豎井口空氣加熱防凍系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)用

潘 川，溫 超，楊世冬

（山東黃金集團(tuán)蓬萊礦業(yè)有限公司，山東 煙臺(tái) 265400）

1 工程概況

蓬萊公司各礦段采用機(jī)械化通風(fēng)，分區(qū)通風(fēng)方式，強(qiáng)家溝礦段井下需風(fēng)量19.28m3/s，河西礦段井下需風(fēng)量19.28m3/s，侯格莊礦段井下需風(fēng)量17.64m3/s。該地區(qū)距離黃海近、濕度大，在冬季井筒冰凍現(xiàn)象嚴(yán)重。

2 蓬萊礦業(yè)公司加熱方式的選擇

根據(jù)蓬萊公司現(xiàn)場實(shí)際情況，本次設(shè)計(jì)采用井口房密閉冷、熱風(fēng)在井口房和井筒內(nèi)同時(shí)混合方式，即空氣加熱器安裝在井口上方周邊，在井口房采用有風(fēng)機(jī)冷熱風(fēng)混合加熱。布置形式如圖1 所示。

圖1 冷、熱風(fēng)在井筒內(nèi)混合圖

3 豎井口空氣加熱防凍系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 空氣加熱量的計(jì)算

井口空氣加熱量分為兩部分熱量：基本加熱量+附加熱損失。其中附加熱損失包括通風(fēng)機(jī)熱風(fēng)量損耗、熱風(fēng)傳輸通道散熱、井口熱量損失等，一般附件熱量無需單獨(dú)計(jì)算，一般是采取基本加熱量乘以一個(gè)系數(shù)算得，系數(shù)取值：井口房密閉取值1.05，井口不密閉取值1.15；基本加熱量是進(jìn)口空氣加熱量的主要組成部分，有經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式。總加熱量Q計(jì)算如下：

式中，M ─設(shè)計(jì)進(jìn)風(fēng)量，Kg/s；α ─熱量損失率系數(shù)；密閉α 取1.05，不密閉α 取1.15；th─加熱后的混合空氣溫度，按照設(shè)計(jì)規(guī)范取值2℃；tl─加熱之前室外空氣溫度，℃；CP─空氣定壓比熱，取值1.1 KJ/（Kg·K）。

強(qiáng)家溝礦段：

河西礦段：

侯格莊礦段：

3.2 空氣加熱器的選擇計(jì)算

3.2.1 方案1：TS 熱水暖風(fēng)機(jī)方案

（1）初選加熱器的型號(hào)：根據(jù)以上數(shù)據(jù)查空氣加熱器技術(shù)數(shù)據(jù)，每個(gè)礦段井口選用6 臺(tái)8TS 熱水暖風(fēng)機(jī)，風(fēng)量8500m3/h，熱水溫度65℃，散熱量70KW，進(jìn)風(fēng)溫度15℃，出風(fēng)溫度41.5℃，風(fēng)速3m/s，噪音66dB，電機(jī)功率0.65W，外形尺寸950mm＊850mm＊680mm。

（2）計(jì)算需通過空氣加熱器的風(fēng)量：

式中M1─單位時(shí)間內(nèi)空氣加熱器的通過風(fēng)量，Kg/s；th0─加熱器出口熱風(fēng)溫度，℃；

校核熱水暖風(fēng)機(jī)的富余系數(shù)，一般取1.05 ～1.10。強(qiáng)家溝礦段：70＊6/375.5=1.12＞1.10，符合規(guī)范要求。齊家溝礦段：70＊6/375.5=1.12＞1.10，符合規(guī)范要求；候格莊礦段：70＊6/343.52=1.22＞1.10，符合規(guī)范要求；強(qiáng)家溝礦段：70＊6/375.5=1.12＞1.10，符合規(guī)范要求。

