(H，cross)近似試算法的計算

3、公式，也有的稱其為斯考德恒斯雷（Scott-Hinsley）法。第七頁，共44頁。 使用上述兩種迭代算法解算通風網(wǎng)絡(luò)，一般要經(jīng)過以下步驟： （1）繪制通風網(wǎng)路圖，標定風流方自。 （2）輸入網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及數(shù)據(jù)。（3）選擇獨立回路，確定獨立結(jié)構(gòu)的分支構(gòu)成。（4）擬定初始風量。通常，先給余樹邊賦值，再計算各樹支初始風量。擬定的初始風量應(yīng)盡量接近真實風量，以加快計算速度。（5）計算修正風量。 使用牛頓法時由（5-56)式計算出各獨立回路的風量修正值，然后用(559)式對獨立分支的風量進行修正，再用（5 -5- 2）式計算所有分支的新風量。第八頁，共44頁。 使用克勞斯法時，可用（5-5-11）分別計算各回

4、路是風量修正值。當計算出一個回路的風量修正值后，立即對該回路所有分支的風量進行修正，以加快收斂速度。（6）計算修正風量 每計算完一次所有分支的修正風量，稱為迭代一次。每次迭代后應(yīng)判斷計算結(jié)果是否已滿足給定的精度要求，即檢查是否滿足。 （5-5-12） 若上式已滿足，迭代計算終止。否則，轉(zhuǎn)第5步繼續(xù)迭代。精度，根據(jù)需要，人為給定，一般可取0.010.001 m3/s。第九頁，共44頁。 克勞斯法的回路風量修正值可逐個回路獨立計算，因而可手工進行計算。而牛頓的通風量修正值的計算必須先求雅可比矩陣的逆矩陣，實質(zhì)上是線形方程的求解，一般不能手工計算。由于克勞撕法實質(zhì)上是牛頓法在滿足（5-5-10）式條

5、件下的一種簡化，因此在選擇獨立回路的分支結(jié)構(gòu)時有特殊的要求。 上述迭代計算過程容易編寫成計算機程序，目前已多種成熟的通風網(wǎng)絡(luò)解算軟件。 第十頁，共44頁。 例：某簡單通風網(wǎng)絡(luò)如圖5-5-1所示。網(wǎng)絡(luò)分支數(shù)n=6，節(jié)點數(shù)m=4，分支風阻向量為R=（0.01，0.38，0.5，0.65，0.20，0.085）。設(shè)在分支1中有風機，風機風壓特性方程：風阻、風量和風壓的單位均采用國際單位制。不考慮自然風壓，式計算通風網(wǎng)絡(luò)中各分支的風量。 解：“克勞撕”法。由（5-5-11）式可得風量的修正計算式為：圖5-5-1第十一頁，共44頁。將已知風阻和初始風量代人上式得： 將已知風阻和初始風量代人上式得：第十二

6、頁，共44頁。用上述修正風量值對應(yīng)余樹分支風量進行修正后得到：重復(fù)上述迭代過程，經(jīng)10次迭代后可使修正風量的最大值小于0.001m3/s；最后得到與上述“牛頓法”完全一致的計算結(jié)果。（三）風量調(diào)節(jié)計算數(shù)學模型 1.調(diào)節(jié)點的數(shù)量與位置第十三頁，共44頁。 由前面節(jié)點風量平衡方程(552)式可見，只要網(wǎng)絡(luò)中的條獨立分支的風量已確定，則其他分支的風量也就被確定。假設(shè)在每一條獨立分支中安設(shè)一個調(diào)節(jié)設(shè)施，就可以實現(xiàn)對風網(wǎng)風量的完全控制。因此通風網(wǎng)絡(luò)中的最多有效調(diào)節(jié)點數(shù)量為N。 若網(wǎng)絡(luò)僅靠自然分風就能滿足全部風量要求，則網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部不需節(jié)。但每個礦井罕少應(yīng)有一臺主通風機提供通風動力，而通風機可視為一個調(diào)節(jié)設(shè)施

