趙永，牛明建(新疆鵬電熱力工程有限公司，新疆 烏蘇 833000)

0 引言

隨著電熱能轉(zhuǎn)換技術(shù)日趨完善，尤其在北方寒冷地帶，使用電能供熱、供暖替代小規(guī)模燃煤鍋爐為熱源動(dòng)力，已是大勢(shì)所趨。電加熱供熱風(fēng)直接用于大型工礦企業(yè)取暖也已成為可能。

目前，煤礦暖風(fēng)系統(tǒng)采用燃煤產(chǎn)生蒸汽再加熱空氣然后混合送入井筒，效率低。管道易銹蝕損壞，維護(hù)費(fèi)用高，運(yùn)營(yíng)中人工成本高，運(yùn)行過程中“三廢”處理非常麻煩且成本高。不能根據(jù)室外溫度調(diào)整燃料使用量。鑒于此，提出了使用電熱風(fēng)爐對(duì)煤礦巷道主、副井供暖保溫防凍系統(tǒng)改造方案，新暖風(fēng)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)無人值守，自動(dòng)控制，熱風(fēng)溫度、風(fēng)量可根據(jù)室外溫度及時(shí)調(diào)整，安全環(huán)保、衛(wèi)生。

1 副井暖風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則和參數(shù)選擇

1.1 原副井暖風(fēng)系統(tǒng)概況

原副井暖風(fēng)系統(tǒng)：蒸汽換熱器置于地下3 m位置，使用礦井軸流通風(fēng)機(jī)(風(fēng)量21.5 m3/s)，吸入自然空氣，通過蒸汽換熱裝置加熱空氣，熱風(fēng)溫度控制在30～50 ℃左右，通過混風(fēng)后風(fēng)溫在10 ℃左右進(jìn)入井筒。副井口熱風(fēng)系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

圖1 金川煤礦副井示意圖

系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)：(1)井口外界極端溫度(-28 ℃)；(2)要求出風(fēng)口溫度大于40 ℃；(3)主蒸汽管徑DN150；(4)蒸汽壓力0、10、15 MPa；(5)主+副斜井引風(fēng)總量為50 m3/s(3 000 m3/min)[1]。

系統(tǒng)存在的主要問題：6.0噸燃煤蒸汽鍋爐(生產(chǎn)供熱，生活區(qū)供暖)在地面，鍋爐至蒸汽換熱站管線長(zhǎng)，管道銹蝕嚴(yán)重，跑、冒、滴、漏頻頻發(fā)生，熱損大、維修費(fèi)用高。同時(shí)，鍋爐未做脫硫、脫硝措施，廢渣、煙塵排放不符合現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)要求，更不符合當(dāng)前環(huán)境治理政策。冬季生產(chǎn)過程中，換熱時(shí)吸風(fēng)量較大，易在吸風(fēng)口產(chǎn)生結(jié)露現(xiàn)象，同時(shí)因熱蒸氣溢出時(shí)也易凝結(jié)于進(jìn)風(fēng)口，嚴(yán)重時(shí)封死進(jìn)氣通道，需要使用人力、機(jī)械清除，安全隱患較大。副井井架、天輪絞盤至井口約30 m，完全露天，在冬季使用時(shí)出現(xiàn)結(jié)冰、打滑等現(xiàn)象，給冬季安全生產(chǎn)埋下隱患。

1.2 副井暖風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則、方案和參數(shù)選擇

1.2.1 副井暖風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則

(1)結(jié)合井口現(xiàn)有系統(tǒng)現(xiàn)狀，充分考慮機(jī)組風(fēng)量、數(shù)量、送風(fēng)方式等特點(diǎn)，盡量保留原有系統(tǒng)的基礎(chǔ)設(shè)施，降低改造成本；(2)電熱風(fēng)系統(tǒng)不影響原系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，不能對(duì)其他設(shè)備造成影響；(3)解決副井井筒防凍問題和副井井架和天輪、絞盤、鋼絲繩結(jié)冰問題；(4)設(shè)計(jì)方案符合煤礦安全規(guī)程要求，不能對(duì)礦井造成安全隱患(主要指使用的電熱風(fēng)爐安放位置，應(yīng)在2區(qū)以外，其熱風(fēng)輸送管道做好保溫、防靜電、防摩擦，干熱風(fēng)溫度不宜過高)；(5)冷風(fēng)溫度(-28 ℃)，外露地表井筒處熱損、井筒壁蓄熱、井口房結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及建筑圍護(hù)體散熱損失、井口房?jī)?nèi)物料蓄熱與散熱、鋼絲繩加熱與散熱、井口房地面散熱等。風(fēng)流經(jīng)L長(zhǎng)井筒后的溫度，即要達(dá)到的溫度為10 ℃，流經(jīng)副井井筒的平均風(fēng)速(取異常狀態(tài)通風(fēng)困難時(shí)期的最大通風(fēng)量40 m3/s)[2]。

