關于煤礦井筒電熱風機組及其控制系統的設計研究

王洪海

（阜新礦業（集團）有限責任公司，遼寧 阜新123000）

引言

在寒冷的冬季，利用通風機向煤礦井下輸送空氣時，如果不對寒冷的空氣進行特殊處理，那么空氣在往礦井輸送的過程中可能會結冰[1]。為了解決此問題，煤礦一般會使用工業熱風機組，提前對寒冷的空氣進行加熱，然后再將熱空氣輸送到煤礦井下[2-3]，不僅能夠避免冷空氣出現結冰的現象，同時還能夠提升煤礦井下溫度，改善礦井工作環境。但傳統的工業熱風機組都是通過燃燒煤炭的方式來提供熱量，這種供熱方式不僅需要燃燒很多煤炭資源，需要投入很多人力和物力，更重要的是煤炭在燃燒時會產生大量的危害性氣體，對環境造成嚴重污染，不利于改善煤礦工作環境[4]。因此，應對煤礦井筒熱風機組進行技術改造，利用清潔能源對空氣進行加熱，以符合國家對節能減排的相關要求[5-6]。

1 煤礦井筒電熱風機組總體方案布局

如圖1所示為煤礦井筒電熱風機組總體方案布局。從圖中可以看出，電熱風機組整體上由多個部分構成，主要包括熱風機組、配電柜、溫度傳感器、熱風輸送管道等。其中熱風機組和溫度傳感器分別有2套，溫度傳感器安裝在熱風機組的出風口位置，對出風口熱風溫度進行檢測。熱風機組出風口與熱風輸送管道固定連接，熱風輸送管道經過井筒安裝到井底位置。輸送管道為螺旋管道，直徑為1 m，管道外部需要利用保溫棉材料進行裹附，降低熱量的流失，保障熱風輸送到井底時具有穩定的溫度。2套熱風機組使用相同的配電柜進行供電，同時溫度傳感器還需要與配電柜實現數據通信。

圖1 煤礦井筒電熱風機組總體方案設計

2 電熱風機組的工作過程

設備安裝時，配電柜和電熱風機組與礦井井口之間的距離大約為20 m，配電柜以380 V的電壓給熱風機組供電。利用通風機將寒冷空氣送入熱風機組中的加熱模塊進行加熱。從熱風機組中輸出的熱空氣，通過熱風輸送管道輸送至礦井井底?；趥鞲衅骺梢詫崟r檢測熱風機組輸出空氣的溫度，本研究中將熱風機組輸出溫度設置為40℃。在控制系統的作用下，如果發現輸出的熱風溫度低于40℃時，加熱模塊就會提升功率從而提升輸出空氣的溫度。相反的，如果檢測發現輸出溫度高于40℃時，加熱模塊可以降低加熱功率從而降低輸出空氣的溫度。40℃的熱空氣經過井筒輸送到井底，與此同時冷空氣也會通過井口輸送到井底。冷空氣和熱空氣進行充分混合后形成混合空氣，輸送到工作區域，改善工作區域的作業環境。

3 煤礦井筒電熱熱風機組的設計

3.1 整體結構的設計

下頁圖2所示為熱風機組整體結構設計圖。從圖中可以看出，設計的熱風機組主要由通風機、保溫模塊、電加熱模塊等部分構成。其中電加熱模塊位于保溫箱內部，可有效避免熱量散失。通風機與保溫箱之間、保溫箱和熱風輸送管道之間全部通過空心柱體進行連接。通風機安裝在通風機底座上面，保溫箱模塊安裝在整個設備的底座上。與熱風輸送管道連接的空心柱體端部位置設置有阻物網，不僅實現了整個管道斷面的全覆蓋，還可以避免雜物通過空心柱體。保溫箱模塊上部位置的四個角落設置有吊耳，設備安裝時通過吊耳實現設備的起吊和安裝，同時還可通過吊耳對熱風機組進行固定。保溫模塊通過厚度為10 mm的鋼板進行焊接而成，保溫模塊包含保溫外箱和保溫內箱兩大部分，內箱和外箱中間的間距設置為100 mm，需要填充保溫材料，以提升保溫模塊的保溫效果。該裝置中使用的是FKZ型號通風機，基本滿足使用需要，同時還可以降低成本投入。

