礦用避難硐室壓縮空氣供給系統優化設計

李 凱 張曉升 李玉貴 曾慶華 咸士玉

(長治清華機械廠技術中心，山西省長治市，046012)

礦用避難硐室主要用于礦工受困于井下發生瓦斯 (煤塵)爆炸、冒頂塌方、火災阻隔、沖擊地壓等災害事故時的緊急避險。其對外能夠抵抗爆炸沖擊，抵御高溫煙氣，隔絕有毒有害氣體；對內能夠提供氧氣、食品、飲用水，去除有毒有害氣體、降溫除濕，為避險人員提供基本生存條件，并為災變后的救援創造條件、贏得時間。

壓縮空氣供給系統是避難硐室的重要組成部分，可在礦井壓風損壞時為氣幕噴淋系統提供氣源，同時為無源蓄冰空調系統提供動力氣源，保障避難硐室各職能模塊的正常工作。本文針對國內現已成熟的部分避難硐室壓縮空氣供給系統進行研究分析可知，目前礦用避難硐室中各職能模塊所需壓縮空氣瓶基本為分散布置，且均為低壓匯流供氣方式，其原理如圖1所示，壓縮空氣經空氣減壓器減壓后匯流，通過不銹鋼供氣管路輸送至避難硐室各職能模塊。但目前應用的避難硐室壓縮空氣供給系統由于低壓匯流方式所用減壓器數量較多，成本較高，降低了產品市場競爭力；壓縮空氣瓶分散布置降低了硐室空間利用率，且避險人員進入硐室后操作較為繁瑣；若有壓縮空氣瓶發生意外泄漏，則該空氣瓶組所有氣瓶都無法繼續使用，導致硐室內資源的浪費。因此本文針對目前避難硐室壓縮空氣供給系統的弊端進行優化設計。

圖1 壓縮空氣低壓匯流原理圖

1 避難硐室壓縮空氣供給系統原理設計

所設計的新型避難硐室壓縮空氣供給系統如圖2所示，該壓縮空氣供給系統采用空氣高壓匯流方式替代現有的低壓匯流供氣方式，將避難硐室中所有壓縮空氣瓶集中布置，壓縮空氣高壓匯流至氣站末端，經減壓器減壓后由壓縮空氣站兩端分別輸送至氣幕噴淋系統和蓄冰空調系統，實際使用過程中將減壓器出口壓力調節至1.2MPa，由于氣幕噴淋系統工作壓力約為0.4MPa，因此需要增加一個二級減壓器，而蓄冰空調系統可直接使用氣站輸出氣體作為動力氣源。

圖2 壓縮空氣供給系統原理圖

2 避難硐室壓縮空氣供給系統設計計算

2.1 壓縮空氣供給系統氣瓶數量計算

設計選用符合GB5099標準的壓力為15MPa、體積為80L鋼瓶貯存壓縮空氣，鋼瓶實際充裝壓力為12MPa，根據氣體能量守恒定律，則單個壓縮空氣瓶的釋放空氣量:

式中:P1——壓縮空氣充裝壓力，MPa；

V1——鋼瓶容積，L；

P2——大氣壓力，MPa；

V2——壓縮空氣釋放量，L。

依據式 (1)可得單個壓縮空氣瓶釋放空氣量V2＝9600L。

假設一避難硐室額定避險人數為60人，避險人員分為6組從避難硐室兩側進入，每組10人。每組人員從開啟防護密閉門開始計算，直至10人全部進入過渡室后關閉防護密閉門為止，此過程中氣幕開啟時間按1.5min計算，則6組人員全部進入硐室后，氣幕工作總時間為9min。實測氣幕裝置在0.4MPa工作壓力下，9min內的總耗氣量約為500L，則氣幕裝置需1瓶壓縮空氣為15MPa、80L的鋼瓶。

噴淋裝置單個噴頭實測耗氣量約為105L／min，噴淋裝置共24個噴頭，總耗氣量為2520L／min。每組避險人員噴淋時間按2min計算，6組避險人員噴淋總時間為12min，則噴淋裝置總耗氣量Q噴淋＝30240L。取避難硐室安全系數為1.2，則噴淋裝置共需壓縮空氣瓶數量為:

