趙永,牛明建(新疆鵬電熱力工程有限公司,新疆 烏蘇 833000)
隨著電熱能轉換技術日趨完善,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力,已是大勢所趨。電加熱供熱風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,維護費用高,運營中人工成本高,運行過程中“三廢”處理非常麻煩且成本高。不能根據(jù)室外溫度調整燃料使用量。鑒于此,提出了使用電熱風爐對煤礦巷道主、副井供暖保溫防凍系統(tǒng)改造方案,新暖風系統(tǒng)可實現(xiàn)無人值守,自動控制,熱風溫度、風量可根據(jù)室外溫度及時調整,安全環(huán)保、衛(wèi)生。
原副井暖風系統(tǒng):蒸汽換熱器置于地下3 m位置,使用礦井軸流通風機(風量21.5 m3/s),吸入自然空氣,通過蒸汽換熱裝置加熱空氣,熱風溫度控制在30~50 ℃左右,通過混風后風溫在10 ℃左右進入井筒。副井口熱風系統(tǒng)示意圖如圖1所示。
圖1 金川煤礦副井示意圖
系統(tǒng)設計參數(shù):(1)井口外界極端溫度(-28 ℃);(2)要求出風口溫度大于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,管道銹蝕嚴重,跑、冒、滴、漏頻頻發(fā)生,熱損大、維修費用高。同時,鍋爐未做脫硫、脫硝措施,廢渣、煙塵排放不符合現(xiàn)標準要求,更不符合當前環(huán)境治理政策。冬季生產(chǎn)過程中,換熱時吸風量較大,易在吸風口產(chǎn)生結露現(xiàn)象,同時因熱蒸氣溢出時也易凝結于進風口,嚴重時封死進氣通道,需要使用人力、機械清除,安全隱患較大。副井井架、天輪絞盤至井口約30 m,完全露天,在冬季使用時出現(xiàn)結冰、打滑等現(xiàn)象,給冬季安全生產(chǎn)埋下隱患。
1.2.1 副井暖風系統(tǒng)設計原則
(1)結合井口現(xiàn)有系統(tǒng)現(xiàn)狀,充分考慮機組風量、數(shù)量、送風方式等特點,盡量保留原有系統(tǒng)的基礎設施,降低改造成本;(2)電熱風系統(tǒng)不影響原系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行,不能對其他設備造成影響;(3)解決副井井筒防凍問題和副井井架和天輪、絞盤、鋼絲繩結冰問題;(4)設計方案符合煤礦安全規(guī)程要求,不能對礦井造成安全隱患(主要指使用的電熱風爐安放位置,應在2區(qū)以外,其熱風輸送管道做好保溫、防靜電、防摩擦,干熱風溫度不宜過高);(5)冷風溫度(-28 ℃),外露地表井筒處熱損、井筒壁蓄熱、井口房結構特點及建筑圍護體散熱損失、井口房內物料蓄熱與散熱、鋼絲繩加熱與散熱、井口房地面散熱等。風流經(jīng)L長井筒后的溫度,即要達到的溫度為10 ℃,流經(jīng)副井井筒的平均風速(取異常狀態(tài)通風困難時期的最大通風量40 m3/s)[2]。
1.2.2 副井暖風系統(tǒng)設計方案
直接將電熱風爐產(chǎn)生的熱風送入井口房,分別從四個方向:(1)北邊人員通道門;(2)南邊物料進出門;(3)北面玻璃墻;(4)東邊井架至鋼絲繩絞盤門鼓入熱風(不同區(qū)域熱風射入熱風溫度、射入角度及熱風流量不同),保持井口房內溫度在15 ℃以上,熱風與冷風在井口房內混合后被吸入井口。
1.2.3 系統(tǒng)方案參數(shù)計算
(1)副井在通風困難時進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),井口最大進風量40 m3/s,風速為2.22 m/s(在2級風速以內,面感微風,無揚塵),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為空氣質量流量(kg/s);tn、t1為流經(jīng)井筒內平均風溫、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α=1.05~1.10,密閉時α=1.10~1.15。
(2)副井井口房圍護結構的散熱計算。
