基于熱力循環(huán)理論的礦井中央泵房通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化研究

唐建華，王海橋，孫定中

（1.湖南理工職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 湘潭 411104；2.湖南科技大學(xué) 資源環(huán)境與安全工程學(xué)院，湖南 湘潭 411201）

通風(fēng)系統(tǒng)是保證煤礦安全生產(chǎn)的重要基石[1-3]。當前通風(fēng)機負荷較大，通風(fēng)成本較高已成為很多煤礦面臨的現(xiàn)實問題[4-6]。熱力循環(huán)是使熱能連續(xù)不斷地轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能的熱力過程，提高了能源利用率，在生產(chǎn)實踐中得到了廣泛的應(yīng)用[7-9]。

國內(nèi)外學(xué)者對熱力循環(huán)進行了大量研究，取得了諸多研究成果。高溫?zé)嵩础⒌蜏責(zé)嵩?、工質(zhì)是熱力循環(huán)系統(tǒng)的3要素[10-12]。針對低溫?zé)嵩蠢眉夹g(shù)，劉建功[13-14]基于低溫?zé)嵩蠢矛F(xiàn)狀，指出其優(yōu)勢及存在局限，并根據(jù)煤礦低溫?zé)嵩刺攸c，提出低溫?zé)嵩淳C合利用技術(shù)。郭平業(yè)等[15]以礦井涌水為冷源及冷媒，對礦井熱害資源進行優(yōu)化利用。段澤敏等[16]以礦井排水、噴淋水及生活廢水作為低溫?zé)嵩?，以R134a為工質(zhì)，提出礦井余熱綜合利用系統(tǒng)。李翔宇[17]為緩解礦井冬季供暖負荷，提出礦井排水與熱泵方案，充分利用了低溫余熱資源。唐曉梅等[18]采用多級噴淋系統(tǒng)對礦井乏風(fēng)余熱進行回風(fēng)利用，并針對噴淋換熱效率進行了敏感性分析，取得了良好的經(jīng)濟與環(huán)境效益。針對高溫礦井熱源，康長豪等[19]分析了圍巖放熱、機械設(shè)備散熱等高溫礦井熱源，提出非空調(diào)降溫等多項措施，營造良好作業(yè)環(huán)境。張育瑋等[20]研究了高溫礦井熱源特征，并對高溫?zé)嵩催M行分類，并以周源山煤礦為背景分析了風(fēng)流穩(wěn)定性受礦井熱源的影響。張瑾等[21]對以空氣壓縮熱及地?zé)釣闊嵩吹牡V井進行分析，提出局部制冷降溫等熱害處理技術(shù)，改善了工作面高溫環(huán)境。此外，熱力循環(huán)技術(shù)在其它領(lǐng)域也有著廣泛應(yīng)用。吳浩宇等[22]采用氨水混合工質(zhì)建立一種新式循環(huán)，通過理論分析構(gòu)建的新熱力模型與朗肯循環(huán)進行對比，顯著提高了熱效率。蘇醒等[23]通過建造太陽能煙囪理論與數(shù)值模型，將太陽能轉(zhuǎn)換為房間空氣流動動能，降低了室溫，增強了室內(nèi)通風(fēng)。張靖巖等[24]通過建立實驗豎井研究煙效應(yīng)機理，揭示室內(nèi)外溫差對空氣流動的影響。

以長沙礦業(yè)集團竹山塘煤礦-170 m水平中央泵房通風(fēng)中熱力循環(huán)為研究對象，通過對礦井通風(fēng)系統(tǒng)技術(shù)改造，利用泵房排水設(shè)備連續(xù)不斷的散熱為高溫?zé)嵩?，礦井深部冷水為冷源，礦井及地面空氣為工質(zhì)，在泵房通風(fēng)中形成了熱力循環(huán)系統(tǒng)，實現(xiàn)了泵房余熱轉(zhuǎn)化為泵房通風(fēng)空氣流動動能，減少了礦井主要通風(fēng)機負荷，節(jié)約了礦井用電量。

