矿用避难硐室压缩空气供给系统优化设计

李 凯 张晓升 李玉贵 曾庆华 咸士玉

(长治清华机械厂技术中心，山西省长治市，046012)

矿用避难硐室主要用于矿工受困于井下发生瓦斯 (煤尘)爆炸、冒顶塌方、火灾阻隔、冲击地压等灾害事故时的紧急避险。其对外能够抵抗爆炸冲击，抵御高温烟气，隔绝有毒有害气体；对内能够提供氧气、食品、饮用水，去除有毒有害气体、降温除湿，为避险人员提供基本生存条件，并为灾变后的救援创造条件、赢得时间。

压缩空气供给系统是避难硐室的重要组成部分，可在矿井压风损坏时为气幕喷淋系统提供气源，同时为无源蓄冰空调系统提供动力气源，保障避难硐室各职能模块的正常工作。本文针对国内现已成熟的部分避难硐室压缩空气供给系统进行研究分析可知，目前矿用避难硐室中各职能模块所需压缩空气瓶基本为分散布置，且均为低压汇流供气方式，其原理如图1所示，压缩空气经空气减压器减压后汇流，通过不锈钢供气管路输送至避难硐室各职能模块。但目前应用的避难硐室压缩空气供给系统由于低压汇流方式所用减压器数量较多，成本较高，降低了产品市场竞争力；压缩空气瓶分散布置降低了硐室空间利用率，且避险人员进入硐室后操作较为繁琐；若有压缩空气瓶发生意外泄漏，则该空气瓶组所有气瓶都无法继续使用，导致硐室内资源的浪费。因此本文针对目前避难硐室压缩空气供给系统的弊端进行优化设计。

图1 压缩空气低压汇流原理图

1 避难硐室压缩空气供给系统原理设计

所设计的新型避难硐室压缩空气供给系统如图2所示，该压缩空气供给系统采用空气高压汇流方式替代现有的低压汇流供气方式，将避难硐室中所有压缩空气瓶集中布置，压缩空气高压汇流至气站末端，经减压器减压后由压缩空气站两端分别输送至气幕喷淋系统和蓄冰空调系统，实际使用过程中将减压器出口压力调节至1.2MPa，由于气幕喷淋系统工作压力约为0.4MPa，因此需要增加一个二级减压器，而蓄冰空调系统可直接使用气站输出气体作为动力气源。

图2 压缩空气供给系统原理图

2 避难硐室压缩空气供给系统设计计算

2.1 压缩空气供给系统气瓶数量计算

设计选用符合GB5099标准的压力为15MPa、体积为80L钢瓶贮存压缩空气，钢瓶实际充装压力为12MPa，根据气体能量守恒定律，则单个压缩空气瓶的释放空气量:

式中:P1——压缩空气充装压力，MPa；

V1——钢瓶容积，L；

P2——大气压力，MPa；

V2——压缩空气释放量，L。

依据式 (1)可得单个压缩空气瓶释放空气量V2＝9600L。

假设一避难硐室额定避险人数为60人，避险人员分为6组从避难硐室两侧进入，每组10人。每组人员从开启防护密闭门开始计算，直至10人全部进入过渡室后关闭防护密闭门为止，此过程中气幕开启时间按1.5min计算，则6组人员全部进入硐室后，气幕工作总时间为9min。实测气幕装置在0.4MPa工作压力下，9min内的总耗气量约为500L，则气幕装置需1瓶压缩空气为15MPa、80L的钢瓶。

喷淋装置单个喷头实测耗气量约为105L／min，喷淋装置共24个喷头，总耗气量为2520L／min。每组避险人员喷淋时间按2min计算，6组避险人员喷淋总时间为12min，则喷淋装置总耗气量Q喷淋＝30240L。取避难硐室安全系数为1.2，则喷淋装置共需压缩空气瓶数量为:

蓄冰空调系统空气净化循环处理机的气动马达在供气压力为1.2MPa时的实测耗气量为25L／min，则额定避险时间96h内总耗气量Q蓄冰＝144000L。

60人避难硐室实际配备2套蓄冰空调系统，则共需压缩空气瓶数量为:

经计算N喷淋＝4瓶，N蓄冰＝30瓶。

综上所述，本文设计共选取35瓶压缩空气为15MPa、80L钢瓶，可满足避难硐室压缩空气供给需求。

2.2 压缩空气供给系统主管路设计计算

设计的压缩空气供给系统采用无缝钢管代替常规不锈钢管作为供气管路，根据流体力学相关知识，气体管路中的管道直径与其通过的流量、工作压力、管道长度和压力损失等因素有关，可根据以下公式计算管道内径:

式中:d——管道内径，m；

P1——工作压力，Pa；

△p——压力损失，一般不超过0.01Pa；

L——管道的名义长度，m；

V——流量，m3／s。

由前述可知，压缩空气供给系统工作压力P1＝1.2MPa，△p＝0.01MPa，该60人避难硐室压缩空气站与气幕喷淋系统之间管路长度L1＝8 m，气幕喷淋系统总耗气量V1＝2575L／min，即0.043m3／s。计算可得供气主管路内径d1≈20 mm。

该60人避难硐室压缩空气站与蓄冰空调系统之间管路长度L2＝12m，蓄冰空调系统空气净化循环处理机的实测耗气量V2＝25L／min，即0.0004m3／s。计算可得供气主管路内径d2≈4 mm。

