礦用避難硐室壓縮空氣供給系統優(yōu)化設計

　　★煤炭科技機電與信息化★礦用避難硐室壓縮空氣供給系統優(yōu)化設計李凱張曉升李玉責曾慶華威士玉（長(cháng)治清華機械廠(chǎng)技術(shù)中心，山西省長(cháng)治市，046012）用氣站集中供氣方式通過(guò)無(wú)縫鋼管管路輸送至避難砸室各職能模塊。昆山空壓機維修工作時(shí)，空氣經(jīng)過(guò)自潔式空氣過(guò)濾器被吸入，通過(guò)PLC自動(dòng)清洗過(guò)濾器，空氣在經(jīng)過(guò)進(jìn)口導葉自動(dòng)調節后進(jìn)入一級壓縮，經(jīng)一級壓縮后的氣體溫度較高，然后進(jìn)入中間冷卻器進(jìn)行冷卻(水走管內，氣走管外，中冷器的水流量要求為110m/h)之后進(jìn)入二級壓縮系統為了驗證該系統的可靠性，以60人避難砸室為例，對其壓縮空氣供給系統所需氣瓶數量和供氣管路進(jìn)行設計計算，進(jìn)行了供氣管路耐壓試驗(test)和分系統功能(gōng néng)試驗。試驗結果表明，供氣管路在1.8MPa壓力下、持續30mm耐壓試驗無(wú)泄漏；調節壓縮空氣輸出(Output)壓力為12MPa，該壓縮空氣供給系統芫全滿(mǎn)足避難砸室各職能模塊壓縮空氣使用需求(demand)。
　　中圄分類(lèi)號TD774A礦用避難砸室主要用于礦工受困于井下發(fā)生瓦斯（煤塵）爆炸、冒頂塌方、火災阻隔、沖擊地壓等災害事故時(shí)的緊急避險。其對外能夠柢抗爆炸沖擊，柢御高溫煙氣，隔絕有毒有害氣體；對內能夠提供氧氣、食品、飲用水，去除有毒有害氣體、降溫除濕，為避險人員(personnel)提供基本生存(survive)條件，并為災變后的救援創(chuàng )造條件、贏(yíng)得時(shí)間。
　　壓縮空氣供給系統是避難砸室的重要組成部分，可在礦井壓風(fēng)損壞時(shí)為氣幕噴淋系統提供氣源，同時(shí)為無(wú)源蓄冰空調系統提供動(dòng)力氣源，保障避難砸室各職能模塊的正常工作(gōng zuò)。本文針對國內現已成熟的部分避難砸室壓縮空氣供給系統進(jìn)行研究礦用避難硐室壓縮空氣供給系統優(yōu)化（optimalize）設計分析可知，目前礦用避難砸室中各職能模塊所需壓縮空氣瓶基本為分散布置，且均為低壓匯流供氣方式，其原理如圄1所示，壓縮空氣經(jīng)空氣減壓器減壓后匯流，通過(guò)不銹鋼供氣管路輸送至避難砸室各職能模塊。但目前應用的避難砸室壓縮空氣供給系統由于低壓匯流方式所用減壓器數量較多，成本比較高，降低了產(chǎn)品市場(chǎng)(shì chǎng)競爭力；壓縮空氣瓶分散布置降低了砸室空間利用率，且避險人員進(jìn)入砸室后操作較為繁瑣；若有壓縮空氣瓶發(fā)生意外泄漏，則該空氣瓶組所有氣瓶都沒(méi)有辦法繼續使用，導致(cause)砸室內資源(zī yuán)的浪費。因此本文針對目前避難砸室壓縮空氣供給系統的弊端進(jìn)行優(yōu)化設計。
　　1避難砸室壓縮空氣供給系統原理設計所設計的新型避難砸室壓縮空氣供給系統如圄2所示，該壓縮空氣供給系統采用空氣高壓匯流方式替代現有的低壓匯流供氣方式，將避難砸室中所有壓縮空氣瓶集中布置，壓縮空氣高壓匯流至氣站末端，經(jīng)減壓器減壓后由壓縮空氣站兩端分別輸送至氣幕噴淋系統和蓄冰空調系統，實(shí)際使用過(guò)程中將減壓器出口壓力調節至
　　1. 2MPa，由于氣幕噴淋系統工作(gōng zuò)壓力(pressure)約為0.4MPa，因此需要加一個(gè)二級減壓器，而蓄冰空調系統可直接使用氣站輸出氣體作為動(dòng)力氣源。
　　2避難砸室壓縮空氣(Basin air)供給系統設計計算2.1壓縮空氣供給系統氣瓶數量計算體積為80L鋼瓶貯存壓縮空氣，鋼瓶實(shí)際充裝壓力為12MPa，根據氣體能量守恒定律，則單個(gè)壓縮空氣瓶的釋放空氣量：P2――大氣壓力，MPa；V2壓縮空氣釋放量，L.綜上所述，本文設計共選取35瓶壓縮空氣為15MP
　　A、80L鋼瓶，可滿(mǎn)足避難砸室壓縮空氣供給需求。