1 工程概況

竹山塘煤礦隸屬于湖南省長沙礦業(yè)集團，生產(chǎn)能力18萬t/a。礦井開拓方式為斜井開拓，其中，主井、副井、新風(fēng)井布置在工業(yè)廣場，老風(fēng)井布置在井田邊界。新風(fēng)井主要通風(fēng)機型號為BDⅡ-8.NO20、電機功率為2×90 kW、風(fēng)壓為1 800 Pa、風(fēng)量為56.67 m3/s；老風(fēng)井主要通風(fēng)機型號為JS128-8、電機功率為155 kW、風(fēng)壓為1 450 Pa、風(fēng)量為38.33 m3/s。老風(fēng)井主要提供礦井采、掘工作面等地點所需的風(fēng)量，新風(fēng)井主要提供中央泵房所需的風(fēng)量。礦井通風(fēng)系統(tǒng)如圖1。

2 中央泵房熱力循環(huán)系統(tǒng)

2.1 熱力循環(huán)系統(tǒng)技術(shù)方案

中央泵房位于-170 m水平，共有26臺水泵，其中水泵D500-57×6型24臺、MD450×60×5型水泵2臺，配套電機功率均為680 kW。副井安裝4趟準530 mm×11 mm排水管、3趟 準430 mm×11 mm排水管，最大排水能力為10 000 m3/h。為在-170 m水平中央泵房通風(fēng)系統(tǒng)中形成熱力循環(huán)，設(shè)計副井為泵房進風(fēng)井，新風(fēng)井為泵房回風(fēng)井。同時，在副井井口建立多級噴淋室系統(tǒng)，降低副井進風(fēng)風(fēng)流溫度，并在-150 m水平回風(fēng)巷建立隔熱風(fēng)道，收集水泵電機排放的熱風(fēng)。副井井底車場、-170 m水平中央泵房東、西水閘門建立風(fēng)門，-170 m水平中央泵房形成獨立進、回風(fēng)。為提高中央泵房通風(fēng)系統(tǒng)中熱力循環(huán)的熱效率，礦井地面空氣在高溫季節(jié)、高溫時段須經(jīng)過冷水降溫減濕處理。在副井井口建立雙級噴淋室系統(tǒng)，水源采用礦井深井冷水，深井冷水水源豐富，溫度恒定，經(jīng)實測平均溫度為20～21℃。熱力循環(huán)系統(tǒng)如圖2。

2.2 熱力循環(huán)系統(tǒng)工作原理

中央泵房通風(fēng)系統(tǒng)熱力循環(huán)中，高溫?zé)嵩粗饕桥潘秒姍C的散熱，冷源主要是深井冷水和地面冷空氣。礦井地面空氣溫度、濕度每年發(fā)生季節(jié)性、周期性變化，全年地面空氣溫度最高月份主要集中在7、8、9月，最低月份在1月。同時，地面空氣溫度、濕度也發(fā)生日變化，是以24 h為周期的周期性變化，氣溫一般在每天4:00—5:00氣溫最低，而在14:00—15:00氣溫最高。中央泵房熱力循環(huán)系統(tǒng)工作原理如圖3。

圖3 熱力循環(huán)系統(tǒng)工作原理Fig.3 Operational principle of thermal cycle system

圖3中：①1-2為低溫季節(jié)風(fēng)冷水泵電機排出的熱空氣在新風(fēng)井內(nèi)定熵膨脹過程，2-3為低溫季節(jié)風(fēng)井排風(fēng)在地面冷卻降溫過程，3-4為低溫季節(jié)地面進風(fēng)在副井加熱過程，4-1為低溫季節(jié)風(fēng)流在泵房內(nèi)加熱過程；②1′-2′為高溫季節(jié)風(fēng)冷水泵電機排出的熱空氣在新風(fēng)井內(nèi)定熵膨脹過程，2′-3′為高溫季節(jié)地面熱空氣在雙級噴水室降溫減濕過程，3′-4′為高溫季節(jié)地面進風(fēng)在副井內(nèi)降溫過程，4′-1′為高溫季節(jié)風(fēng)流在泵房內(nèi)加熱過程。