7、，因此通風網(wǎng)絡(luò)的最少調(diào)節(jié)點數(shù)為1。 在實際通風網(wǎng)絡(luò)中，常有一些不需調(diào)節(jié)的自然分風子網(wǎng)絡(luò)，設(shè)自然分風子網(wǎng)窄包含k個獨立回路，則網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)具有的獨立調(diào)節(jié)點數(shù)目為: 第十四頁，共44頁。 (5513) 雖然在通風網(wǎng)絡(luò)中僅需S個調(diào)節(jié)點，且這S個調(diào)節(jié)點必須包含在網(wǎng)絡(luò)的同一棵余樹中。但由于通風網(wǎng)絡(luò)的生成樹數(shù)目非常之多，因此實際上網(wǎng)絡(luò)中任何一條分支都有可能成為調(diào)節(jié)點。如何在通風網(wǎng)絡(luò)的全部條分支中選出所需的S個調(diào)節(jié)分支，就是確定風量調(diào)節(jié)方案的重要內(nèi)容之一。 第十五頁，共44頁。 選擇調(diào)節(jié)點位置應(yīng)遵守的總的原則是：安全可靠、技術(shù)可行和經(jīng)濟合理。為保證所選擇的調(diào)節(jié)點安全可靠和技術(shù)可行，一般應(yīng)注意以下問題：(1)在礦

8、井總進風巷道和各類運輸頻繁的井巷中，應(yīng)避免安裝調(diào)節(jié)設(shè)施，如調(diào)節(jié)風窗、 帶風墻的輔助通風機等； (2)在礦井總回風巷道、在傾斜和垂直井巷中，不宜安裝增阻調(diào)節(jié)設(shè)施； (3)在采區(qū)內(nèi)部服務(wù)年限短的巷道中，不宜采用工程量很大的減阻調(diào)節(jié)措施；(4)在封閉火區(qū)附近采用調(diào)節(jié)措施時，要考慮有利于火區(qū)的均壓滅火。第十六頁，共44頁。 2.獨立回路法 “回路法”是事先人為地確定需進行調(diào)節(jié)的分支，將它們包含在通風網(wǎng)絡(luò)的某一棵余樹中，其調(diào)節(jié)量大小由回路風壓平衡方程即可算出。 設(shè)所有余樹枝的風量均已確定，且可調(diào)節(jié)的分支包含在余樹中。則有：(5514)第十七頁，共44頁。令：則由式（5-5-3）可得： 第十八頁，共44頁

9、。 顯然這種方法求出的調(diào)節(jié)方案的優(yōu)劣完全取決于調(diào)節(jié)分支的選擇。適用于調(diào)節(jié)點位置固定后計算其調(diào)節(jié)量的大小。3固定風量法 這是一種在自然分風程序中加固定風量分支，以求解按需分風問題的方法。其實質(zhì)就是“回路法”。其算法原理是：求解時將固定風量分支選取為獨立分支(余樹枝)，初擬風量時先將固定風量加到其所在回路的所有分支中；此后在修正。第十九頁，共44頁。 各回路風量的迭代計算時把它從網(wǎng)絡(luò)中分裂開，不進行迭代計算；在自然分風計算結(jié)果后，將固定分量分支所在回路的風壓閉合差作為該分支的阻力調(diào)節(jié)量。前一部分的自然分風計算，實際上就是計算自然分風豐網(wǎng)絡(luò)66風量自然分配；后一部分計算調(diào)節(jié)量時，是假設(shè)需進行調(diào)節(jié)的分

10、支就是需風分支，因而根據(jù)回路風壓平衡方程即可計算出調(diào)節(jié)量。第二十頁，共44頁。自固定風量法的算法原理可發(fā)現(xiàn)這種方法的兩個主要問題：（1）為保證除固定風量分支以外的自然分風子網(wǎng)絡(luò)是一個連通的閉合網(wǎng)絡(luò)，就不允許穿過用風區(qū)的割集全部由固定風區(qū)的割集全部由固定風量分支組成，而必須至少有一條自然分風分支。但實際礦井在正常生產(chǎn)時用風區(qū)都必須按需分風，因而計算時不得不反復(fù)試算，以滿足放松為自然分風分支的需風分支的需風量。（2）只能在有需風要求的分支本身進行調(diào)節(jié)，很難保證調(diào)節(jié)方案的可行性。 第二十一頁，共44頁。4通路法 “通路法”是通過構(gòu)造由網(wǎng)絡(luò)總進風節(jié)點(源點)至總回風節(jié)點(匯點)的所有獨立風路（通路、道

