關(guān)于煤礦井筒電熱風(fēng)機(jī)組及其控制系統(tǒng)的設(shè)計研究

王洪海

（阜新礦業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，遼寧 阜新123000）

引言

在寒冷的冬季，利用通風(fēng)機(jī)向煤礦井下輸送空氣時，如果不對寒冷的空氣進(jìn)行特殊處理，那么空氣在往礦井輸送的過程中可能會結(jié)冰[1]。為了解決此問題，煤礦一般會使用工業(yè)熱風(fēng)機(jī)組，提前對寒冷的空氣進(jìn)行加熱，然后再將熱空氣輸送到煤礦井下[2-3]，不僅能夠避免冷空氣出現(xiàn)結(jié)冰的現(xiàn)象，同時還能夠提升煤礦井下溫度，改善礦井工作環(huán)境。但傳統(tǒng)的工業(yè)熱風(fēng)機(jī)組都是通過燃燒煤炭的方式來提供熱量，這種供熱方式不僅需要燃燒很多煤炭資源，需要投入很多人力和物力，更重要的是煤炭在燃燒時會產(chǎn)生大量的危害性氣體，對環(huán)境造成嚴(yán)重污染，不利于改善煤礦工作環(huán)境[4]。因此，應(yīng)對煤礦井筒熱風(fēng)機(jī)組進(jìn)行技術(shù)改造，利用清潔能源對空氣進(jìn)行加熱，以符合國家對節(jié)能減排的相關(guān)要求[5-6]。

1 煤礦井筒電熱風(fēng)機(jī)組總體方案布局

如圖1所示為煤礦井筒電熱風(fēng)機(jī)組總體方案布局。從圖中可以看出，電熱風(fēng)機(jī)組整體上由多個部分構(gòu)成，主要包括熱風(fēng)機(jī)組、配電柜、溫度傳感器、熱風(fēng)輸送管道等。其中熱風(fēng)機(jī)組和溫度傳感器分別有2套，溫度傳感器安裝在熱風(fēng)機(jī)組的出風(fēng)口位置，對出風(fēng)口熱風(fēng)溫度進(jìn)行檢測。熱風(fēng)機(jī)組出風(fēng)口與熱風(fēng)輸送管道固定連接，熱風(fēng)輸送管道經(jīng)過井筒安裝到井底位置。輸送管道為螺旋管道，直徑為1 m，管道外部需要利用保溫棉材料進(jìn)行裹附，降低熱量的流失，保障熱風(fēng)輸送到井底時具有穩(wěn)定的溫度。2套熱風(fēng)機(jī)組使用相同的配電柜進(jìn)行供電，同時溫度傳感器還需要與配電柜實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。

圖1 煤礦井筒電熱風(fēng)機(jī)組總體方案設(shè)計

2 電熱風(fēng)機(jī)組的工作過程

設(shè)備安裝時，配電柜和電熱風(fēng)機(jī)組與礦井井口之間的距離大約為20 m，配電柜以380 V的電壓給熱風(fēng)機(jī)組供電。利用通風(fēng)機(jī)將寒冷空氣送入熱風(fēng)機(jī)組中的加熱模塊進(jìn)行加熱。從熱風(fēng)機(jī)組中輸出的熱空氣，通過熱風(fēng)輸送管道輸送至礦井井底?；趥鞲衅骺梢詫崟r檢測熱風(fēng)機(jī)組輸出空氣的溫度，本研究中將熱風(fēng)機(jī)組輸出溫度設(shè)置為40℃。在控制系統(tǒng)的作用下，如果發(fā)現(xiàn)輸出的熱風(fēng)溫度低于40℃時，加熱模塊就會提升功率從而提升輸出空氣的溫度。相反的，如果檢測發(fā)現(xiàn)輸出溫度高于40℃時，加熱模塊可以降低加熱功率從而降低輸出空氣的溫度。40℃的熱空氣經(jīng)過井筒輸送到井底，與此同時冷空氣也會通過井口輸送到井底。冷空氣和熱空氣進(jìn)行充分混合后形成混合空氣，輸送到工作區(qū)域，改善工作區(qū)域的作業(yè)環(huán)境。

3 煤礦井筒電熱熱風(fēng)機(jī)組的設(shè)計

3.1 整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計

下頁圖2所示為熱風(fēng)機(jī)組整體結(jié)構(gòu)設(shè)計圖。從圖中可以看出，設(shè)計的熱風(fēng)機(jī)組主要由通風(fēng)機(jī)、保溫模塊、電加熱模塊等部分構(gòu)成。其中電加熱模塊位于保溫箱內(nèi)部，可有效避免熱量散失。通風(fēng)機(jī)與保溫箱之間、保溫箱和熱風(fēng)輸送管道之間全部通過空心柱體進(jìn)行連接。通風(fēng)機(jī)安裝在通風(fēng)機(jī)底座上面，保溫箱模塊安裝在整個設(shè)備的底座上。與熱風(fēng)輸送管道連接的空心柱體端部位置設(shè)置有阻物網(wǎng)，不僅實現(xiàn)了整個管道斷面的全覆蓋，還可以避免雜物通過空心柱體。保溫箱模塊上部位置的四個角落設(shè)置有吊耳，設(shè)備安裝時通過吊耳實現(xiàn)設(shè)備的起吊和安裝，同時還可通過吊耳對熱風(fēng)機(jī)組進(jìn)行固定。保溫模塊通過厚度為10 mm的鋼板進(jìn)行焊接而成，保溫模塊包含保溫外箱和保溫內(nèi)箱兩大部分，內(nèi)箱和外箱中間的間距設(shè)置為100 mm，需要填充保溫材料，以提升保溫模塊的保溫效果。該裝置中使用的是FKZ型號通風(fēng)機(jī)，基本滿足使用需要，同時還可以降低成本投入。

