河南洛寧抽水蓄能電站洞室開挖煙塵凈化裝置研究

殷 康，高 健，張興彬，王 波，楊沛基

（1.河南洛寧抽水蓄能有限公司，河南省洛陽市 471700；2.華北科技學院 應急技術(shù)與管理學院，北京市 101601）

0 引言

抽水蓄能電站洞室爆破施工產(chǎn)生的粉塵會長時間聚集在掌子面，進一步在洞室中擴散，極大程度上影響作業(yè)人員的身體健康。黨的十九大以來，對環(huán)保提出更高要求，各級環(huán)保部門及職業(yè)病管理機構(gòu)非常關(guān)注環(huán)保措施，目前常規(guī)的治理方式是通過正壓通風將放炮后掌子面產(chǎn)生的粉塵排出，但是粉塵在排出過程中會進一步的擴散去污染整個隧道，并且存在除塵效果不明顯、耗能大等問題。因此開展洞室煙塵凈化研究工作刻不容緩。

近年來，國內(nèi)一些學者關(guān)于洞室煙塵凈化技術(shù)進行了大量的研究，取得了豐碩的成果，孫會想等[1]依托白鶴灘水電站工程，研究地下洞室群開挖期通風散煙特點和規(guī)律，形成了一套高效節(jié)能的通風散煙系統(tǒng)；亓守臣等[2]根據(jù)長大隧道的特征，針對長大隧道各個不同時期提出了具體的粉塵控制技術(shù)措施及方案；譚信榮等[3]基于油竹山隧道，通過分析隧道空氣數(shù)據(jù)，提出了隧道內(nèi)干式除塵機與隧道通風結(jié)合的措施，有效降低了隧道粉塵含量；趙亞鵬[4]通過調(diào)查研究脈沖袋式除塵器在山西陽煤電石化工有限責任公司的應用實例情況，介紹了脈沖袋式除塵器的結(jié)構(gòu)形式、除塵原理及除塵效果；劉紹銀[5]對影響電除塵器二次揚塵的各種因素及生成的機理進行了系統(tǒng)的分析，并介紹了對于二次揚塵的檢測方法；牛學勤[6]介紹了自激濕式除塵器在現(xiàn)場的應用情況，并結(jié)合現(xiàn)場所出現(xiàn)的問題，對自激式濕式除塵器提出了改進意見。趙玉報等[7]介紹了干式除塵機的除塵機理，探討了干式除塵機的除塵工藝并進行相應的應用。羅方武[8]基于長大隧道施工的粉塵治理問題，提出了一種干式除塵方案，并對其除塵機理和應用問題展開了分析。白雁楠和喬鑫[9，10]基于余吾煤礦的掘進工作面，應用了干式除塵系統(tǒng)進行優(yōu)化研究，根據(jù)現(xiàn)場使用情況進行了相對的改進。通過上述分析可知，一些專家學者雖然也進行了一些干式除塵器的探索，但是，并沒有進行廣泛的推廣應用，目前洞室煙塵凈化大多還是通過傳統(tǒng)的隧道通風，將掌子面的粉塵和有害氣體排出。

針對上述問題，本文開展洞室開挖煙塵凈化裝置設備尺寸優(yōu)化、主要結(jié)構(gòu)及技術(shù)參數(shù)、多裝置兼容性及結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究，結(jié)合河南洛寧抽水蓄能電站洞室施工現(xiàn)場實際，研發(fā)一套可移動式洞室開挖煙塵凈化裝置，并進行工業(yè)性試驗，試驗結(jié)果表明該洞室開挖煙塵凈化裝置除塵效率高、操作安全，具有一定的推廣應用價值。

1 工程概況

河南洛寧抽水蓄能電站距洛寧縣城約17km，洛寧縣有高速公路通往洛陽市和鄭州市，公路里程分別為80km和201km。

河南洛寧抽水蓄能電站裝機容量1400MW，裝設4臺單機容量為350MW的水泵水輪發(fā)電電動機組，在電網(wǎng)中承擔調(diào)峰、填谷、調(diào)頻、調(diào)相及事故備用等任務[11，12]。電站上水庫集雨面積0.69km2，正常蓄水位1230.00m，正常蓄水位以下庫容833萬m3，死水位1204.00m，死庫容199萬m3。下水庫集雨面積25.9km2，正常蓄水位620.00m，正常蓄水位以下庫容895萬m3，死水位588.00m，死庫容256萬m3，額定水頭604m。