11、路），由各通路的風壓差來計算調(diào)節(jié)量。若對各風機子系統(tǒng)分別選取最大風壓的通路作為計算標準，則在其他通路上必須采取增阻調(diào)節(jié)的方法，因而有時也稱之為“最大阻力路線法”。當然也可以根據(jù)風機能力選擇合適風壓的通路為基準通路，風壓大于基準通路者應(yīng)減阻，小于基準通路者應(yīng)增阻。 由于每一條獨立通路可以加上一條連結(jié)揮點與源點的地面?zhèn)畏种?，?gòu)成一個獨立回路，因此調(diào)節(jié)分支的選擇與回路相同。通路法也必須事先選擇好調(diào)節(jié)分支，然后將調(diào)節(jié)分支選為獨立分支，包含在同一棵余樹中。每一條通路中僅包含一條獨立分支，各通路風壓與基準通路的風壓差就是通路獨立分支的調(diào)節(jié)量。 通路法雖然可保證風機壓最小，但也不能保證調(diào)節(jié)點位置的合理性。目

12、前有些通路法程序僅能得到一種調(diào)節(jié)方案；有些通路法程序則能自動得到全部可能的調(diào)節(jié)方案；還有的通路法程序在選擇調(diào)節(jié)分支時，盡量使一個調(diào)節(jié)能調(diào)平較多的通路，從而可得到調(diào)節(jié)設(shè)施數(shù)最少的調(diào)節(jié)方案。第二十二頁，共44頁。五、通風網(wǎng)絡(luò)解算程序的使用說明(1)輸入有關(guān)參數(shù) 通常需輸入分支的始末節(jié)點、風阻、風機風壓和固定風量；若網(wǎng)絡(luò)風阻值未知，則還須輸入管道斷面幾何形狀特征尺寸、摩擦阻力系數(shù)、局部阻力系數(shù)、管道長度等參數(shù)，以便計算風阻值。(2)各分支風阻按降序排列 風網(wǎng)各分支參數(shù)的輸入先后次序是任意的，程序按其風阻大小以降序排列。(3)確定余樹弦。第二十三頁，共44頁。 余樹弦是做為選擇回路的基底分支，除固定風

13、量分支和風機分支做為法定的余數(shù)弦外，還要從一般分支中選擇風阻較大者作為余樹弦，使余樹弦的總數(shù)為(n-m+1)個。這類分支構(gòu)成回路的非公共分支，每個回路只有一個，并且其風阻值在回路的各分支中最大，這類分支數(shù)與獨立回路數(shù)相對應(yīng)。選余樹弦的方法是在網(wǎng)絡(luò)中形成最小樹，而未包含在最小生成樹中的分支即為余樹弦。本程序采用“避圈法”，尋找最小樹。即把各分支的風阻值按升序排列，然后從最小風阻分支開始，按風阻升序逐個取出各分支添加到原圖的位置上，檢查該分支，如果與前面添加的分支構(gòu)成回路，則將此從圖中移出，成為余樹弦；否則將此填入樹中，成為樹枝。如此繼續(xù)下去，直到找出(m-1)條分支所構(gòu)成的連通圖為止，此圖即為所

14、要求的一棵最小樹。同時也找出了(n-m+1)個余樹弦。第二十四頁，共44頁。 (4)選回路 選回路是以余樹弦為基礎(chǔ)，從一般分支中風阻最大的分支開始，逐一查找可與余樹弦出風節(jié)點相聯(lián)的分支，反復(fù)操作直到構(gòu)成回路為止。程序中規(guī)定余樹弦的方向為回路的方向，回路中與余樹弦方向一致的分支為正向分支，否則為反向分支，并逐一記錄。程序中只選擇一般分支與余樹弦相聯(lián)，從而保證了一個回路只含一個余樹弦。第二十五頁，共44頁。圖2-3-1 通風網(wǎng)絡(luò)解算程序框圖第二十六頁，共44頁。(5)通風機特性曲線的擬合 根據(jù)通風工程解題精度的要求，通常采用二次或三次多項式擬合風機曲線。采用二次多項式擬合風機風壓曲線，應(yīng)在風機特性

