礦井壓風(fēng)管路氣液分離裝置優(yōu)化設(shè)計

王常興，張澤鵬，潘 越，楊 帆，馬 浩

(1.山西煤炭進(jìn)出口集團(tuán)有限公司，山西 太原 030000；2.河北工程大學(xué)，河北 邯鄲 056038)

0 引言

壓風(fēng)自救系統(tǒng)是礦井生產(chǎn)安全避險6大系統(tǒng)之一，而壓風(fēng)管路作為井下壓縮空氣的輸送渠道，有著非常重要的作用[1-6]。壓縮空氣在管路中流動時，由于溫差變化產(chǎn)生的冷凝水如不及時處理極易造成壓風(fēng)管路水堵，影響風(fēng)動設(shè)備及壓風(fēng)自救系統(tǒng)的正常使用，目前，解決辦法通常是在管路最低處安裝排液口，此方法使用時噪聲較大且存在安全隱患[5-9]。李賓等[10]發(fā)明了油(氣)水分離裝置，有效改善了壓風(fēng)自救系統(tǒng)的出口氣流不均勻現(xiàn)象；周連春等[11]設(shè)計出用于瓦斯抽放過程的氣水分離裝置并進(jìn)行現(xiàn)場運用，有效提高了瓦斯抽放效率。部分礦井所用的壓風(fēng)管路氣液分離裝置為一種集水器，由于管路內(nèi)部為高湍流場，排液過程中出口內(nèi)外壓差較大，且裝置進(jìn)出口結(jié)構(gòu)不均勻，內(nèi)部氣流流速發(fā)生突變將引起空化現(xiàn)象，產(chǎn)生振動。基于此，設(shè)計了帶導(dǎo)流板的氣液分離裝置，并利用FLUENT軟件對排液罐內(nèi)部流場進(jìn)行數(shù)值仿真分析，以判斷設(shè)計的合理性。

1 氣液分離裝置工作原理

壓縮空氣通過高壓管路傳輸?shù)骄虏?yīng)用于各種風(fēng)動設(shè)備，氣液分離裝置用來分離高壓管路中產(chǎn)生的冷凝水，山西某礦采用的壓風(fēng)管路氣液分離器如圖1所示。壓縮空氣通過進(jìn)口流入該裝置，由出口繼續(xù)流入管路，管路中的冷凝水在裝置中儲存起來，需定期打開閥門進(jìn)行排液，此裝置結(jié)構(gòu)不均勻，進(jìn)出口前后流體流速差較大，產(chǎn)生的噪聲將影響井下作業(yè)環(huán)境。

圖1 氣液分離器示意Fig.1 Schematic diagram of gas-liquid separator

2 壓風(fēng)管路氣液分離裝置改進(jìn)設(shè)計

2.1 結(jié)構(gòu)及尺寸設(shè)計

針對目前壓風(fēng)管路排液裝置存在的問題，對其進(jìn)行了結(jié)構(gòu)上的改進(jìn)，并設(shè)計了導(dǎo)流板進(jìn)行分流，氣液分離裝置及內(nèi)部導(dǎo)流器板結(jié)構(gòu)如圖2所示。礦井壓風(fēng)管路氣液分離裝置包括進(jìn)風(fēng)口、出風(fēng)口、罐體、排液口、導(dǎo)流板，罐體最大直徑為200 mm，進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口直徑15 mm，排液口直徑20 mm，每片導(dǎo)流板厚度為5 mm。罐體中間用法蘭連接，排液口設(shè)于罐體下端中心處，導(dǎo)流器為兩側(cè)對稱結(jié)構(gòu)，每側(cè)均為4片導(dǎo)流板，通過中間兩片U型導(dǎo)流板與罐體頂部螺栓連接，進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口位于罐體頂部兩側(cè)。從進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入的壓縮空氣通過導(dǎo)流板進(jìn)入罐體內(nèi)部，管路中的積液也同時流入罐體，接著氣體通過導(dǎo)流板從出風(fēng)口繼續(xù)流入壓風(fēng)管路，打開排液口處的截止閥可排出罐體中積存的液體。