1.2.2 副井暖風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

直接將電熱風(fēng)爐產(chǎn)生的熱風(fēng)送入井口房，分別從四個(gè)方向：(1)北邊人員通道門；(2)南邊物料進(jìn)出門；(3)北面玻璃墻；(4)東邊井架至鋼絲繩絞盤門鼓入熱風(fēng)(不同區(qū)域熱風(fēng)射入熱風(fēng)溫度、射入角度及熱風(fēng)流量不同)，保持井口房?jī)?nèi)溫度在15 ℃以上，熱風(fēng)與冷風(fēng)在井口房?jī)?nèi)混合后被吸入井口。

1.2.3 系統(tǒng)方案參數(shù)計(jì)算

(1)副井在通風(fēng)困難時(shí)進(jìn)入空氣加熱需要的熱能。副井為斜井，井口尺寸(巷道)約4 000×4 500(mm)，井口最大進(jìn)風(fēng)量40 m3/s，風(fēng)速為2.22 m/s(在2級(jí)風(fēng)速以內(nèi)，面感微風(fēng)，無揚(yáng)塵)，井口房非密閉狀態(tài)[3]。

式中：Q1為加熱空氣總需求空氣熱能(kW)；Cp為空氣定壓比熱(1.01 kJ/(kg·K))；M為空氣質(zhì)量流量(kg/s)；tn、t1為流經(jīng)井筒內(nèi)平均風(fēng)溫、室外溫度，分別為10 ℃、-28 ℃；α為熱量損失系數(shù)，井口房不密閉時(shí)α=1.05～1.10，密閉時(shí)α=1.10～1.15。

(2)副井井口房圍護(hù)結(jié)構(gòu)的散熱計(jì)算。

式中：Q2為井口房建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)散熱量(kW)；K為圍護(hù)結(jié)構(gòu)的散熱系數(shù)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)為鋼結(jié)構(gòu)，墻體及屋頂為彩鋼+巖棉+彩鋼δ0.5+δ150+δ0.5，導(dǎo)熱系數(shù)λ(W/(m2·K))分別為：58.2，0.058；玻璃窗部分可在此數(shù)值增加系數(shù)1.1修正計(jì)算；A為圍護(hù)結(jié)構(gòu)的面積(m2)；井口房尺寸：L×D×H=15 m×10 m×7 m；需要考慮各墻體上門及井口尺寸；th、t2為井口房?jī)?nèi)平均風(fēng)溫、室外計(jì)算取暖溫度，分別為15 ℃、-21 ℃。

(3)井口房地面散熱量計(jì)算。應(yīng)用地帶法測(cè)算地面散熱損失。

式中：Q3為地面散熱損失(kW)；Ki為第i區(qū)的地面?zhèn)鳠嵯禂?shù)(W/(m2·K))；地面分段Ⅰ(0～2 m)、Ⅱ(2～4 m)、Ⅲ(4～6 m)、Ⅳ(>6 m)，KⅠ0.47； KⅡ0.23； KⅢ0.12； KⅣ0.07；Ai為i區(qū)的地面面積(m2)；th、t1為流經(jīng)井筒內(nèi)平均風(fēng)溫、室外計(jì)算取暖溫度，分別為15 ℃、-21 ℃。

(4)其他散熱。這里副井井筒壁蓄熱、井筒外露地表散熱量、鋼絲繩(需要外露)散熱與傳熱、鋼絲繩表面凝結(jié)水分(從井下帶出)干燥所需熱量，因?yàn)槊總€(gè)環(huán)節(jié)都較為復(fù)雜，如：干容量1 800 kg/m3的鋼筋混凝土，導(dǎo)熱系數(shù)1.74 w/m·k。干容量不同其導(dǎo)熱系數(shù)不同，井壁厚度影響了傳熱值)，又因?yàn)樵摰V副井為斜井基本在地面以下，所以耗熱量不大，可以在上述主要熱量之和基礎(chǔ)上加修正系數(shù)1.15即可，因此不再累述。

(5)總需求熱量計(jì)算。

經(jīng)過上述計(jì)算，副井防凍所需熱量為2 513 kW。如果以進(jìn)入井口房?jī)?nèi)熱風(fēng)最高溫度設(shè)定在55 ℃(熱風(fēng)供暖上限溫度)，通過計(jì)算可得出空氣電加熱器的風(fēng)量為88 500 m3/h(24.6 m3/s)。