3.2.2 方案2：KDS(X)遠(yuǎn)程射流空調(diào)機(jī)組方案

（1）初選加熱器的型號(hào)：

根據(jù)以上數(shù)據(jù)查空氣加熱器技術(shù)數(shù)據(jù)，每個(gè)礦段井口選2 臺(tái)KDS(X)-15 水平吊裝式遠(yuǎn)程射流并聯(lián)，該空調(diào)機(jī)組單臺(tái)風(fēng)量15000m3/h，熱量221.1KW，進(jìn)風(fēng)溫度15℃，出風(fēng)溫度46℃，水平送風(fēng)射程34m，噪音72dB，電機(jī)功率3＊2=6KW，外形尺寸2340mm＊1305＊860mm。

（2）計(jì)算需通過空氣加熱器的風(fēng)量：

校核熱水暖風(fēng)機(jī)的富余系數(shù)，一般取1.05～1.10；強(qiáng)家溝礦段：221.1＊2/375.5=1.17＞1.10，符合規(guī)范要求；齊家溝礦段：221.1＊2/375.5=1.17＞1.10，符合規(guī)范要求；候格莊礦段：221.1＊2/343.5=1.18＞1.10，符合規(guī)范要求。

3.2.3 方案比較

（1）投資費(fèi)用比較：

由于兩種方案的輔助設(shè)備及供暖設(shè)備一樣，因此投資費(fèi)用比較只針對主設(shè)備購置費(fèi)用，方案投資比較詳見下表。

表1 兩種方案的投資費(fèi)用

通過以上主設(shè)備購置費(fèi)用投資分析可見，KDS(X)遠(yuǎn)程射流空調(diào)機(jī)組方案比TS 熱水暖風(fēng)機(jī)方案少投資3.84 萬元。

（2）運(yùn)行費(fèi)用比較：

TS 熱 水 暖 風(fēng) 機(jī) 風(fēng) 機(jī) 功 率 為：0.65＊18=11.7KW，KDS(X)遠(yuǎn)程射流空調(diào)機(jī)組風(fēng)機(jī)功率為：3＊6=18KW，兩者相差6.3KW，采暖期運(yùn)行電費(fèi)方案2 相比方案1 多：6.3＊24＊30＊0.75＊0.7＊3=7144.2 元，但由于方案1 為每個(gè)礦段井口3＊2=6 臺(tái)設(shè)備竄＊并聯(lián)布置，系統(tǒng)復(fù)雜，故障率高，備品備件費(fèi)用高。

3.3 方案論證與優(yōu)化應(yīng)用

由以上方案對比和經(jīng)濟(jì)技術(shù)分析可知，采用KDS(X)遠(yuǎn)程射流空調(diào)機(jī)組方案可行性最高、投資費(fèi)用最少、技術(shù)指標(biāo)最好，該方案具有易損件少、可維修性強(qiáng)、故障率低的特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)長周期連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，設(shè)計(jì)在每個(gè)礦段井口選2 臺(tái)KDS(X)-15 水平吊裝式遠(yuǎn)程射流空調(diào)機(jī)組并聯(lián)布置安裝。

公司組織了設(shè)備考察小組，對相關(guān)設(shè)備進(jìn)行考察研究，遠(yuǎn)程射流空調(diào)機(jī)組風(fēng)口送出的熱射流滿足以下要求：①冷熱風(fēng)能夠勻速下井并充分混合，并射流至送到指定的位置；②熱風(fēng)送風(fēng)距離和送風(fēng)位置合理，不會(huì)造成下井人員的冷風(fēng)吹打引發(fā)不適；③末端混合風(fēng)流溫度舒適，溫差滿足設(shè)計(jì)要求。④運(yùn)行中噪音小，幾乎感覺不到噪聲。

最終設(shè)計(jì)在蓬萊公司各礦段井口房內(nèi)井口兩邊并列安裝2 臺(tái)KDS(X)-15 水平吊裝式遠(yuǎn)程射流空調(diào)機(jī)組，機(jī)組下體面距離地面高度2m，進(jìn)風(fēng)口距離井口房板墻0.5m 以上。

