矿井通风5.矿井通风网络中风量分配与调节

第五章矿井通风网络中风量分配与调节本章主要内容及重点和难点1、风量分配基本定律----三大定律2、网络图及网络特性1)简单网络2)角联及复杂网络3、网络的动态分析4、矿井风量调节5、计算机解算复杂网络第五章矿井通风网络中风量分配与调节矿井通风系统是由纵横交错的井巷构成的一个复杂系统。用图论的方法对通风系统进行抽象描述，把通风系统变成一个由线、点及其属性组成的系统，称为通风网络。第一节风量分配基本规律一、矿井通风网络与网络图(一）矿井通风网络通风网络图：用直观的几何图形来表示通风网络。1.分支（边、弧）：表示一段通风井巷的有向线段，线段的方向代表井巷中的风流方向。每条分支可有一个编号，称为分支号。2.节点（结点、顶点）：是两条或两条以上分支的交点。3.路（通路、道路）：是由若干条方向相同的分支首尾相连而成的线路。如图中，1－2－5、1－2－4－6和1－3－6等均是通路。4.回路：由两条或两条以上分支首尾相连形成的闭合线路称为回路。如图中，2－4－3、2－5－6－3和1－3－6－73421512345675、树：是指任意两节点间至少存在一条通路但不含回路的一类特殊图。由于这类图的几何形状与树相似，故得名。树中的分支称为树枝。包含通风网络的全部节点的树称为其生成树，简称树。（二）矿井通风网络图特点：１）通风网络图只反映风流方向及节点与分支间的相互关系，节点位置与分支线的形状可以任意改变。２）能清楚地反映风流的方向和分合关系，并且是进行各种通风计算的基础，因此是矿井通风管理的一种重要图件。网络图两种类型：一种是与通风系统图形状基本一致的网络图，如图5-1-3所示；另一种是曲线形状的网络图，如图5-1-4所示。但一般常用曲线网络图。绘制步骤：(1)节点编号在通风系统图上给井巷的交汇点标上特定的节点号。(2)绘制草图在图纸上画出节点符号，并用单线条（直线或弧线）连接有风流连通的节点。(3)图形整理按照正确、美观的原则对网络图进行修改。通风网络图的绘制原则：(1)用风地点并排布置在网络图中部，进风节点位于其下边；回风节点在网络图的上部，风机出口节点在最上部；(2)分支方向基本都应由下至上；(3)分支间的交叉尽可能少；(4)网络图总的形状基本为“椭圆”形。（５）合并节点，某些距离较近、阻力很小的几个节点，可简化为一个节点。（６）并分支，并联分支可合并为一条分支。二、风量平衡定律风量平衡定律是指在稳态通风条件下，单位时间流入某节点的空气质量等于流出该节点的空气质量；或者说，流入与流出某节点的各分支的质量流量的代数和等于零，即0iM若不考虑风流密度的变化，则流入与流出某节点的各分支的体积流量（风量）的代数和等于零，即：如图a，节点4处的风量平衡方程为：将上述节点扩展为无源回路，则上述风量平衡定律依然成立。如图b所示，回路2-4-5-7-2的各邻接分支的风量满足如下关系：0iQ06454434241QQQQQ087654321QQQQ1652４3图a４2178356图b三、能量平衡定律假设：一般地，回路中分支风流方向为顺时针时，其阻力取“＋”，逆时针时，其阻力取“－”。（一）无动力源（HnHf）通风网路图的任一回路中，无动力源时，各分支阻力的代数和为零，即：如图，对回路２－３－４-6中有：（二）有动力源设风机风压Hf，自然风压HN。如图，对回路１－2－3－4-5-1中有：一般表达式为：即：能量平衡定律是指在任一闭合回路中，各分支的通风阻力代数和等于该回路中自然风压与通风机风压的代数和。234560Rih02436RRRRhhhh54321RRRRRNfhhhhhHHRiNfhHH第二节简单网络特性一、串联风路由两条或两条以上分支彼此首尾相连，中间没有风流分汇点的线路称为串联风路。如图5-2-1所示，由1，2，3，4，5五条分支组成串联风路。