圖2 熱風機組整體結構設計

3.2 電加熱模塊的設計

傳統的燃煤熱風機組，具有勞動強度大、環境污染嚴重、易產生危害性氣體威脅礦井安全等劣勢，通過電加熱模塊取代傳統的燃煤方式，可有效解決以上缺陷問題。每個電加熱模塊都由多個抽屜式電加熱單元構成，為了確保加熱效果，單元數量至少為6。電加熱單元主要由多個U型電加熱管并列安裝在支架上構成。U型加熱管的排列方式可以確?？諝饧訜岬木鶆蛐裕嵘訜嵝Ч?，為熱風機組加熱效率的提升奠定了堅實的基礎。此外，還包含有固定螺栓、導線、阻風板等。阻風板通過超薄螺旋片拼裝而成，安裝在相鄰兩根U型加熱管中間，起到阻隔的作用，增加空氣在熱風機組內部滯留的時間，盡可能提升空氣的加熱效果。U型加熱管并聯連接，通過這樣的方式可以確保不同U型加熱管之間能夠獨立運行，即便其中某根U型加熱管出現損壞無法正常工作，也不會對整個裝置的運行造成嚴重的影響。

4 煤礦井筒電熱風機組控制系統的設計

本研究中設計的電熱風機組總共有兩個機組，每個機組內部包含6個電加熱單元，總共有12個電加熱單元，單元之間相互獨立運行，某個單元是否投入使用不會對其他單元造成影響，每個電加熱單元配備有開關，通過開關的閉合實現加熱單元是否投入使用。電熱風機組實際運行時并不是所有的加熱單元都投入使用，而是需要根據實際情況進行控制調整。

通過PID控制實現電熱風機組輸出熱風溫度的精確控制，如圖3所示為電熱風機組控制系統示意圖。系統中設定的熱風輸出溫度為40℃，利用安裝在熱風機組出口位置的專業溫度傳感器對熱風輸出溫度進行實時檢測。并且溫度傳感器與配電柜中的控制器進行連接，將檢測結果實時傳輸到控制器中進行分析和處理。分析后如果發現實際溫度低于系統設定的40℃，PID控制器會下達指令對電加熱模塊各加熱單元的開關進行控制，根據實際溫度與設定溫度之間的差值，控制開關開啟的數量，讓更多的加熱單元投入使用，提升空氣加熱效果，使之達到系統設定值40℃。相反的，如果分析后發現實際溫度比設定溫度高，那么PID控制器就會下達指令關閉部分加熱單元的開關，讓投入運行的加熱單元數量減少，降低電熱風機組的加熱效果，使輸出溫度降低至系統設定的40℃。

圖3 電熱風機組控制系統示意圖

是自動控制模式即系統按照設定的程序自動運行，將電熱風機組的輸出溫度控制在40℃。此外，控制系統還可以以手動控制的方式運行，即通過手動控制熱風的輸出溫度，這種控制模式使用較少，只在特殊情況下使用，比如檢修時。手動控制模式下，操作人員只需要手動操作各加熱單元的開關即可。

5 實踐應用效果

1）將本文設計的電熱風機組運用到煤礦實踐中，顯著降低了煤礦企業的人力和物力投入。經過6個月的統計發現，電熱風機組消耗的電能費用，與傳統的工業熱風機組消耗的煤炭資源費用相比較而言，降低了20%左右。

2）使用電熱風機組顯著降低了工作人員的勞動強度，也避免了燃燒煤炭時產生的二氧化碳等有毒有害氣體，使煤礦的工作環境得到顯著改善。

3）電熱風機組為輸出空氣溫度的精確控制奠定了良好的基礎，可以實現煤礦井下溫度的精確調整。

4）實踐過程中，熱風機組的輸出熱風溫度非常穩定的控制在40℃，使得井底的溫度也非常穩定?；谝陨戏治隹梢园l現，通過使用電熱風機組，不僅提升了煤礦的自動化水平，同時為煤礦創造了良好的經濟效益和社會效益。