圖2 熱風(fēng)機(jī)組整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.2 電加熱模塊的設(shè)計

傳統(tǒng)的燃煤熱風(fēng)機(jī)組，具有勞動強(qiáng)度大、環(huán)境污染嚴(yán)重、易產(chǎn)生危害性氣體威脅礦井安全等劣勢，通過電加熱模塊取代傳統(tǒng)的燃煤方式，可有效解決以上缺陷問題。每個電加熱模塊都由多個抽屜式電加熱單元構(gòu)成，為了確保加熱效果，單元數(shù)量至少為6。電加熱單元主要由多個U型電加熱管并列安裝在支架上構(gòu)成。U型加熱管的排列方式可以確?？諝饧訜岬木鶆蛐裕嵘訜嵝Ч?，為熱風(fēng)機(jī)組加熱效率的提升奠定了堅實的基礎(chǔ)。此外，還包含有固定螺栓、導(dǎo)線、阻風(fēng)板等。阻風(fēng)板通過超薄螺旋片拼裝而成，安裝在相鄰兩根U型加熱管中間，起到阻隔的作用，增加空氣在熱風(fēng)機(jī)組內(nèi)部滯留的時間，盡可能提升空氣的加熱效果。U型加熱管并聯(lián)連接，通過這樣的方式可以確保不同U型加熱管之間能夠獨(dú)立運(yùn)行，即便其中某根U型加熱管出現(xiàn)損壞無法正常工作，也不會對整個裝置的運(yùn)行造成嚴(yán)重的影響。

4 煤礦井筒電熱風(fēng)機(jī)組控制系統(tǒng)的設(shè)計

本研究中設(shè)計的電熱風(fēng)機(jī)組總共有兩個機(jī)組，每個機(jī)組內(nèi)部包含6個電加熱單元，總共有12個電加熱單元，單元之間相互獨(dú)立運(yùn)行，某個單元是否投入使用不會對其他單元造成影響，每個電加熱單元配備有開關(guān)，通過開關(guān)的閉合實現(xiàn)加熱單元是否投入使用。電熱風(fēng)機(jī)組實際運(yùn)行時并不是所有的加熱單元都投入使用，而是需要根據(jù)實際情況進(jìn)行控制調(diào)整。

通過PID控制實現(xiàn)電熱風(fēng)機(jī)組輸出熱風(fēng)溫度的精確控制，如圖3所示為電熱風(fēng)機(jī)組控制系統(tǒng)示意圖。系統(tǒng)中設(shè)定的熱風(fēng)輸出溫度為40℃，利用安裝在熱風(fēng)機(jī)組出口位置的專業(yè)溫度傳感器對熱風(fēng)輸出溫度進(jìn)行實時檢測。并且溫度傳感器與配電柜中的控制器進(jìn)行連接，將檢測結(jié)果實時傳輸?shù)娇刂破髦羞M(jìn)行分析和處理。分析后如果發(fā)現(xiàn)實際溫度低于系統(tǒng)設(shè)定的40℃，PID控制器會下達(dá)指令對電加熱模塊各加熱單元的開關(guān)進(jìn)行控制，根據(jù)實際溫度與設(shè)定溫度之間的差值，控制開關(guān)開啟的數(shù)量，讓更多的加熱單元投入使用，提升空氣加熱效果，使之達(dá)到系統(tǒng)設(shè)定值40℃。相反的，如果分析后發(fā)現(xiàn)實際溫度比設(shè)定溫度高，那么PID控制器就會下達(dá)指令關(guān)閉部分加熱單元的開關(guān)，讓投入運(yùn)行的加熱單元數(shù)量減少，降低電熱風(fēng)機(jī)組的加熱效果，使輸出溫度降低至系統(tǒng)設(shè)定的40℃。

圖3 電熱風(fēng)機(jī)組控制系統(tǒng)示意圖

是自動控制模式即系統(tǒng)按照設(shè)定的程序自動運(yùn)行，將電熱風(fēng)機(jī)組的輸出溫度控制在40℃。此外，控制系統(tǒng)還可以以手動控制的方式運(yùn)行，即通過手動控制熱風(fēng)的輸出溫度，這種控制模式使用較少，只在特殊情況下使用，比如檢修時。手動控制模式下，操作人員只需要手動操作各加熱單元的開關(guān)即可。

5 實踐應(yīng)用效果

1）將本文設(shè)計的電熱風(fēng)機(jī)組運(yùn)用到煤礦實踐中，顯著降低了煤礦企業(yè)的人力和物力投入。經(jīng)過6個月的統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，電熱風(fēng)機(jī)組消耗的電能費(fèi)用，與傳統(tǒng)的工業(yè)熱風(fēng)機(jī)組消耗的煤炭資源費(fèi)用相比較而言，降低了20%左右。

2）使用電熱風(fēng)機(jī)組顯著降低了工作人員的勞動強(qiáng)度，也避免了燃燒煤炭時產(chǎn)生的二氧化碳等有毒有害氣體，使煤礦的工作環(huán)境得到顯著改善。

3）電熱風(fēng)機(jī)組為輸出空氣溫度的精確控制奠定了良好的基礎(chǔ)，可以實現(xiàn)煤礦井下溫度的精確調(diào)整。

4）實踐過程中，熱風(fēng)機(jī)組的輸出熱風(fēng)溫度非常穩(wěn)定的控制在40℃，使得井底的溫度也非常穩(wěn)定。基于以上分析可以發(fā)現(xiàn)，通過使用電熱風(fēng)機(jī)組，不僅提升了煤礦的自動化水平，同時為煤礦創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。