蓄冰空調系統空氣凈化循環處理機的氣動馬達在供氣壓力為1.2MPa時的實測耗氣量為25L／min，則額定避險時間96h內總耗氣量Q蓄冰＝144000L。

60人避難硐室實際配備2套蓄冰空調系統，則共需壓縮空氣瓶數量為:

經計算N噴淋＝4瓶，N蓄冰＝30瓶。

綜上所述，本文設計共選取35瓶壓縮空氣為15MPa、80L鋼瓶，可滿足避難硐室壓縮空氣供給需求。

2.2 壓縮空氣供給系統主管路設計計算

設計的壓縮空氣供給系統采用無縫鋼管代替常規不銹鋼管作為供氣管路，根據流體力學相關知識，氣體管路中的管道直徑與其通過的流量、工作壓力、管道長度和壓力損失等因素有關，可根據以下公式計算管道內徑:

式中:d——管道內徑，m；

P1——工作壓力，Pa；

△p——壓力損失，一般不超過0.01Pa；

L——管道的名義長度，m；

V——流量，m3／s。

由前述可知，壓縮空氣供給系統工作壓力P1＝1.2MPa，△p＝0.01MPa，該60人避難硐室壓縮空氣站與氣幕噴淋系統之間管路長度L1＝8 m，氣幕噴淋系統總耗氣量V1＝2575L／min，即0.043m3／s。計算可得供氣主管路內徑d1≈20 mm。

該60人避難硐室壓縮空氣站與蓄冰空調系統之間管路長度L2＝12m，蓄冰空調系統空氣凈化循環處理機的實測耗氣量V2＝25L／min，即0.0004m3／s。計算可得供氣主管路內徑d2≈4 mm。

上述計算結果中，兩種供氣管路直徑差別較大，由于蓄冰空調系統耗氣量為額定值，根據流體力學相關知識，若氣源選擇較大管路內徑，并不會增加蓄冰空調系統壓縮空氣耗氣量，且減小了壓縮空氣流動阻力，易于保障蓄冰空調系統工作壓力。因此壓縮空氣管路設計選用?25mm×2.5mm (外徑×壁厚)無縫鋼管，內徑為20mm，其截面積遠大于2個內徑為4mm管路的截面積，完全滿足2套蓄冰空調系統供氣需求。

由材料力學相關知識，管道承受均勻內壓，其內壁正應力計算為:

式中:σ——管道內應力，MPa；

p——管道承壓，MPa；

D——管道外徑，mm；

d——管道內徑，mm。

?25mm×2.5mm無縫鋼管承受1.2MPa壓力時，依據式 (5)得σ＝4.8MPa。

查詢相關資料可知，壁厚小于16mm的無縫鋼管屈服極限σs＝205MPa，因σ＜σs，選擇的無縫鋼管可滿足避難硐室壓縮空氣供給系統壓力要求。

3 壓縮空氣供給系統功能試驗

依據上述技術設計進行避難硐室安裝，安裝完畢后進行系統功能試驗。

3.1 供氣管路氣密試驗

(1)將供氣管路各接口處用記號筆分別編號(1＃～16＃)，打開一個壓縮空氣瓶瓶閥和與之對應的匯流排角座閥，關閉氣幕噴淋裝置控制球閥和蓄冰空調系統空氣凈化循環處理機控制閥，將兩個減壓器輸出壓力均調節至1.8MPa，保壓30min。

(2)在各管路接口涂抹肥皂液進行滲漏檢查，記錄試驗數據。由試驗數據可知，檢查13＃管路接口出現輕微泄漏，究其原因是由于安裝過程中接頭螺紋損壞，導致密封失效，而其余各管路連接處均無泄漏，產品合格率達93.8%，試驗證明該壓縮空氣供給系統氣密性良好。

