关于煤矿井筒电热风机组及其控制系统的设计研究

王洪海

（阜新矿业（集团）有限责任公司，辽宁 阜新123000）

引言

在寒冷的冬季，利用通风机向煤矿井下输送空气时，如果不对寒冷的空气进行特殊处理，那么空气在往矿井输送的过程中可能会结冰[1]。为了解决此问题，煤矿一般会使用工业热风机组，提前对寒冷的空气进行加热，然后再将热空气输送到煤矿井下[2-3]，不仅能够避免冷空气出现结冰的现象，同时还能够提升煤矿井下温度，改善矿井工作环境。但传统的工业热风机组都是通过燃烧煤炭的方式来提供热量，这种供热方式不仅需要燃烧很多煤炭资源，需要投入很多人力和物力，更重要的是煤炭在燃烧时会产生大量的危害性气体，对环境造成严重污染，不利于改善煤矿工作环境[4]。因此，应对煤矿井筒热风机组进行技术改造，利用清洁能源对空气进行加热，以符合国家对节能减排的相关要求[5-6]。

1 煤矿井筒电热风机组总体方案布局

如图1所示为煤矿井筒电热风机组总体方案布局。从图中可以看出，电热风机组整体上由多个部分构成，主要包括热风机组、配电柜、温度传感器、热风输送管道等。其中热风机组和温度传感器分别有2套，温度传感器安装在热风机组的出风口位置，对出风口热风温度进行检测。热风机组出风口与热风输送管道固定连接，热风输送管道经过井筒安装到井底位置。输送管道为螺旋管道，直径为1 m，管道外部需要利用保温棉材料进行裹附，降低热量的流失，保障热风输送到井底时具有稳定的温度。2套热风机组使用相同的配电柜进行供电，同时温度传感器还需要与配电柜实现数据通信。

图1 煤矿井筒电热风机组总体方案设计

2 电热风机组的工作过程

设备安装时，配电柜和电热风机组与矿井井口之间的距离大约为20 m，配电柜以380 V的电压给热风机组供电。利用通风机将寒冷空气送入热风机组中的加热模块进行加热。从热风机组中输出的热空气，通过热风输送管道输送至矿井井底。基于传感器可以实时检测热风机组输出空气的温度，本研究中将热风机组输出温度设置为40℃。在控制系统的作用下，如果发现输出的热风温度低于40℃时，加热模块就会提升功率从而提升输出空气的温度。相反的，如果检测发现输出温度高于40℃时，加热模块可以降低加热功率从而降低输出空气的温度。40℃的热空气经过井筒输送到井底，与此同时冷空气也会通过井口输送到井底。冷空气和热空气进行充分混合后形成混合空气，输送到工作区域，改善工作区域的作业环境。

3 煤矿井筒电热热风机组的设计

3.1 整体结构的设计

下页图2所示为热风机组整体结构设计图。从图中可以看出，设计的热风机组主要由通风机、保温模块、电加热模块等部分构成。其中电加热模块位于保温箱内部，可有效避免热量散失。通风机与保温箱之间、保温箱和热风输送管道之间全部通过空心柱体进行连接。通风机安装在通风机底座上面，保温箱模块安装在整个设备的底座上。与热风输送管道连接的空心柱体端部位置设置有阻物网，不仅实现了整个管道断面的全覆盖，还可以避免杂物通过空心柱体。保温箱模块上部位置的四个角落设置有吊耳，设备安装时通过吊耳实现设备的起吊和安装，同时还可通过吊耳对热风机组进行固定。保温模块通过厚度为10 mm的钢板进行焊接而成，保温模块包含保温外箱和保温内箱两大部分，内箱和外箱中间的间距设置为100 mm，需要填充保温材料，以提升保温模块的保温效果。该装置中使用的是FKZ型号通风机，基本满足使用需要，同时还可以降低成本投入。

图2 热风机组整体结构设计

3.2 电加热模块的设计

传统的燃煤热风机组，具有劳动强度大、环境污染严重、易产生危害性气体威胁矿井安全等劣势，通过电加热模块取代传统的燃煤方式，可有效解决以上缺陷问题。每个电加热模块都由多个抽屉式电加热单元构成，为了确保加热效果，单元数量至少为6。电加热单元主要由多个U型电加热管并列安装在支架上构成。U型加热管的排列方式可以确保空气加热的均匀性，提升加热效果，为热风机组加热效率的提升奠定了坚实的基础。此外，还包含有固定螺栓、导线、阻风板等。阻风板通过超薄螺旋片拼装而成，安装在相邻两根U型加热管中间，起到阻隔的作用，增加空气在热风机组内部滞留的时间，尽可能提升空气的加热效果。U型加热管并联连接，通过这样的方式可以确保不同U型加热管之间能够独立运行，即便其中某根U型加热管出现损坏无法正常工作，也不会对整个装置的运行造成严重的影响。

4 煤矿井筒电热风机组控制系统的设计

本研究中设计的电热风机组总共有两个机组，每个机组内部包含6个电加热单元，总共有12个电加热单元，单元之间相互独立运行，某个单元是否投入使用不会对其他单元造成影响，每个电加热单元配备有开关，通过开关的闭合实现加热单元是否投入使用。电热风机组实际运行时并不是所有的加热单元都投入使用，而是需要根据实际情况进行控制调整。

通过PID控制实现电热风机组输出热风温度的精确控制，如图3所示为电热风机组控制系统示意图。系统中设定的热风输出温度为40℃，利用安装在热风机组出口位置的专业温度传感器对热风输出温度进行实时检测。并且温度传感器与配电柜中的控制器进行连接，将检测结果实时传输到控制器中进行分析和处理。分析后如果发现实际温度低于系统设定的40℃，PID控制器会下达指令对电加热模块各加热单元的开关进行控制，根据实际温度与设定温度之间的差值，控制开关开启的数量，让更多的加热单元投入使用，提升空气加热效果，使之达到系统设定值40℃。相反的，如果分析后发现实际温度比设定温度高，那么PID控制器就会下达指令关闭部分加热单元的开关，让投入运行的加热单元数量减少，降低电热风机组的加热效果，使输出温度降低至系统设定的40℃。

图3 电热风机组控制系统示意图

是自动控制模式即系统按照设定的程序自动运行，将电热风机组的输出温度控制在40℃。此外，控制系统还可以以手动控制的方式运行，即通过手动控制热风的输出温度，这种控制模式使用较少，只在特殊情况下使用，比如检修时。手动控制模式下，操作人员只需要手动操作各加热单元的开关即可。

5 实践应用效果

1）将本文设计的电热风机组运用到煤矿实践中，显著降低了煤矿企业的人力和物力投入。经过6个月的统计发现，电热风机组消耗的电能费用，与传统的工业热风机组消耗的煤炭资源费用相比较而言，降低了20%左右。

2）使用电热风机组显著降低了工作人员的劳动强度，也避免了燃烧煤炭时产生的二氧化碳等有毒有害气体，使煤矿的工作环境得到显著改善。

3）电热风机组为输出空气温度的精确控制奠定了良好的基础，可以实现煤矿井下温度的精确调整。

4）实践过程中，热风机组的输出热风温度非常稳定的控制在40℃，使得井底的温度也非常稳定。基于以上分析可以发现，通过使用电热风机组，不仅提升了煤矿的自动化水平，同时为煤矿创造了良好的经济效益和社会效益。