2 改造方案的確定

2.1 工作原理

室外冷空氣由風(fēng)機(jī)吸入電加熱機(jī)體內(nèi)，被加熱變成熱風(fēng)，從出風(fēng)口接閉風(fēng)防火器進(jìn)入并聯(lián)風(fēng)管，由礦用軸流風(fēng)機(jī)將熱風(fēng)引到井口房。(1)供熱風(fēng)量和出風(fēng)溫度(或冷熱風(fēng)混合溫度)由傳感器、控制器和電動(dòng)溫控閥組成的溫度控制系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)節(jié)，必能顯示進(jìn)風(fēng)溫度、出風(fēng)溫度及井口房混合風(fēng)溫度。(2)礦用軸流風(fēng)機(jī)與預(yù)混風(fēng)箱體連接，該由新風(fēng)調(diào)節(jié)閥、圍護(hù)鋼板和保溫密封材料組成；可通過調(diào)節(jié)閥控制新風(fēng)量進(jìn)入大小，從而二次調(diào)控?zé)犸L(fēng)溫度。特殊情況下，可向井口房持續(xù)供正壓新鮮風(fēng)，確保人員安全。(3)當(dāng)室外空氣達(dá)到0 ℃以下時(shí)，由于井口房?jī)?nèi)(除井筒內(nèi)為負(fù)壓)微正壓，從而使熱氣部分溢出，對(duì)室外進(jìn)、出裸露鋼絲繩、鋼件加熱，溫度將有明顯提高，鋼絲繩結(jié)冰問題可得到實(shí)質(zhì)性解決。

2.2 設(shè)備選型論證計(jì)算

電熱風(fēng)爐由低噪音、多葉片離心風(fēng)機(jī)(全壓>2 400 Pa，風(fēng)量3.8～5.6 m3/s)、高效翅片電加熱機(jī)體(含箱體，最高輸出功率300 kW)、電控柜(可調(diào)頻、調(diào)風(fēng)量、風(fēng)溫、輸出功率)組成。產(chǎn)出干燥、干凈的熱風(fēng)，熱風(fēng)溫度可控制80～150 ℃。加熱量為749～1 110 kW，共選用4套并聯(lián)[4]。

2.3 改造方案的論證

副井暖風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要能保證副井井筒、絞盤、鋼絲繩冬季不結(jié)冰，擬采用電熱風(fēng)系統(tǒng)予以供熱，幾套熱風(fēng)爐并聯(lián)，并聯(lián)后的主風(fēng)道在進(jìn)入井口房后分成4個(gè)分叉(分別為(1)北邊人員通道門；(2)南邊物料進(jìn)出門；(3)北面玻璃墻；(4)東邊井架至鋼絲繩絞盤門)鼓入熱風(fēng)，中間增加控制閥門，可以依據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行切換熱風(fēng)流向及熱源流量。尤其(2)、(4)區(qū)域的熱風(fēng)射入角度及熱風(fēng)流量需要根據(jù)鋼絲繩及絞盤實(shí)際需要進(jìn)行調(diào)整。

以上方案主要考慮到井口處是負(fù)壓，因此只要將熱風(fēng)送到井口房?jī)?nèi)，首先確保井口房?jī)?nèi)溫度不低于15 ℃以上，保證井口房、井筒、絞盤、鋼絲繩不結(jié)冰，從而即可保證整個(gè)井筒易結(jié)冰段溫度在10 ℃以上。

2.4 控制方式

可采用一套控制軟件系統(tǒng)，對(duì)電熱風(fēng)供應(yīng)暖風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行過程中對(duì)室外溫度、井口平均溫度、電熱風(fēng)爐出風(fēng)口的熱風(fēng)溫度，熱風(fēng)流量進(jìn)行24 h不間斷采集，從而及時(shí)調(diào)節(jié)電加熱系統(tǒng)功率。并對(duì)各出風(fēng)口風(fēng)量進(jìn)行控制，控制閥可采用手動(dòng)/自動(dòng)控制，系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)可以在控制柜進(jìn)行監(jiān)控，出現(xiàn)故障報(bào)警及時(shí)維護(hù)。同時(shí)系統(tǒng)裝有井口危險(xiǎn)氣體超濃度報(bào)警裝置，與電熱風(fēng)加熱控制、新風(fēng)控制閥聯(lián)接，根據(jù)需要執(zhí)行相關(guān)指令操作[5]。

3 結(jié)語

由于該套電熱風(fēng)加熱系統(tǒng)集成了加熱、控制元器件，較原燃煤蒸汽加熱系統(tǒng)效率有很大的提高，可達(dá)到節(jié)能環(huán)保的效果；使電加熱熱風(fēng)系統(tǒng)，自動(dòng)調(diào)節(jié)溫度，運(yùn)行過程更加安全、平穩(wěn)、可靠。同時(shí)這套方案，解決了外露鋼絲繩結(jié)冰打滑現(xiàn)象，保證了提升安全，使得副井人員安全更有保證。