15、曲線上選三個點，即風機穩(wěn)定工作的上限點、高效點和下限點。三個點的效率均應(yīng)大于70，根據(jù)三點的風量，風壓座標值(，)可求出擬合系數(shù)a，b和c按式(2-3-5)，只要確定出風機風量即可算出風機的風壓值。(6)風量賦初值 在迭代計算之前應(yīng)將風網(wǎng)的余樹弦賦風量初值，然后根據(jù)風量平衡方程對每一回路中的各分值賦風量初值，作為迭代計算的開始。程序規(guī)定：固定風量分支以固定風量值為初值，風機分支以風機特性曲線第二點的風量為初值；其它余樹弦均以0.5為初值。然后按回路對各個分支賦初值。第二十七頁，共44頁。（7）迭代計算 迭代計算是在風網(wǎng)各分支風阻和風機性能曲線已知的情況下，對風網(wǎng)中的每個回路的余樹弦風量進行迭代

16、修正計算，為保證各用風地點的固定風量不變，程序規(guī)定有固定風量的不參與迭代計算，由于這類回路中除固定風量分支外，其余分支都與其他回路公用的分支，因而實際上都參與了迭代計算。迭代計算以回路為單位，直到所有回路的風量修正值都達到預(yù)定精度為止。如在給定的最大迭代次數(shù)內(nèi)未達預(yù)定的精度，為加快收斂，程序可將各分支的（RQ）值賦給R，然后返回，重新排序確定余樹弦和選回路，再做迭代計算。（8）計算各分支阻力并打印計算結(jié)果 按已算出的風量和輸入的風阻值計算各風道的阻力，同時按風量和風道斷面計算風速，最后以表格形式打印各分支號、始末節(jié)點號、風阻、風量、阻力、斷面和風速。第二十八頁，共44頁。(9)計算固定風量分支

17、的阻力值 由于固定風量分支不參與迭代計算，固定風量分支的阻力是按回路風壓平衡式(2-3-15)計算，然后用阻力定律算出固定風量分支的風阻值。該風阻值是保證固定風量值不變，所必須具有的風阻值。當該值小于實際的風阻值時，需進行減阻調(diào)節(jié)，反之需進行增阻調(diào)節(jié)。(10)處理風機參數(shù) 根據(jù)風機曲線擬合系數(shù)和風機風量，計算風機風壓，然后打印風機風量、風壓。如果風機工作點落在合理工作范圍之外，則打印超限警告，必要時可改變風機轉(zhuǎn)速或更換風機，重新進行通風網(wǎng)絡(luò)調(diào)節(jié)計算。第二十九頁，共44頁。（11）上機操作注意事項： 將上述數(shù)據(jù)文件輸入計算機并存入硬盤，如果編寫和輸入的數(shù)據(jù)文件有誤，計算機將提示出錯的類型或得出錯

18、誤的結(jié)果。因此，上機前一定要反復(fù)核對，如果運算中出現(xiàn)錯誤也要按上述要求檢查核對。一般上機過程中出現(xiàn)的錯誤有以下幾種： 通風網(wǎng)絡(luò)分支數(shù)、固定風量個數(shù)和風機個數(shù)與實際輸入的不符； 分支節(jié)點號出錯，將導(dǎo)致通風網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。這種錯誤較為隱蔽，不易被發(fā)現(xiàn)，只有當回路選不出，程序中斷運行時，方可發(fā)現(xiàn)。因此，必須認真檢驗分支節(jié)點號的正確性，避免此類錯誤的發(fā)生。 風機分支號出錯，這種錯誤從計算機輸出的數(shù)據(jù)欄目中較易發(fā)現(xiàn)。 總之，無論出現(xiàn)何種錯誤，只要計算機不能正常運算或出現(xiàn)非預(yù)想的結(jié)果，都要重新審查數(shù)據(jù)，確認輸入數(shù)據(jù)無誤后方可進行通風網(wǎng)絡(luò)解算。第三十頁，共44頁。2.4 通風管網(wǎng)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計 隨著工業(yè)的發(fā)