　　2.2壓縮空氣供給系統主管路設計計算設計的壓縮空氣供給系統采用無(wú)縫(seamless)鋼管代替常規不銹鋼管作為供氣管路，根據流體(fluid)力學(xué)相關(guān)知識，氣體管路中的管道直徑與其通過(guò)的流量、工作壓力、管道長(cháng)度和壓力損失等因素有關(guān)，可根據以下公式計算管道內徑：P1――工作壓力，Pa；△p壓力損失，一般不超過(guò)OlPa；L管道的名義長(cháng)度，m；由前述可知，壓縮空氣供給系統工作壓力尸：01MPa，該60人避難砸室壓縮空氣站與氣幕噴淋系統之間管路長(cháng)度L=8 m，氣幕噴淋系統總耗氣量Vi=2575L/min，即0.043m3/s.計算可得供氣主管路內徑忒20mm.該60人避難砸室壓縮空氣站與蓄冰空調系統之間管路長(cháng)度L2 =12m，蓄冰空調系統空氣凈化循環(huán)處理機的實(shí)測耗氣量V2 0004m3/s.計算可得供氣主管路內徑‘4mm.上述計算結果中，兩種供氣管路直徑差別較大，由于蓄冰空調系統耗氣量為額定值，根據流體力學(xué)相關(guān)知識，若氣源選擇(xuanze)較大管路內徑，并不會(huì )加蓄冰空調系統壓縮空氣耗氣量，且減小了壓縮空氣流動(dòng)阻力，易于保障(起保障作用的事物)蓄冰空調系統工作壓力。
　　因此壓縮空氣管路設計選用k25 mmX2.5mm（外徑(外緣直徑)X壁厚）無(wú)縫鋼管，內徑為20mm，其截面積遠大于2個(gè)內徑為4mm管路的截面積，芫全滿(mǎn)足2套蓄冰空調系統供氣需求。昆山空壓機是回轉容積式壓縮機，在其中水或其它液體當作活塞來(lái)壓縮氣體，然后將氣體排出。
　　由材料力學(xué)相關(guān)知識，管道承受均勻內壓，其內壁正應力計算為：-管道內應力，MPa一管道承壓，MPa；管道外徑，mm；管道內徑，mm. 5mm無(wú)縫鋼管承受12MPa壓力時(shí)，依據式（5）得ff=4.查詢(xún)相關(guān)資料(Means)可知，壁厚小于16mm的無(wú)縫鋼管屈服極限crs縫鋼管可滿(mǎn)足避難砸室壓縮空氣(Basin air)供給系統壓力要求。
　　3壓縮空氣供給系統功能試驗依據上述技術(shù)設計進(jìn)行避難砸室安裝，安裝芫畢后進(jìn)行系統功能試驗。昆山空壓機是回轉容積式壓縮機，在其中水或其它液體當作活塞來(lái)壓縮氣體，然后將氣體排出。
　　3.1供氣管路氣密試驗將供氣管路各接口(interface)處用記號筆分別編號礦用避難硐室壓縮(compression)空氣供給系統優(yōu)化設計(design)（116），打開(kāi)一個(gè)壓縮空氣瓶瓶閥和與之對應的匯流排角座閥，關(guān)閉氣幕噴淋裝置控制球閥(應用領(lǐng)域：食品、化工、石油、電力等)和蓄冰空調系統空氣凈化(Purification)循環(huán)（continue)處理機控制閥(Control valve)，將兩個(gè)減壓器輸出壓力均調節至18MPa，保壓30min.在各管路接口涂抹肥皂液進(jìn)行滲漏巡查，記錄(jì lù)試驗數據。由試驗數據可知，檢查13管路接口出現輕微泄漏，究其原因是由于安裝(installation)過(guò)程中接頭螺紋損壞，導致密封失效，而其余各管路連接處均無(wú)泄漏，產(chǎn)品(Product)合格率達93.8%，試驗證(Experimental)明該壓縮空氣供給系統氣密性良好。
　　3.2氣幕裝置功能試驗關(guān)閉礦井壓風(fēng)供氣球閥，打開(kāi)氣幕球閥，將管路內殘留氣體(gas)釋放；打開(kāi)一個(gè)壓縮空氣瓶瓶閥和與之對應的匯流排角座閥，調節減壓器輸出壓力開(kāi)啟防護(密閉□，空氣幕隨之產(chǎn)生，氣流可覆蓋（Cover)整個(gè)防護密閉□，關(guān)閉防護密閉□，空氣幕隨之消失，試驗記錄見(jiàn)表1.表1氣幕裝置測試記錄氣幕裝置編號聯(lián)動(dòng)試驗記錄氣幕覆蓋檢驗記錄/mm聯(lián)動(dòng)正常由表1可知，試驗過(guò)程中氣幕與防護密閉□聯(lián)動(dòng)正常，且氣幕管?chē)娚涑龅臍饬骺筛采w整個(gè)門(mén)框范圍內，試驗證明該壓縮空氣供給系統(system)可滿(mǎn)足氣幕裝置使用需求(demand)。