（一）串联风路特性1.总风量等于各分支的风量，即MS=M1=M2=…=Mn当各分支的空气密度相等时，QS=Q1=Q2=…=Qn2.总风压（阻力）等于各分支风压（阻力）之和，即:niinshhhhh1214581236791234567893.总风阻等于各分支风阻之和，即：4.串联风路等积孔与各分支等积孔间的关系niinsnsssRRRRQhhhQhR1212212...222211111nsAAAA219.1iRiA2219.1iAiR2222119.119.119.1119.1iiisAARRsA（二）串联风路等效阻力特性曲线的绘制根据以上串联风路的特性，可以绘制串联风路等效阻力特性曲线。方法：１、首先在h—Q坐标图上分别作出串联风路1、2的阻力特性曲线R1、R2；２、根据串联风路“风量相等，阻力叠加”的原则，作平行于h轴的若干条等风量线，在等风量线上将1、2分支阻力h1、h2叠加，得到串联风路的等效阻力特性曲线上的点；３、将所有等风量线上的点联成曲线R3，即为串联风路的等效阻力特性曲线。２1３１２R1R2R1R2R1+R2QH二、并联风网由两条或两条以上具有相同始节点和末节点的分支所组成的通风网络，称为并联风网。如图所示并联风网由5条分支并联（一）并联风路特性：1.总风量等于各分支的风量之和，即当各分支的空气密度相等时,2.总风压等于各分支风压，即注意：当各分支的位能差不相等，或分支中存在风机等通风动力时，并联分支的阻力并不相等。niinsMMMMM121niinsQQQQQ121nshhhh2112346123453.并联风网总风阻与各分支风阻的关系∵∴又∵∴即：4.并联风网等积孔等于各分支等积孔之和，即2SssQRhsssRhQnSQQQQ...21nnssRhRhRhRh...2211nsRRRR1111...2122121111nsssRRRQhRnsAAAA21)...(19.111119.121nsRRRRsA5.并联风网的风量分配若已知并联风网的总风量，在不考虑其它通风动力及风流密度变化时，可由下式计算出分支i的风量。∵即∴sihh22ssiiQRQRSRRiQQs)...(12111nRRRiSsisRQRRQiQR1R2...RiRnQS（二）并联风路等效阻力特性曲线的绘制根据以上并联风路的特性，可以绘制并联风路等效阻力特性曲线。方法：１、首先在h—Q坐标图上分别作出并联风路1、2的阻力特性曲线R1、R2；２、根据并联风路“风压（阻力）相等，风量叠加”的原则，作平行于Q轴的若干条等风压线，在等风压线上将1、2分支阻力h1、h2叠加，得到并联风路的等效阻力特性曲线上的点；３、将所有等风压线上的点联成曲线R3，即为并联风路的等效阻力特性曲线。2112R1R2R1R2R1+R2QH三、串联风路与并联风网的比较在任何一个矿井通风网络中，都同时存在串联与并联风网。在矿井的进、回风风路多为串联风路，而采区内部多为并联风网。并联风网的优点：１、从提高工作地点的空气质量及安全性出发，采用并联风网具有明显的优点。２、在同样的分支风阻条件下，分支并联时的总风阻小于串联时的总风阻。例如：若R1=R2=0.04kg/m7，串联：Rs１=R1+R2=0.08kg/m7并联：∴Rs１：Rs１＝８：１即在相同风量情况下，串联的能耗为并联的8倍。704.0104.01112/01.0)(1)(121mkgRRRS２1３１２R1R22112R1R2四、角联风网（一）几个概念角联风网：是指内部存在角联分支的网络。角联分支（对角分支）：是指位于风网的任意两条有向通路之间、且不与两通路的公共节点相连的分支，如图。简单角联风网：仅有一条角联分支的风网。复杂角联风网：含有两条或两条以上角联分支的风网。