19、展，通風除塵、通風空調(diào)系統(tǒng)具有大型化、集中化的趨勢。大型化的復(fù)雜工業(yè)通風除塵和通風空調(diào)系統(tǒng)存在兩個突出問題，即能耗問題和風量不平衡問題。70年代發(fā)展起來的工業(yè)通風和通風空調(diào)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計法，對降低系統(tǒng)能耗，減少系統(tǒng)總費用方面起到了積極的作用。傳統(tǒng)的設(shè)計方法，一般把求解費用最低問題和解決風平衡問題作為兩個獨立的問題進行處理，即首先根據(jù)目標函數(shù)求解最優(yōu)參數(shù)，然后進行風量平衡調(diào)節(jié)。這樣的優(yōu)化設(shè)計方法，在減少費用方面取得了一定的效果，但存在風量平衡精度低的缺點，尤其對日益復(fù)雜的通風管網(wǎng)系統(tǒng)的設(shè)計，風量不平衡問題更為突出。因此，把費用最低目標函數(shù)和系統(tǒng)風量平衡方程組成一個非線性的數(shù)學規(guī)劃問題，使設(shè)計優(yōu)化參

20、數(shù)能同時滿足目標函數(shù)和系統(tǒng)風量平衡條件，設(shè)計中不需進行風量平衡調(diào)節(jié)的計算。第三十一頁，共44頁。 一、通風管網(wǎng)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計的數(shù)學模型1.目標函數(shù) 目前，一般以系統(tǒng)使用年限(即系統(tǒng)壽命周期)內(nèi)的總費用最低作為目標，如果不考慮初期投資的貸款利率和貨幣的時間價值，總費用G可表示為： （2-4-1）式中：系統(tǒng)的初期投資，元； 系統(tǒng)的年運行與維護費用，元年； 系統(tǒng)的年廢料回收費用，元年；系統(tǒng)的使用年限，年。 第三十二頁，共44頁。 系統(tǒng)使用年限的取值：排含腐蝕性氣體的系統(tǒng)t=5年；一般除塵系統(tǒng)t=10年；一般通風系統(tǒng)t=20年。 系統(tǒng)初期投資Ga包括管道費用Ga1、風機費用Ga2和除塵器費用Ga3；系統(tǒng)

21、運行與維修費用Gb包括動力消耗費用Gb1和維修費用Gb2根據(jù)其是否隨“變量”變化，可分為可變費用和不變費用，隨“變量”變化而變化的費用稱為可變費用，反之則為不變費用。對于通風除塵系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計，系統(tǒng)費用的變量是風管直徑。顯然，Ga1、Ga2、Gb1均為可變變費用；Ga3和Gc為不變費用。所以，系統(tǒng)壽命周期總費用中的可變費用Gv為：第三十三頁，共44頁。式中各項按以下各式確定： （2-4-2） 第三十四頁，共44頁。式中 第i分支管道的管徑，m； 第i分支管道的長度，m；園管單位面積的價格，元第i分支管道分擔的風機功率，kW，風機總功率N=；風機的價格系數(shù)，由風機產(chǎn)品說明書統(tǒng)計求得，見表2-3-1； 電價，元風機的年運行小時，h。 第三十五頁，共44頁。每分支管道分擔的風機功率為：式中：第i分支管道的風量，風機的總效率，一般取=0.60.7； 第i分支管道的通風阻力，第三十六頁，共44頁。按阻力計算公式有： 式中： 風管的摩擦阻力系數(shù)； 風管的局部阻力系數(shù)； 風管中的空氣密度，kg；第i分支風管的流速，ms。根據(jù)流速和流量的關(guān)系，式(2-4-7)可變換為：（2-4-8） （2-4-7） 第三十七頁，共44頁。式中為系數(shù)， 優(yōu)化設(shè)計的實質(zhì)，就是確定合適的變量 值，使可變費用 最低，即 。由 式（2-3-2）、（2-3-3）、 （2-3-4）、（2-3-5）、（2-3-6）、