竖井口空气加热防冻系统的设计应用

潘 川，温 超，杨世冬

（山东黄金集团蓬莱矿业有限公司，山东 烟台 265400）

1 工程概况

蓬莱公司各矿段采用机械化通风，分区通风方式，强家沟矿段井下需风量19.28m³/s，河西矿段井下需风量19.28m³/s，侯格庄矿段井下需风量17.64m³/s。该地区距离黄海近、湿度大，在冬季井筒冰冻现象严重。

2 蓬莱矿业公司加热方式的选择

根据蓬莱公司现场实际情况，本次设计采用井口房密闭冷、热风在井口房和井筒内同时混合方式，即空气加热器安装在井口上方周边，在井口房采用有风机冷热风混合加热。布置形式如图1 所示。

图1 冷、热风在井筒内混合图

3 竖井口空气加热防冻系统设计

3.1 空气加热量的计算

井口空气加热量分为两部分热量：基本加热量+附加热损失。其中附加热损失包括通风机热风量损耗、热风传输通道散热、井口热量损失等，一般附件热量无需单独计算，一般是采取基本加热量乘以一个系数算得，系数取值：井口房密闭取值1.05，井口不密闭取值1.15；基本加热量是进口空气加热量的主要组成部分，有经验计算公式。总加热量Q计算如下：

式中，M ─设计进风量，Kg/s；α ─热量损失率系数；密闭α 取1.05，不密闭α 取1.15；th─加热后的混合空气温度，按照设计规范取值2℃；tl─加热之前室外空气温度，℃；CP─空气定压比热，取值1.1 KJ/（Kg·K）。

强家沟矿段：

河西矿段：

侯格庄矿段：

3.2 空气加热器的选择计算

3.2.1 方案1：TS 热水暖风机方案

（1）初选加热器的型号：根据以上数据查空气加热器技术数据，每个矿段井口选用6 台8TS 热水暖风机，风量8500m3/h，热水温度65℃，散热量70KW，进风温度15℃，出风温度41.5℃，风速3m/s，噪音66dB，电机功率0.65W，外形尺寸950mm＊850mm＊680mm。

（2）计算需通过空气加热器的风量：

式中M1─单位时间内空气加热器的通过风量，Kg/s；th0─加热器出口热风温度，℃；

校核热水暖风机的富余系数，一般取1.05 ～1.10。强家沟矿段：70＊6/375.5=1.12＞1.10，符合规范要求。齐家沟矿段：70＊6/375.5=1.12＞1.10，符合规范要求；候格庄矿段：70＊6/343.52=1.22＞1.10，符合规范要求；强家沟矿段：70＊6/375.5=1.12＞1.10，符合规范要求。

3.2.2 方案2：KDS(X)远程射流空调机组方案

（1）初选加热器的型号：

根据以上数据查空气加热器技术数据，每个矿段井口选2 台KDS(X)-15 水平吊装式远程射流并联，该空调机组单台风量15000m3/h，热量221.1KW，进风温度15℃，出风温度46℃，水平送风射程34m，噪音72dB，电机功率3＊2=6KW，外形尺寸2340mm＊1305＊860mm。

（2）计算需通过空气加热器的风量：

校核热水暖风机的富余系数，一般取1.05～1.10；强家沟矿段：221.1＊2/375.5=1.17＞1.10，符合规范要求；齐家沟矿段：221.1＊2/375.5=1.17＞1.10，符合规范要求；候格庄矿段：221.1＊2/343.5=1.18＞1.10，符合规范要求。