式中:Q2為井口房建筑圍護結構散熱量(kW);K為圍護結構的散熱系數(shù),圍護結構為鋼結構,墻體及屋頂為彩鋼+巖棉+彩鋼δ0.5+δ150+δ0.5,導熱系數(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修正計算;A為圍護結構的面積(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為井口房內平均風溫、室外計算取暖溫度,分別為15 ℃、-21 ℃。
(3)井口房地面散熱量計算。應用地帶法測算地面散熱損失。
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)井筒內平均風溫、室外計算取暖溫度,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、鋼絲繩表面凝結水分(從井下帶出)干燥所需熱量,因為每個環(huán)節(jié)都較為復雜,如:干容量1 800 kg/m3的鋼筋混凝土,導熱系數(shù)1.74 w/m·k。干容量不同其導熱系數(shù)不同,井壁厚度影響了傳熱值),又因為該礦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上加修正系數(shù)1.15即可,因此不再累述。
(5)總需求熱量計算。
經(jīng)過上述計算,副井防凍所需熱量為2 513 kW。如果以進入井口房內熱風最高溫度設定在55 ℃(熱風供暖上限溫度),通過計算可得出空氣電加熱器的風量為88 500 m3/h(24.6 m3/s)。
室外冷空氣由風機吸入電加熱機體內,被加熱變成熱風,從出風口接閉風防火器進入并聯(lián)風管,由礦用軸流風機將熱風引到井口房。(1)供熱風量和出風溫度(或冷熱風混合溫度)由傳感器、控制器和電動溫控閥組成的溫度控制系統(tǒng)自動調節(jié),必能顯示進風溫度、出風溫度及井口房混合風溫度。(2)礦用軸流風機與預混風箱體連接,該由新風調節(jié)閥、圍護鋼板和保溫密封材料組成;可通過調節(jié)閥控制新風量進入大小,從而二次調控熱風溫度。特殊情況下,可向井口房持續(xù)供正壓新鮮風,確保人員安全。(3)當室外空氣達到0 ℃以下時,由于井口房內(除井筒內為負壓)微正壓,從而使熱氣部分溢出,對室外進、出裸露鋼絲繩、鋼件加熱,溫度將有明顯提高,鋼絲繩結冰問題可得到實質性解決。
電熱風爐由低噪音、多葉片離心風機(全壓>2 400 Pa,風量3.8~5.6 m3/s)、高效翅片電加熱機體(含箱體,最高輸出功率300 kW)、電控柜(可調頻、調風量、風溫、輸出功率)組成。產(chǎn)出干燥、干凈的熱風,熱風溫度可控制80~150 ℃。加熱量為749~1 110 kW,共選用4套并聯(lián)[4]。
副井暖風系統(tǒng)設計要能保證副井井筒、絞盤、鋼絲繩冬季不結冰,擬采用電熱風系統(tǒng)予以供熱,幾套熱風爐并聯(lián),并聯(lián)后的主風道在進入井口房后分成4個分叉(分別為(1)北邊人員通道門;(2)南邊物料進出門;(3)北面玻璃墻;(4)東邊井架至鋼絲繩絞盤門)鼓入熱風,中間增加控制閥門,可以依據(jù)實際情況進行切換熱風流向及熱源流量。尤其(2)、(4)區(qū)域的熱風射入角度及熱風流量需要根據(jù)鋼絲繩及絞盤實際需要進行調整。
以上方案主要考慮到井口處是負壓,因此只要將熱風送到井口房內,首先確保井口房內溫度不低于15 ℃以上,保證井口房、井筒、絞盤、鋼絲繩不結冰,從而即可保證整個井筒易結冰段溫度在10 ℃以上。
可采用一套控制軟件系統(tǒng),對電熱風供應暖風系統(tǒng)運行過程中對室外溫度、井口平均溫度、電熱風爐出風口的熱風溫度,熱風流量進行24 h不間斷采集,從而及時調節(jié)電加熱系統(tǒng)功率。并對各出風口風量進行控制,控制閥可采用手動/自動控制,系統(tǒng)運行狀態(tài)可以在控制柜進行監(jiān)控,出現(xiàn)故障報警及時維護。同時系統(tǒng)裝有井口危險氣體超濃度報警裝置,與電熱風加熱控制、新風控制閥聯(lián)接,根據(jù)需要執(zhí)行相關指令操作[5]。
由于該套電熱風加熱系統(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,可達到節(jié)能環(huán)保的效果;使電加熱熱風系統(tǒng),自動調節(jié)溫度,運行過程更加安全、平穩(wěn)、可靠。同時這套方案,解決了外露鋼絲繩結冰打滑現(xiàn)象,保證了提升安全,使得副井人員安全更有保證。