3.4 供熱設(shè)備方案

（1）供熱方案。充分利用礦井螺桿式空壓機(jī)的工作余熱。螺桿式空壓機(jī)工作過程中80%的輸入電能轉(zhuǎn)為熱量，20%的電能轉(zhuǎn)換為壓縮空氣動(dòng)能，由此可見螺桿式空壓機(jī)工作過程產(chǎn)生余熱較多。通過高效熱交換器實(shí)現(xiàn)供熱，實(shí)現(xiàn)能量的回收利用，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排。現(xiàn)根據(jù)蓬萊公司各礦段井筒保暖供熱量及空壓機(jī)的運(yùn)行情況，將強(qiáng)家溝礦井2 臺(tái)250KW 螺桿空壓機(jī)組、齊家溝礦井3 臺(tái)110KW 螺桿空壓機(jī)組、候格莊礦井1 臺(tái)250KW 和2 臺(tái)110KW 螺桿式空壓機(jī)在機(jī)房安裝油氣熱能雙交換機(jī)組進(jìn)行余熱回收生產(chǎn)熱水。同時(shí)為了彌補(bǔ)空壓機(jī)余熱回收不足情況，相應(yīng)各礦井采用1 臺(tái)120KW智能電熱水器啟動(dòng)供熱水，其它輔助設(shè)施配套不變，供配電系統(tǒng)與空壓機(jī)互為輪換使用。

（2）供熱量核算。采用鑫生力空壓機(jī)余熱機(jī)組，當(dāng)空壓機(jī)加載率達(dá)到88%時(shí)，熱回收制熱COP為88%，余熱回收系統(tǒng)運(yùn)行過程中，應(yīng)考濾輸送管道和閥件等輻射熱損失，經(jīng)實(shí)際管道及閥件的設(shè)計(jì)，輻射熱損失設(shè)計(jì)為6%。那么2臺(tái)250kw空壓機(jī)熱回收制熱量為：Q=（250kw×88%×（1-6%）×2=413.6kw＞375.50kw。由此核算各礦段滿足供熱量要求。

4 效益分析

在三個(gè)分礦礦井空壓機(jī)余熱回收供暖系統(tǒng)已有設(shè)施管路的基礎(chǔ)上，該方案只需在各礦段井口房內(nèi)井口兩邊并列安裝KDS(X)-15 水平吊裝式遠(yuǎn)程射流空調(diào)機(jī)組2 臺(tái)及相應(yīng)配套管路，采用空壓機(jī)余熱回收機(jī)組，出水溫度為55℃～65℃，可以直接替代電熱加熱風(fēng)爐。設(shè)置的井筒防凍專用空氣加熱器使冷熱風(fēng)混合后在進(jìn)入井筒，井筒內(nèi)的混合熱空氣溫度不低于2℃，實(shí)現(xiàn)井筒內(nèi)不結(jié)冰。螺桿空壓機(jī)余熱回收供暖+KDS(X)遠(yuǎn)程射流空調(diào)機(jī)組井口房送熱風(fēng)方案相比于電熱風(fēng)爐+玻璃鋼風(fēng)筒的現(xiàn)行設(shè)計(jì)方案，減少投資費(fèi)用約為158.1 萬元。

5 結(jié)論

蓬萊公司采用的豎井口空氣加熱防凍系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，采取了螺桿空壓機(jī)余熱回收供暖+智能電熱水器的加熱防凍系統(tǒng)，應(yīng)用遠(yuǎn)程射流技術(shù)實(shí)現(xiàn)對井筒防凍有效控制，充分利用螺桿空壓機(jī)余熱礦井供風(fēng)的加熱。該方案技術(shù)上可行，能夠?qū)崿F(xiàn)余熱合理利用、投資小、能耗低、建設(shè)周期短、易損件少、故障率低，可實(shí)現(xiàn)長周期連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。并且在解決進(jìn)口防凍問題的同時(shí)，節(jié)省投資費(fèi)用約為158.1 萬元，經(jīng)濟(jì)效益較大。