　　3.3噴淋裝置功能試驗關(guān)閉礦井壓風(fēng)供氣球閥，打開(kāi)噴淋球閥，將管路內殘留氣體釋放，而后關(guān)閉噴淋球閥。
　　打開(kāi)一個(gè)壓縮空氣瓶瓶閥和與之對應的匯流排角座閥，調節減壓器輸出壓力為0.4MPa，記錄此刻減壓器高壓表數值；關(guān)閉防護密閉□，打開(kāi)噴淋球閥，計時(shí)2min，而后關(guān)閉噴淋球閥，記錄此刻減壓器高壓表數值。噴淋裝置流量測試記錄見(jiàn)表2.表2嘖淋裝置流量測試記錄嘖淋裝置編號氣瓶試驗前壓氣(Pressure)瓶試驗后壓試驗時(shí)間噴淋裝置耗氣量及流量分別按式（6）和式（7）式計算：q二Pm2氣瓶試驗后壓力，MPa；氣瓶容積，L；將表2中數值分別代入式（6）和式（7），試驗中采用符合GB5099的15MPa/80L鋼瓶貯存壓縮空氣，可得噴淋裝置耗氣量0=20801，Q2=232L；噴淋裝置流量q=14L/min，q=1160L/min.由上述計算結果(result)可知，噴淋裝置流量，>500L/mm，試驗證明該壓縮空氣供給系統可滿(mǎn)足噴淋裝置使用需求(demand)。
　　3.4蓄冰空調系統功能試驗首先將蓄冰柜連接空調系統，將蓄冰柜內(Cabinet)注水至觀(guān)察窗中間位置，連接線(xiàn)路進(jìn)行蓄冰。昆山空壓機維修工作時(shí)，空氣經(jīng)過(guò)自潔式空氣過(guò)濾器被吸入，通過(guò)PLC自動(dòng)清洗過(guò)濾器，空氣在經(jīng)過(guò)進(jìn)口導葉自動(dòng)調節后進(jìn)入一級壓縮，經(jīng)一級壓縮后的氣體溫度較高，然后進(jìn)入中間冷卻器進(jìn)行冷卻(水走管內，氣走管外，中冷器的水流量要求為110m/h)之后進(jìn)入二級壓縮系統
　　待蓄冰芫成后，停止空調系統，將空氣凈化循環(huán)處理(chǔ lǐ)機與蓄冰柜連接，開(kāi)啟一個(gè)壓縮空氣瓶瓶閥，調節(adjust)減壓器輸出壓力為1.2MPa，緩慢開(kāi)啟空氣凈化循環(huán)處理機控制閥，并將切換閥調至“持續處理”檔位，在空氣凈化循環(huán)處理機下出風(fēng)口使用風(fēng)速風(fēng)溫儀進(jìn)行風(fēng)速和風(fēng)溫測試，選取5個(gè)測試點(diǎn)，然后取其平均值，試驗數據記錄見(jiàn)表3.表3出風(fēng)口風(fēng)速風(fēng)溫測試記錄時(shí)間持續處理模式快速處理模式風(fēng)速風(fēng)溫風(fēng)速風(fēng)溫將空氣凈化循環(huán)處理機切換閥調至“快速處理”檔位，采用同樣方法測試出風(fēng)口風(fēng)速和風(fēng)溫，試驗數據記錄見(jiàn)表3.由表3可知，空氣凈化循環(huán)處理機持續處理時(shí)平均風(fēng)速>
　　3. 5m/s，快速處理(chǔ lǐ)時(shí)平均風(fēng)速> 11m/s，試驗(test)證明該壓縮空氣供給系統(system)可滿(mǎn)足蓄冰空調系統使用需求。
　　4結論由避難砸室壓縮空氣供給系統(system)功能試驗可知，對供氣管路加壓1.8MPa壓力、持續30mm耐壓試驗，管路無(wú)泄漏；氣幕噴淋系統可對進(jìn)入砸室的避險人員進(jìn)行有毒有害氣體吹掃；蓄冰空調系統可對砸室內空氣進(jìn)行循環(huán)凈化處理，因此基本可以確定避難砸室壓縮空氣供給系統設計方案切實(shí)可行。昆山空壓機是回轉容積式壓縮機，在其中水或其它液體當作活塞來(lái)壓縮氣體，然后將氣體排出。該避難砸室壓縮空氣供給系統中氣瓶集中布置有效提高了避難砸室空間利用率；若有氣瓶發(fā)生泄漏，則其余氣瓶仍可繼續使用，提高了避難砸室設備利用率；縮減了避險人員進(jìn)入砸室后操作流程；60人避難砸室產(chǎn)品成本預算降低了約9%，見(jiàn)圄3所示。