3 熱力循環(huán)系統(tǒng)運行可行性分析及經(jīng)濟效益

熱力循環(huán)系統(tǒng)通風(fēng)總阻力小于熱力循環(huán)提供的通風(fēng)動壓，系統(tǒng)運行才會安全可靠。副井至新風(fēng)井通風(fēng)總阻力h1計算方式為：

式中：α1、α2分別為副井和新風(fēng)井的摩擦阻力系數(shù)，取66×10-4（N·s2）/m4和29×10-4（N·s2）/m4；L1、L2分別為副井和新風(fēng)井井筒長度，取741 m和568 m；U1、U2分別為副井和新風(fēng)井凈斷面周長，取12.2 m和9.8 m；S1、S2分別為副井和新風(fēng)井凈斷面積，取10.3 m2和6.5 m2；Q為通過副井和新風(fēng)井的風(fēng)量，實測為31.7 m3/s。

可得，副井至新風(fēng)井通風(fēng)總阻力h1為131.03 Pa。

中央泵房熱力循環(huán)系統(tǒng)的通風(fēng)動壓主要為副井進入泵房的冷空氣吸收熱量，吸熱后空氣膨脹并對外做功，推動空氣流動，熱能轉(zhuǎn)化為空氣流動的機械能。通風(fēng)動壓的大小取決于冷空氣、熱空氣的溫度。冷、熱空氣溫度隨熱交換程度變化而變化、隨空氣壓力變化而變化，為簡化計算過程，此處采用冷、熱空氣平均溫度計算通風(fēng)動壓。

熱力循環(huán)系統(tǒng)通風(fēng)動壓h2計算方式為：

式中：p為副井口地面大氣壓，取99 800 Pa；H為副井垂深，取289.6 m；T1、T2分別為副井和新風(fēng)井平均熱力學(xué)溫度，取295 K和307 K；g為重力加速度，取9.8 m/s2；R為礦井空氣常數(shù)，取287 J/（kg·K）。

可得，副井至新風(fēng)井通風(fēng)動壓h2為168.63 Pa。

通過以上分析，可知竹山塘煤礦中央泵房熱力循環(huán)系統(tǒng)改造后的通風(fēng)動壓大于通風(fēng)總阻力（h2>h1），證明系統(tǒng)運行穩(wěn)定是可靠的。熱力循環(huán)系統(tǒng)建成后，新風(fēng)井原有通風(fēng)機可停用，直接釋放礦井主要通風(fēng)機風(fēng)量56.67 m3/s，預(yù)計每年可減少用電量157.68萬kWh，帶來的經(jīng)濟效益達394.2萬元。

4 熱力循環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定性影響因素分析

在熱力循環(huán)系統(tǒng)中，增大通風(fēng)動壓和減小通風(fēng)總阻力是提高系統(tǒng)穩(wěn)定的2個重要手段。由式（1）可知，算式內(nèi)的井筒長度、井筒凈斷面周長及截面積等參量對于生產(chǎn)礦井已基本確定，且對此3項參量進行工程修正耗時耗資巨大，而優(yōu)化井筒摩擦阻力系數(shù)則相對可行。由式（2）可知，副井垂深、重力加速度及礦井空氣常數(shù)已基本確定，而副井和新風(fēng)井平均熱力學(xué)溫度則是一對變量。為此，針對副井、新風(fēng)井井筒摩擦阻力系數(shù)和平均熱力學(xué)溫度對熱力循環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定性影響展開分析。

4.1 井筒摩擦阻力系數(shù)的影響

為研究井筒摩擦阻力系數(shù)對熱力循環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定性影響，取α1=50～70（N·s2）/m4，α2=10～30（N·s2）/m4，研究得到不同副井及新風(fēng)井摩擦阻力系數(shù)條件下的通風(fēng)總阻力，井筒摩擦阻力系數(shù)對熱力循環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響如圖4。

圖4 井筒摩擦阻力系數(shù)對熱力循環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響Fig.4 Influence of wellbore friction coefficient on stability of thermal cycle system