3.2.3 方案比较

（1）投资费用比较：

由于两种方案的辅助设备及供暖设备一样，因此投资费用比较只针对主设备购置费用，方案投资比较详见下表。

表1 两种方案的投资费用

通过以上主设备购置费用投资分析可见，KDS(X)远程射流空调机组方案比TS 热水暖风机方案少投资3.84 万元。

（2）运行费用比较：

TS 热 水 暖 风 机 风 机 功 率 为：0.65＊18=11.7KW，KDS(X)远程射流空调机组风机功率为：3＊6=18KW，两者相差6.3KW，采暖期运行电费方案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 为每个矿段井口3＊2=6 台设备窜＊并联布置，系统复杂，故障率高，备品备件费用高。

3.3 方案论证与优化应用

由以上方案对比和经济技术分析可知，采用KDS(X)远程射流空调机组方案可行性最高、投资费用最少、技术指标最好，该方案具有易损件少、可维修性强、故障率低的特点，可实现长周期连续运转，设计在每个矿段井口选2 台KDS(X)-15 水平吊装式远程射流空调机组并联布置安装。

公司组织了设备考察小组，对相关设备进行考察研究，远程射流空调机组风口送出的热射流满足以下要求：①冷热风能够匀速下井并充分混合，并射流至送到指定的位置；②热风送风距离和送风位置合理，不会造成下井人员的冷风吹打引发不适；③末端混合风流温度舒适，温差满足设计要求。④运行中噪音小，几乎感觉不到噪声。

最终设计在蓬莱公司各矿段井口房内井口两边并列安装2 台KDS(X)-15 水平吊装式远程射流空调机组，机组下体面距离地面高度2m，进风口距离井口房板墙0.5m 以上。

3.4 供热设备方案

（1）供热方案。充分利用矿井螺杆式空压机的工作余热。螺杆式空压机工作过程中80%的输入电能转为热量，20%的电能转换为压缩空气动能，由此可见螺杆式空压机工作过程产生余热较多。通过高效热交换器实现供热，实现能量的回收利用，实现节能减排。现根据蓬莱公司各矿段井筒保暖供热量及空压机的运行情况，将强家沟矿井2 台250KW 螺杆空压机组、齐家沟矿井3 台110KW 螺杆空压机组、候格庄矿井1 台250KW 和2 台110KW 螺杆式空压机在机房安装油气热能双交换机组进行余热回收生产热水。同时为了弥补空压机余热回收不足情况，相应各矿井采用1 台120KW智能电热水器启动供热水，其它辅助设施配套不变，供配电系统与空压机互为轮换使用。

（2）供热量核算。采用鑫生力空压机余热机组，当空压机加载率达到88%时，热回收制热COP为88%，余热回收系统运行过程中，应考滤输送管道和阀件等辐射热损失，经实际管道及阀件的设计，辐射热损失设计为6%。那么2台250kw空压机热回收制热量为：Q=（250kw×88%×（1-6%）×2=413.6kw＞375.50kw。由此核算各矿段满足供热量要求。

4 效益分析

在三个分矿矿井空压机余热回收供暖系统已有设施管路的基础上，该方案只需在各矿段井口房内井口两边并列安装KDS(X)-15 水平吊装式远程射流空调机组2 台及相应配套管路，采用空压机余热回收机组，出水温度为55℃～65℃，可以直接替代电热加热风炉。设置的井筒防冻专用空气加热器使冷热风混合后在进入井筒，井筒内的混合热空气温度不低于2℃，实现井筒内不结冰。螺杆空压机余热回收供暖+KDS(X)远程射流空调机组井口房送热风方案相比于电热风炉+玻璃钢风筒的现行设计方案，减少投资费用约为158.1 万元。

5 结论

蓬莱公司采用的竖井口空气加热防冻系统的设计方案，采取了螺杆空压机余热回收供暖+智能电热水器的加热防冻系统，应用远程射流技术实现对井筒防冻有效控制，充分利用螺杆空压机余热矿井供风的加热。该方案技术上可行，能够实现余热合理利用、投资小、能耗低、建设周期短、易损件少、故障率低，可实现长周期连续稳定运行。并且在解决进口防冻问题的同时，节省投资费用约为158.1 万元，经济效益较大。