河南洛寧抽水蓄能電站主要由上水庫、輸水系統(tǒng)、發(fā)電廠房等組成，輸水系統(tǒng)和發(fā)電廠房為復雜的地下系統(tǒng)工程，包括通風洞、交通洞等平洞、豎井、斜井、地下廠房等[13]。在鉆孔、炸藥爆破、掘進工作等施工生產(chǎn)環(huán)節(jié)產(chǎn)生大量粉塵，嚴重影響作業(yè)人員人身安全和職業(yè)健康，是影響洞室施工安全、制約開挖進度的重要因素[14]。傳統(tǒng)的隧道通風是在洞口設置軸流風機，采用正壓通風的方式，沿隧道排出粉塵和有害氣體，粉塵和有害氣體在排出過程中會擴散污染整個隧道，危害所有進洞的人員，并且存在除塵效果不明顯、耗電量大等問題。同時自然通風經(jīng)濟節(jié)能，但受氣象條件、洞室整體規(guī)劃、機械通風設備及通風通道的影響及制約，通風效果難以有效控制[15]。研發(fā)一套洞室開挖煙塵凈化裝置，減少爆破后的施工等待時間，提高施工速度，爆破產(chǎn)生的粉塵被吸入洞室開挖煙塵凈化裝置，可直接在粉塵源處降塵除塵，而不是傳統(tǒng)的利用通風機通過隧道壓出排到大氣里，有效凈化施工掌子面的環(huán)境，有效減少粉塵及有害氣體在洞室中擴散，避免污染掌子面以外的空氣，縮短通風時間，降低能耗。

2 洞室開挖煙塵凈化裝置

2.1 設備構(gòu)造

如圖1所示，洞室煙塵凈化裝置分為過濾系統(tǒng)、脈沖清灰系統(tǒng)、箱體鋼結(jié)構(gòu)、回轉(zhuǎn)吸塵臂部件和電氣控制系統(tǒng)。其洞室煙塵凈化系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 洞室煙塵凈化裝置參數(shù)表Table 1 Table of parameters for the soot purification device in the cave chamber

圖1 洞室開挖煙塵凈化裝置Figure 1 The hole room digs the soot purification device

過濾系統(tǒng)中采用的過濾元件材質(zhì)是聚酯纖維，每個過濾元件過濾面積可達到9.4m2，過濾精度達到3μm，并采用熒光粉檢測無泄漏。

脈沖清灰系統(tǒng)中所用的元器件抗震性能好、振動強度良好，且在3.5MPa氣壓噴吹下濾芯膨脹振動效果良好，其中所安裝的電磁閥經(jīng)0.7MPa噴吹測試，安裝質(zhì)量良好，測得偏心量程附合圖紙要求。

箱體鋼結(jié)構(gòu)中的箱體漏風率控制在2%以下，箱體密封完整無泄露，采用防銹刷漆工藝。

回轉(zhuǎn)吸塵臂部件中采用的是口徑φ450×2、長度3.5m的吸塵臂，吸塵臂上下升降可靠自如，穩(wěn)定無卡死現(xiàn)象，吸塵臂旋轉(zhuǎn)角度±40°，上、下90°，部件中的位置傳感器支架牢固可靠，可調(diào)節(jié)，在突然停電時減速機自帶抱剎功能不會下落，旋轉(zhuǎn)氣缸帶有鎖氣功能不會失控。

電氣控制系統(tǒng)包括風機控制電路、空壓機控制電路、脈沖噴吹控制器和回轉(zhuǎn)吸塵臂控制電路。其中風機電器配置可靠，具有短路、過載、缺相等保護功能；脈沖噴吹控制器噴吹時間、間隔時間可調(diào)，性能穩(wěn)定；回轉(zhuǎn)吸塵臂控制電路中傳感器控制電路可調(diào)可控，性能良好，以及三相五線航空插頭、座，安全等級高，防水防塵。