213456复杂角联风网简单角联风网４1２３１２３４５（二）角联分支风向判别原则：分支的风向取决于其始、末节点间的压能值。风流由能位高的节点流向能位低的节点；当两点能位相同时，风流停滞；当始节点能位低于末节点时，风流反向。判别式（以简单角联为例）：1、分支5中无风∵Q5=0∴Q1=Q3,Q2=Q4由风压平衡定律：h1=h2,h3=h4由阻力定律：两式相比得：即或写为：222211QRQR244233QRQR244222233211QRQRQRQR4231RRRR13241RRRRK４1２３1２３４５２、当分支5中风向由2→3节点②的压能高于节点③，则hR2＞hR1即：即同理，hR3＞hR4即又∵∴即：或写为：211222QRQR244233QRQR22253222112)(QQQQQRR22523242334)(QQQQQRR253523)(QQQQQQ12222532252334)()(RRQQQQQQRR13241RRRRK4231RRRR风流３、分支5中的风向由3→2同理可得：或写为：∴改变角联分支两侧的边缘分支的风阻就可以改变角联分支的风向。对图示简单角联风网，可推导出如下角联分支风流方向判别式：４1２３1２３４５4231RRRR13241RRRRK风流。中风向由，分支中风流停滞；，分支；中风向由，分支32515123513241RRRRK123567810第三节通风网络动态特性分析一、井巷风阻变化引起风流变化的规律1.变阻分支本身的风量与风压变化规律当某分支风阻增大时，该分支的风量减小、风压增大；当风阻减小时，该分支的风量增大、风压降低。2.变阻分支对其它分支风量与风压的影响规律1）当某分支风阻增大时，包含该分支的所有通路上的其它分支的风量减小，风压亦减小；与该分支并联的通路上的分支的风量增大，风压亦增大；当风阻减小时与此相反。2）对于一进一出的子网络，若外部分支调阻引起其流入（流出）风量变化，其内部各分支的风量变化趋势相同。3）风网内，某分支风阻变化时，各分支风量、风压的变化幅度，以本分支为最大，邻近分支次之，离该分支越远的分支变化越小。494）风网内，不同类型的分支风阻变化引起的风量变化幅度和影响范围是不同的。一般地说，主干巷道变阻引起的风量变化幅度和影响范围大，末支巷道变阻引起的风量变化幅度和影响范围小。5）风网内某分支增阻时，增阻分支风量减小值比其并联分支风量增加值大；某分支减阻时，减阻分支风量增加值比其并联分支风量减小值大。3．巷道密闭与贯通对风流的影响巷道密闭相当于该分支的风阻增大至∞，故本分支风量减少到趋近于0；对其它分支的影响规律与分支增阻相同。巷道贯通时要修改网络图，即在网络图中增加贯通后的分支。风流方向取决于巷道两端点间压能差；对其它分支的影响规律与分支减阻相同。二、风流稳定性分析(一)稳定性的基本概念稳定性是指当系统受到外界瞬时干扰，系统状态偏离了平衡状态后，系统状态自动回复到该平衡状态的能力。按照这种稳定性的概念，除非在主要通风机不稳定运行（工作在轴流式风机风压特性曲线的驼峰区）等特殊情况下，矿井通风系统一般都是稳定的。通风管理中所说的风流稳定性，一般是指井巷中风流方向发生变化或风量大小变化超过允许范围的现象；且多指风流方向发生变化的现象。(二)影响风流稳定性的因素1.风网结构对风流稳定性的影响仅由串、并联组成的风网，其稳定性强；角联风网，其对角分支的风流易出现不稳定。2.风阻变化对风流稳定性的影响在角联风网中，边缘分支的风阻变化可能引起角联分支风流改变。在实际生产矿井，大多数采掘工作面都是在角联分支中。应采取安装调节风门的措施，保证风流的稳定性。3.通风风动力变化对风流稳定性的影响矿井风网内主要通风机、辅助通风机数量和性能的变化，不仅会引起风机所在巷道的风量变化，而且会使风网内其他分支风量也发生变化，并影响风网内其他风机的工况点。(三)具体如下：