圖2 氣液分離裝置示意Fig.2 Schematic diagram of gas-liquid separation device

2.2 加工注意事項

礦井的建設(shè)周期相對較長，而且科技在不斷進(jìn)步，設(shè)計歸于實踐的同時技術(shù)水平要保證不落后[12]。該裝置加工時需保證罐體完全密封，防止漏氣，材質(zhì)選取合金鋼或碳鋼，連接法蘭可根據(jù)罐體的大小進(jìn)行選取，加工材料需能承受一定的壓力，單側(cè)全部導(dǎo)流板總寬不能小于罐體進(jìn)出口直徑。

3 罐體內(nèi)部流場數(shù)值模擬

3.1 湍流模型及網(wǎng)格劃分

3.1.1 控制方程

考慮到壓風(fēng)管路內(nèi)部流場的強旋流動，采用RNGk-e模型為湍流模型，相較于標(biāo)準(zhǔn)的k-e模型更能描述流體的高湍狀態(tài)，計算結(jié)果更加精確可靠，根據(jù)流體力學(xué)控制方程及湍流模型特點，其主要方程可表示為

(1)

式中，k,ε為未知量；ρ為流體密度，kg/m3；t為時間，s；x為向量；u，V為流體運動速度，m/s；μ為流體動力粘度，N/(m2·s)；C1ε,C2ε為常量，根據(jù)經(jīng)驗分別取1.33和1.85；αk,αε為湍流普朗特系數(shù)，根據(jù)經(jīng)驗分別取1.0和1.25。

3.1.2 網(wǎng)格模型

對改進(jìn)前后打開排液口時的情況進(jìn)行模擬，利用SOLIDWORKS軟件對氣液分離裝置內(nèi)部流場進(jìn)行三維建模，并導(dǎo)入ICEM CFD軟件中劃分網(wǎng)格，模型選取四面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，對進(jìn)出口以及排液口區(qū)域進(jìn)行局部細(xì)化處理，最終生成的網(wǎng)格質(zhì)量較好。罐體內(nèi)部流場網(wǎng)格模型如圖3所示。

圖3 網(wǎng)格模型Fig.3 Grid model

3.2 仿真結(jié)果分析

3.2.1 軸心湍流動能變化

在FLUENT軟件中進(jìn)行數(shù)值模擬研究，為了提高數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，結(jié)合礦井壓風(fēng)管路實際情況，邊界條件設(shè)定進(jìn)口壓力為0.8 MPa，出口壓力為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，將最終計算結(jié)果導(dǎo)入CFD-POST軟件中進(jìn)行后處理分析。圖4為改進(jìn)前后氣液分離裝置軸心湍流動能變化趨勢，可以看出改進(jìn)前裝置內(nèi)部流體湍流動能發(fā)生多次突變，氣流不穩(wěn)定；改進(jìn)后裝置由于入射角度的影響，罐體頂部湍流動能逐漸增大，在氣流向下移動的過程中，軸心湍流動能整體較小，且逐漸減小到一定大小后基本保持平穩(wěn)，沒有出現(xiàn)氣流的強旋擾動，最后氣體湍流動能急劇上升通過排液口。

圖4 罐體軸心湍流動能變化趨勢Fig.4 Variation trend of turbulent kinetic energy of tank axis

3.2.2 水平截面速度矢量

圖5為改進(jìn)后氣液分離裝置距離排液口20 mm處的罐體水平截面速度矢量圖。

圖5 速度矢量Fig.5 Velocity vector diagram

可以看出,速度矢量基本呈旋流狀，靠近罐體內(nèi)壁區(qū)域氣流相對密集，氣體流動較為平穩(wěn)。

4 結(jié)論

對礦井壓風(fēng)管路排液裝置產(chǎn)生的振動及噪聲進(jìn)行了相關(guān)分析，并設(shè)計了帶導(dǎo)流板的氣液分離裝置。通過計算流體力學(xué)的方法進(jìn)行數(shù)值模擬，改進(jìn)后的裝置排液時湍流動能較小，流體運動較為平穩(wěn)，達(dá)到了排液及減振降噪的目的。此裝置易于拆卸，使用便捷，建議安裝于壓風(fēng)管路地勢低洼處，排液口亦可塞入海綿等用來集水，使用效果最佳。