洞室開挖煙塵凈化裝置設備在洞室中電器控制防塵措施較好，在飄塵情況下正常工作，不會影響傳感器運行，洞頂?shù)男∷槭侣湓?～8m高度以內(nèi)下落對設備不會產(chǎn)生損壞現(xiàn)象。在設備遇到突發(fā)情況，吸塵管上升、下落，回旋動作的相互自鎖保護中不會失控，設備正常運行。設備在-20℃或50℃的氣候環(huán)境運轉(zhuǎn)，所有部件運轉(zhuǎn)正常，風機運轉(zhuǎn)時震動噪聲不高于75dB（A）。

2.2 工作機理

洞室開挖煙塵凈化裝置主要使用濾筒作為過濾的介質(zhì)，如圖2所示，用來收集粉塵，當在空氣流動的粉塵通過濾筒過程中，將粉塵截留收集在濾筒上，隨著作業(yè)時間增加會逐漸形成粉塵初層，這個時候除塵效率最高，完全可以用來凈化掌子面放炮后產(chǎn)生的大量粉塵。

圖2 濾筒照片F(xiàn)igure 2 Filter Photo

2.3 煙塵凈化裝置適用性及經(jīng)濟性分析

煙塵凈化裝置適用于獨頭掘進時期洞室放炮后的煙塵凈化，洞室掘進斷面一般在100～150m2，洞室長度一般長于1km，這樣的洞室煙塵不易散去，長距離的通風風量損耗比較大。

放炮后煙塵凈化裝置的工作時間為15～20min，使用通風機排煙的時間一般在30min以上，降低了能耗，同時，煙塵被吸入煙塵凈化裝置，不會污染整個隧道，一臺煙塵凈化裝置的價格與一臺進口風機的價格大致相同，在施工單位的承受范圍之內(nèi)。

2.4 煙塵凈化裝置與自然通風及其他散煙除塵方式對比

煙塵凈化裝置與自然通風及其他散煙除塵方式對比如表2所示，煙塵凈化裝置除塵時間最短，同時，煙塵被吸入裝置內(nèi)，不會污染洞室內(nèi)的環(huán)境，提高了施工效率，改善了洞室內(nèi)的空氣質(zhì)量。

表2 煙塵凈化裝置與自然通風及其他散煙除塵方式對比Table 2 Comparison of soot purification devices with natural ventilation and other smoke removal methods

3 現(xiàn)場工業(yè)試驗

通過對地下廠房放炮施工后掌子面環(huán)境凈化過程中的主要污染物質(zhì)進行監(jiān)測和對洞室開挖煙塵凈化裝置的使用效果進行試驗，結(jié)合凈化后掌子面內(nèi)污染物質(zhì)試驗數(shù)據(jù)結(jié)果，對可移動式洞室除塵系統(tǒng)的凈化能力及效果進行評估和分析。

主要檢測對象為放炮施工后的粉塵濃度和爆破時產(chǎn)生的有毒有害氣體，如CO、SO2等。根據(jù)我國相關(guān)規(guī)定，洞室內(nèi)有害氣體重量允許濃度標準如下：CO2≤10mg/m3；CO≤30mg/m3；SO2≤15mg/m3，洞室內(nèi)粉塵最高允許濃度≤ 3.5mg/m3。

3.1 試驗過程

試驗地點為洛寧抽水蓄能電站進場交通洞施工現(xiàn)場，施工洞室斷面為7.8m×7.8m，濕度為30%，溫度為25℃，洞室開挖煙塵凈化裝置與掌子面之間的距離為60m，爆破10min后，凈化系統(tǒng)開始工作，試驗時采用自然通風，設備為現(xiàn)場自循環(huán)，在同樣的工作環(huán)境下，濾筒壽命為1～1.5年。試驗過程如圖3所示。

圖3 試驗過程Figure 3 Test Process

進場交通洞爆破后，掌子面附近產(chǎn)生大量煙塵，粉塵分散度高，此時的粉塵濃度達到70mg/m3。當開啟洞室開挖煙塵凈化裝置后，能夠明顯看到煙塵被煙塵凈化裝置吸入。當煙塵凈化裝置工作5min時，空氣質(zhì)量有明顯的改善，粉塵濃度下降到9mg/m3左右。隨著凈化裝置工作時間的增加，施工環(huán)境中的粉塵濃度被凈化到2mg/m3左右，此時工作面的空氣含量已符合國家標準。當煙塵凈化裝置工作到15min時，工作人員能夠清晰地看到洞室內(nèi)部，能見度較高，呼吸舒暢，空氣新鮮。