3.2 氣幕裝置功能試驗

(1)關閉礦井壓風供氣球閥，打開氣幕球閥，將管路內殘留氣體釋放；打開一個壓縮空氣瓶瓶閥和與之對應的匯流排角座閥，調節減壓器輸出壓力為0.4MPa。

(2)開啟防護密閉門，空氣幕隨之產生，氣流可覆蓋整個防護密閉門，關閉防護密閉門，空氣幕隨之消失，試驗記錄見表1。

表1 氣幕裝置測試記錄

(3)由表1可知，試驗過程中氣幕與防護密閉門聯動正常，且氣幕管噴射出的氣流可覆蓋整個門框范圍內，試驗證明該壓縮空氣供給系統可滿足氣幕裝置使用需求。

3.3 噴淋裝置功能試驗

(1)關閉礦井壓風供氣球閥，打開噴淋球閥，將管路內殘留氣體釋放，而后關閉噴淋球閥。

(2)打開一個壓縮空氣瓶瓶閥和與之對應的匯流排角座閥，調節減壓器輸出壓力為0.4MPa，記錄此刻減壓器高壓表數值；關閉防護密閉門，打開噴淋球閥，計時2min，而后關閉噴淋球閥，記錄此刻減壓器高壓表數值。噴淋裝置流量測試記錄見表2。

表2 噴淋裝置流量測試記錄

噴淋裝置耗氣量及流量分別按式 (6)和式

(7)式計算:

式中:Pm1——氣瓶試驗前壓力，MPa；

Pm2——氣瓶試驗后壓力，MPa；

Vm——氣瓶容積，L；

Q——耗氣量，L；

q——噴淋流量，L／min；

t——試驗時間，min。

將表2中數值分別代入式 (6)和式 (7)，試驗中采用符合GB5099的15MPa／80L鋼瓶貯存壓縮空氣，可得噴淋裝置耗氣量Q1＝2080L，Q2＝2320L；噴淋裝置流量q1＝1040L／min，q2＝1160 L／min。

(3)由上述計算結果可知，噴淋裝置流量q≥500L／min，試驗證明該壓縮空氣供給系統可滿足噴淋裝置使用需求。

3.4 蓄冰空調系統功能試驗

(1)首先將蓄冰柜連接空調系統，將蓄冰柜內注水至觀察窗中間位置，連接線路進行蓄冰。

(2)待蓄冰完成后，停止空調系統，將空氣凈化循環處理機與蓄冰柜連接，開啟一個壓縮空氣瓶瓶閥，調節減壓器輸出壓力為1.2MPa，緩慢開啟空氣凈化循環處理機控制閥，并將切換閥調至 “持續處理”檔位，在空氣凈化循環處理機下出風口使用風速風溫儀進行風速和風溫測試，選取5個測試點，然后取其平均值，試驗數據記錄見表3。

表3 出風口風速風溫測試記錄

(3)將空氣凈化循環處理機切換閥調至 “快速處理”檔位，采用同樣方法測試出風口風速和風溫，試驗數據記錄見表3。

(4)由表3可知，空氣凈化循環處理機持續處理時平均風速＞3.5m／s，快速處理時平均風速＞11m／s，試驗證明該壓縮空氣供給系統可滿足蓄冰空調系統使用需求。

4 結論

由避難硐室壓縮空氣供給系統功能試驗可知，對供氣管路加壓1.8MPa壓力、持續30min耐壓試驗，管路無泄漏；氣幕噴淋系統可對進入硐室的避險人員進行有毒有害氣體吹掃；蓄冰空調系統可對硐室內空氣進行循環凈化處理，因此基本可以確定避難硐室壓縮空氣供給系統設計方案切實可行。該避難硐室壓縮空氣供給系統中氣瓶集中布置有效提高了避難硐室空間利用率；若有氣瓶發生泄漏，則其余氣瓶仍可繼續使用，提高了避難硐室設備利用率；縮減了避險人員進入硐室后操作流程；60人避難硐室產品成本預算降低了約9%，見圖3所示。

圖3 60人避難硐室成本對比

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