豎井口空氣加熱防凍系統的設計應用

潘 川，溫 超，楊世冬

（山東黃金集團蓬萊礦業有限公司，山東 煙臺 265400）

1 工程概況

蓬萊公司各礦段采用機械化通風，分區通風方式，強家溝礦段井下需風量19.28m3/s，河西礦段井下需風量19.28m3/s，侯格莊礦段井下需風量17.64m3/s。該地區距離黃海近、濕度大，在冬季井筒冰凍現象嚴重。

2 蓬萊礦業公司加熱方式的選擇

根據蓬萊公司現場實際情況，本次設計采用井口房密閉冷、熱風在井口房和井筒內同時混合方式，即空氣加熱器安裝在井口上方周邊，在井口房采用有風機冷熱風混合加熱。布置形式如圖1 所示。

圖1 冷、熱風在井筒內混合圖

3 豎井口空氣加熱防凍系統設計

3.1 空氣加熱量的計算

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機熱風量損耗、熱風傳輸通道散熱、井口熱量損失等，一般附件熱量無需單獨計算，一般是采取基本加熱量乘以一個系數算得，系數取值：井口房密閉取值1.05，井口不密閉取值1.15；基本加熱量是進口空氣加熱量的主要組成部分，有經驗計算公式。總加熱量Q計算如下：

式中，M ─設計進風量，Kg/s；α ─熱量損失率系數；密閉α 取1.05，不密閉α 取1.15；th─加熱后的混合空氣溫度，按照設計規范取值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）。

強家溝礦段：

河西礦段：

侯格莊礦段：

3.2 空氣加熱器的選擇計算

3.2.1 方案1：TS 熱水暖風機方案

（1）初選加熱器的型號：根據以上數據查空氣加熱器技術數據，每個礦段井口選用6 臺8TS 熱水暖風機，風量8500m3/h，熱水溫度65℃，散熱量70KW，進風溫度15℃，出風溫度41.5℃，風速3m/s，噪音66dB，電機功率0.65W，外形尺寸950mm＊850mm＊680mm。

（2）計算需通過空氣加熱器的風量：

式中M1─單位時間內空氣加熱器的通過風量，Kg/s；th0─加熱器出口熱風溫度，℃；

校核熱水暖風機的富余系數，一般取1.05 ～1.10。強家溝礦段：70＊6/375.5=1.12＞1.10，符合規范要求。齊家溝礦段：70＊6/375.5=1.12＞1.10，符合規范要求；候格莊礦段：70＊6/343.52=1.22＞1.10，符合規范要求；強家溝礦段：70＊6/375.5=1.12＞1.10，符合規范要求。

3.2.2 方案2：KDS(X)遠程射流空調機組方案

（1）初選加熱器的型號：

根據以上數據查空氣加熱器技術數據，每個礦段井口選2 臺KDS(X)-15 水平吊裝式遠程射流并聯，該空調機組單臺風量15000m3/h，熱量221.1KW，進風溫度15℃，出風溫度46℃，水平送風射程34m，噪音72dB，電機功率3＊2=6KW，外形尺寸2340mm＊1305＊860mm。

（2）計算需通過空氣加熱器的風量：

校核熱水暖風機的富余系數，一般取1.05～1.10；強家溝礦段：221.1＊2/375.5=1.17＞1.10，符合規范要求；齊家溝礦段：221.1＊2/375.5=1.17＞1.10，符合規范要求；候格莊礦段：221.1＊2/343.5=1.18＞1.10，符合規范要求。

3.2.3 方案比較

（1）投資費用比較：

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

表1 兩種方案的投資費用

通過以上主設備購置費用投資分析可見，KDS(X)遠程射流空調機組方案比TS 熱水暖風機方案少投資3.84 萬元。

（2）運行費用比較：

TS 熱 水 暖 風 機 風 機 功 率 為：0.65＊18=11.7KW，KDS(X)遠程射流空調機組風機功率為：3＊6=18KW，兩者相差6.3KW，采暖期運行電費方案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 為每個礦段井口3＊2=6 臺設備竄＊并聯布置，系統復雜，故障率高，備品備件費用高。