3.2 試驗監(jiān)測及分析

待爆破后，煙塵凈化裝置開始工作前，需先將激光粉塵儀（見圖4）和有毒有害氣體檢測儀（見圖5）放置在距離掌子面15m的位置。激光粉塵儀是利用激光光束照射到含塵氣流上，使光束產(chǎn)生散射光，粉塵濃度越高，產(chǎn)生的散射光強度越大，由此測出粉塵濃度。激光粉塵儀具有監(jiān)測快速、靈敏、穩(wěn)定性好、無噪聲、操作簡便、安全可靠等優(yōu)點。同時還具備氣幕屏蔽及潔凈氣自清洗功能，確保光學系統(tǒng)不受污染；具有與計算機雙向通信功能，可通過PC機進行數(shù)據(jù)處理，打印出曲線圖。有毒有害氣體檢測儀（見圖5）采用紅外遙控控制，在-30℃～50℃下正常工作，可監(jiān)測出CO、SO2、O3、H2S等有毒有害氣體濃度，輕型便捷，可實時監(jiān)測，其中儀器具有音頻指示功能，音頻頻率越高代表氣體濃度越高。

圖4 激光粉塵儀Figure 4 laser dust meter

圖5 有毒有害氣體檢測儀Figure 5 Toxic and harmful gas detector

當爆破作業(yè)5min后，煙塵凈化裝置開啟運行凈化，激光粉塵儀和有毒有害氣體檢測儀也同步開始對凈化過程中不同時間段的粉塵濃度、CO濃度和SO2濃度進行監(jiān)測，最后得到如圖6所示曲線圖。如圖6所示爆破后洞室掌子面內(nèi)的粉塵濃度在經(jīng)過洞室開挖煙塵凈化裝置凈化后，隨著洞室開挖煙塵凈化裝置工作時間的增加，其中煙塵凈化裝置在凈化粉塵濃度、CO濃度和SO2濃度的前7min有很明顯的效果，其濃度值隨著工作時間急劇下降。在洞室開挖煙塵凈化裝置凈化工作的第15min時掌子面內(nèi)粉塵濃度由70mg/m3左右降低至0mg/m3左右，與此同時掌子面內(nèi)的CO濃度和SO2濃度也由爆破后的最大濃度值降低到0mg/m3左右。試驗證明，洞室開挖煙塵凈化裝置能夠在短時間內(nèi)將爆破后掌子面的粉塵濃度及其他有毒有害氣體的濃度值降低到0mg/m3左右，凈化效果顯著，避免作業(yè)人員長時間吸入煙塵及其他有毒有害氣體危害身體健康，從而為工人提供了良好施工環(huán)境，也避免污染掌子面以外的空氣，達到綠色環(huán)保施工的效果。

圖6 爆破后掌子面粉塵及有害氣體濃度變化圖Figure 6 Map of changes in the concentration of palm flour dust and harmful gases after blasting

4 結(jié)論

（1）洞室爆破施工中會釋放出大量粉塵，洞室內(nèi)粉塵濃度將遠遠高于所規(guī)定的粉塵容許濃度，洞室開挖煙塵凈化裝置可直接在粉塵源處工作，降低粉塵質(zhì)量濃度，有效地防止粉塵由掌子面向整個地下洞室群的進一步擴散，避免作業(yè)人員長時間吸入煙塵危害身體健康。

（2）洞室開挖煙塵凈化裝置包括過濾系統(tǒng)、脈沖清灰系統(tǒng)、箱體鋼結(jié)構(gòu)、回轉(zhuǎn)吸塵臂部件和電氣控制系統(tǒng)。

（3）通過現(xiàn)場試驗，洞室開挖煙塵凈化裝置有效凈化施工掌子面的空氣環(huán)境，粉塵濃度由72mg/m3左右降低至0mg/m3左右，CO濃度由130mg/m3降低至0mg/m3左右，SO2濃度由50mg/m3降低至0mg/m3左右，為工人提供了良好舒適施工環(huán)境。