上述计算结果中，两种供气管路直径差别较大，由于蓄冰空调系统耗气量为额定值，根据流体力学相关知识，若气源选择较大管路内径，并不会增加蓄冰空调系统压缩空气耗气量，且减小了压缩空气流动阻力，易于保障蓄冰空调系统工作压力。因此压缩空气管路设计选用∅25mm×2.5mm (外径×壁厚)无缝钢管，内径为20mm，其截面积远大于2个内径为4mm管路的截面积，完全满足2套蓄冰空调系统供气需求。

由材料力学相关知识，管道承受均匀内压，其内壁正应力计算为:

式中:σ——管道内应力，MPa；

p——管道承压，MPa；

D——管道外径，mm；

d——管道内径，mm。

∅25mm×2.5mm无缝钢管承受1.2MPa压力时，依据式 (5)得σ＝4.8MPa。

查询相关资料可知，壁厚小于16mm的无缝钢管屈服极限σs＝205MPa，因σ＜σs，选择的无缝钢管可满足避难硐室压缩空气供给系统压力要求。

3 压缩空气供给系统功能试验

依据上述技术设计进行避难硐室安装，安装完毕后进行系统功能试验。

3.1 供气管路气密试验

(1)将供气管路各接口处用记号笔分别编号(1＃～16＃)，打开一个压缩空气瓶瓶阀和与之对应的汇流排角座阀，关闭气幕喷淋装置控制球阀和蓄冰空调系统空气净化循环处理机控制阀，将两个减压器输出压力均调节至1.8MPa，保压30min。

(2)在各管路接口涂抹肥皂液进行渗漏检查，记录试验数据。由试验数据可知，检查13＃管路接口出现轻微泄漏，究其原因是由于安装过程中接头螺纹损坏，导致密封失效，而其余各管路连接处均无泄漏，产品合格率达93.8%，试验证明该压缩空气供给系统气密性良好。

3.2 气幕装置功能试验

(1)关闭矿井压风供气球阀，打开气幕球阀，将管路内残留气体释放；打开一个压缩空气瓶瓶阀和与之对应的汇流排角座阀，调节减压器输出压力为0.4MPa。

(2)开启防护密闭门，空气幕随之产生，气流可覆盖整个防护密闭门，关闭防护密闭门，空气幕随之消失，试验记录见表1。

表1 气幕装置测试记录

(3)由表1可知，试验过程中气幕与防护密闭门联动正常，且气幕管喷射出的气流可覆盖整个门框范围内，试验证明该压缩空气供给系统可满足气幕装置使用需求。

3.3 喷淋装置功能试验

(1)关闭矿井压风供气球阀，打开喷淋球阀，将管路内残留气体释放，而后关闭喷淋球阀。

(2)打开一个压缩空气瓶瓶阀和与之对应的汇流排角座阀，调节减压器输出压力为0.4MPa，记录此刻减压器高压表数值；关闭防护密闭门，打开喷淋球阀，计时2min，而后关闭喷淋球阀，记录此刻减压器高压表数值。喷淋装置流量测试记录见表2。

表2 喷淋装置流量测试记录

喷淋装置耗气量及流量分别按式 (6)和式

(7)式计算:

式中:Pm1——气瓶试验前压力，MPa；

Pm2——气瓶试验后压力，MPa；

Vm——气瓶容积，L；

Q——耗气量，L；

q——喷淋流量，L／min；

t——试验时间，min。

将表2中数值分别代入式 (6)和式 (7)，试验中采用符合GB5099的15MPa／80L钢瓶贮存压缩空气，可得喷淋装置耗气量Q1＝2080L，Q2＝2320L；喷淋装置流量q1＝1040L／min，q2＝1160 L／min。

(3)由上述计算结果可知，喷淋装置流量q≥500L／min，试验证明该压缩空气供给系统可满足喷淋装置使用需求。

3.4 蓄冰空调系统功能试验

(1)首先将蓄冰柜连接空调系统，将蓄冰柜内注水至观察窗中间位置，连接线路进行蓄冰。

(2)待蓄冰完成后，停止空调系统，将空气净化循环处理机与蓄冰柜连接，开启一个压缩空气瓶瓶阀，调节减压器输出压力为1.2MPa，缓慢开启空气净化循环处理机控制阀，并将切换阀调至 “持续处理”档位，在空气净化循环处理机下出风口使用风速风温仪进行风速和风温测试，选取5个测试点，然后取其平均值，试验数据记录见表3。

表3 出风口风速风温测试记录

(3)将空气净化循环处理机切换阀调至 “快速处理”档位，采用同样方法测试出风口风速和风温，试验数据记录见表3。

(4)由表3可知，空气净化循环处理机持续处理时平均风速＞3.5m／s，快速处理时平均风速＞11m／s，试验证明该压缩空气供给系统可满足蓄冰空调系统使用需求。

4 结论

由避难硐室压缩空气供给系统功能试验可知，对供气管路加压1.8MPa压力、持续30min耐压试验，管路无泄漏；气幕喷淋系统可对进入硐室的避险人员进行有毒有害气体吹扫；蓄冰空调系统可对硐室内空气进行循环净化处理，因此基本可以确定避难硐室压缩空气供给系统设计方案切实可行。该避难硐室压缩空气供给系统中气瓶集中布置有效提高了避难硐室空间利用率；若有气瓶发生泄漏，则其余气瓶仍可继续使用，提高了避难硐室设备利用率；缩减了避险人员进入硐室后操作流程；60人避难硐室产品成本预算降低了约9%，见图3所示。

图3 60人避难硐室成本对比

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