由圖4可以看出，通風(fēng)總阻力與副井摩擦阻力系數(shù)、新風(fēng)井摩擦阻力系數(shù)均呈正相關(guān)關(guān)系。通風(fēng)總阻力隨新風(fēng)井摩擦阻力系數(shù)增加的變化梯度明顯高于副井摩擦阻力系數(shù)，表明新風(fēng)井摩擦阻力系數(shù)相較于副井對通風(fēng)總阻力的影響更大。究其原因，是由于新風(fēng)井井筒截面積較小，導(dǎo)致式（1）中α2的系數(shù)較大，從而使通風(fēng)總阻力受新風(fēng)井摩擦阻力系數(shù)的影響較大。綜上分析，降低井筒摩擦阻力系數(shù)，對減少通風(fēng)總阻力，保證熱力循環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定性具有重要意義。為減小摩擦阻力系數(shù)，應(yīng)選擇錨桿（索）等主動支護方式[25-27]，且盡量使井筒壁面平整，對局部變形破壞區(qū)域可采用錨噴、砌碹進行及時修復(fù)。

4.2 井筒平均熱力學(xué)溫度的影響

對副井、新風(fēng)井平均熱力學(xué)溫度對熱力循環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定性影響進行研究，《煤礦安全規(guī)程》[28]規(guī)定：機電設(shè)備硐室的空氣溫度不得超過30℃。根據(jù)實測，在泵房空氣溫度為30℃時，水泵電機散熱系統(tǒng)出口風(fēng)溫即高溫?zé)嵩礈囟葹?6℃。低溫季節(jié)副井井筒平均氣溫16℃，高溫季節(jié)副井井筒平均氣溫22℃，故低溫?zé)嵩礈囟?6～22℃。經(jīng)過換算，分別取T1=289～295 K，T2=313～319 K，得到不同副井及新風(fēng)井平均熱力學(xué)溫度條件下的通風(fēng)動壓，平均熱力學(xué)溫度對熱力循環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響如圖5。

圖5 平均熱力學(xué)溫度對熱力循環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響Fig.5 Influence of mean thermodynamic temperature on stability of thermal cycle system

由圖5可以看出，通風(fēng)動壓與副井平均熱力學(xué)溫度呈負相關(guān)關(guān)系，與新風(fēng)井平均熱力學(xué)溫度均呈正相關(guān)關(guān)系。通風(fēng)動壓隨副井平均熱力學(xué)溫度增加的變化梯度與新風(fēng)井平均熱力學(xué)溫度幾乎一致，表明副井平均熱力學(xué)溫度與新風(fēng)井平均熱力學(xué)溫度對通風(fēng)動壓的影響基本一致。綜上分析，副井平均熱力學(xué)溫度越低，新風(fēng)井平均熱力學(xué)溫度越高，通風(fēng)動壓則越大，越有利于熱力循環(huán)系統(tǒng)運行穩(wěn)定。

5 結(jié) 語

1）熱力循環(huán)系統(tǒng)通風(fēng)總阻力為131.03 Pa，通風(fēng)動壓為168.63 Pa，系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠。熱力循環(huán)系統(tǒng)建成后，直接釋放礦井主要通風(fēng)機風(fēng)量負荷56.67 m3/s，減少用電量157.68×104kWh/a，帶來的經(jīng)濟效益達394.2萬元。

2）通風(fēng)總阻力與副井、新風(fēng)井摩擦阻力系數(shù)均呈正相關(guān)關(guān)系，降低井筒摩擦阻力系數(shù)可有效減少通風(fēng)總阻力，從而保證熱力循環(huán)系統(tǒng)運行穩(wěn)定。為減小摩擦阻力系數(shù)，應(yīng)選擇錨桿（索）等主動支護方式，且盡量使井筒壁面平整，對局部變形破壞區(qū)域可采用錨噴、砌碹進行及時修復(fù)。

3）通風(fēng)動壓與副井平均熱力學(xué)溫度呈負相關(guān)關(guān)系，與新風(fēng)井平均熱力學(xué)溫度均呈正相關(guān)關(guān)系。副井平均熱力學(xué)溫度越低，新風(fēng)井平均熱力學(xué)溫度越高，通風(fēng)動壓則越大，越有利于熱力循環(huán)系統(tǒng)運行穩(wěn)定。