3.3 方案論證與優化應用

由以上方案對比和經濟技術分析可知，采用KDS(X)遠程射流空調機組方案可行性最高、投資費用最少、技術指標最好，該方案具有易損件少、可維修性強、故障率低的特點，可實現長周期連續運轉，設計在每個礦段井口選2 臺KDS(X)-15 水平吊裝式遠程射流空調機組并聯布置安裝。

公司組織了設備考察小組，對相關設備進行考察研究，遠程射流空調機組風口送出的熱射流滿足以下要求：①冷熱風能夠勻速下井并充分混合，并射流至送到指定的位置；②熱風送風距離和送風位置合理，不會造成下井人員的冷風吹打引發不適；③末端混合風流溫度舒適，溫差滿足設計要求。④運行中噪音小，幾乎感覺不到噪聲。

最終設計在蓬萊公司各礦段井口房內井口兩邊并列安裝2 臺KDS(X)-15 水平吊裝式遠程射流空調機組，機組下體面距離地面高度2m，進風口距離井口房板墻0.5m 以上。

3.4 供熱設備方案

（1）供熱方案。充分利用礦井螺桿式空壓機的工作余熱。螺桿式空壓機工作過程中80%的輸入電能轉為熱量，20%的電能轉換為壓縮空氣動能，由此可見螺桿式空壓機工作過程產生余熱較多。通過高效熱交換器實現供熱，實現能量的回收利用，實現節能減排。現根據蓬萊公司各礦段井筒保暖供熱量及空壓機的運行情況，將強家溝礦井2 臺250KW 螺桿空壓機組、齊家溝礦井3 臺110KW 螺桿空壓機組、候格莊礦井1 臺250KW 和2 臺110KW 螺桿式空壓機在機房安裝油氣熱能雙交換機組進行余熱回收生產熱水。同時為了彌補空壓機余熱回收不足情況，相應各礦井采用1 臺120KW智能電熱水器啟動供熱水，其它輔助設施配套不變，供配電系統與空壓機互為輪換使用。

（2）供熱量核算。采用鑫生力空壓機余熱機組，當空壓機加載率達到88%時，熱回收制熱COP為88%，余熱回收系統運行過程中，應考濾輸送管道和閥件等輻射熱損失，經實際管道及閥件的設計，輻射熱損失設計為6%。那么2臺250kw空壓機熱回收制熱量為：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

在三個分礦礦井空壓機余熱回收供暖系統已有設施管路的基礎上，該方案只需在各礦段井口房內井口兩邊并列安裝KDS(X)-15 水平吊裝式遠程射流空調機組2 臺及相應配套管路，采用空壓機余熱回收機組，出水溫度為55℃～65℃，可以直接替代電熱加熱風爐。設置的井筒防凍專用空氣加熱器使冷熱風混合后在進入井筒，井筒內的混合熱空氣溫度不低于2℃，實現井筒內不結冰。螺桿空壓機余熱回收供暖+KDS(X)遠程射流空調機組井口房送熱風方案相比于電熱風爐+玻璃鋼風筒的現行設計方案，減少投資費用約為158.1 萬元。

5 結論

蓬萊公司采用的豎井口空氣加熱防凍系統的設計方案，采取了螺桿空壓機余熱回收供暖+智能電熱水器的加熱防凍系統，應用遠程射流技術實現對井筒防凍有效控制，充分利用螺桿空壓機余熱礦井供風的加熱。該方案技術上可行，能夠實現余熱合理利用、投資小、能耗低、建設周期短、易損件少、故障率低，可實現長周期連續穩定運行。并且在解決進口防凍問題的同時，節省投資費用約為158.1 萬元，經濟效益較大。