煤矿井筒保温全风量送风系统设计及热管阻力的优化研究

白金发，鲍玲玲

(河北工程大学 能源与环境工程学院，河北 邯郸 056038)

据《煤矿安全规程》(2016版)规定：进风井口混合送风温度必须在2 ℃以上[1]，传统采用混合送风方式，即：通过室外冷风和井口加热器处理后的热风混合后送入井筒，井筒进风量具备风量大、负荷大的特点，目前热源主要为：燃煤锅炉、燃气锅炉和余热利用热泵等方式，其通过加热热水或制取蒸汽，井口加热器供水温度高于50 ℃，通过风量配比实现井口混合送风温度≥2 ℃。采用混合送风技术，当室外温度高于2 ℃时系统仍在运行，因此造成了大量能源浪费。目前低温送风技术发展尤为迅速，如：风风换热的低温热管送风方式以及大风量低温送风方式。国内外学者，针对翅片型热管换热器进行了大量的实验和理论研究[2-5]，对翅片型换热器结构参数、管排间距、管排数量以及外部流场做了优化研究。但矿井回风用热管换热器整体设计和工程应用仍存在很多问题，如：截面面积过长造成风室风量分配不均、热管换热器外部流场压降不平衡等。本文，对羊场湾煤矿15、16立井井筒保温工程进风情况进行了测试，为优化系统设计提供重要的参考依据。

1 物理模型

图1为单台热管换热器侧视图，管排数10排，布置方式叉排排列，其外形尺寸及翅片参数详见图1。

图1 热管换热器侧视图(单位：mm)Fig.1 The side view of heat exchanger

关于翅片型换热器的阻力，通过大量的实验研究得到了适应范围比较广的经验公式[6]

(1)

式中：Δp—阻力损失，Pa；f—摩擦阻力系数；Gmax—最窄截面处气体质量流量，kg/(m2·s)；ρ—气体密度，kg/m3；g—9.8 m/s2；N—管排数。

最窄截面处气体质量流量Gmax计算公式为[6]

(2)

式中：A1—断面面积，m2；A2—最窄截面处断面面积，m2，叉排翅片管束一般是断面面积的一半；Q—气体的质量流量，kg/s。

摩擦阻力系数f计算公式为[6]

(3)

式中：d0—基管直径，m；μ1—气体的动力粘度，Pa·s；S1—翅片管横向间距，m；S2—翅片管纵向间距,m；实际阻力Δp实际=ε×Δp理论；ε—修正系数，ε=0.54。

2 系统设计

2.1 工艺路线

矿井乏风自扩散塔由乏风风道引入乏风等静压配风室内，伴随乏风的低焓热量经热管蒸发段吸收后，汇入乏风等静压合风室，再集中扩散排放。

室外新风负压状态进入新风等静压配风室内，与热管冷凝段进行热量交换，实现对室外新风的加热。被加热到符合温度要求的新风在新风等静压合风室内汇流，由新风风道引入井口房内，经负压作用，通过井筒送入井下，满足矿井通风量和温度要求。

为克服热管换热器的传热流通阻力，在新风等静压配风室热管换热分流通道内设置诱导平衡风机；通风量维持井口房微正压状态，不但保证矿井通风需求，而且可以避免室外空气的漏入，降低热损失。

在原有回风扩散口建设风室用于收集回风，并建设风道将矿井回风通过回风(加压)风机引入热管换热器蒸发侧换热后放散，新风侧通过新风(加压)风机送入热管换热器冷凝侧加热后送入进风井。低温热管余热回收工艺项目原理见图2。

2.2 工程设计

羊场湾煤矿15、16采区基本参数(2021年10月实测数据)：回风风量：14 400 m3/min；回风温度20 ℃；进风量：9 800 m3/min；按文献[3]计算公式可得到，热管系统供热能力为12 333 kW，考虑1.2倍富裕系数，井口防冻热负荷为7 060 kW，设计满足室外极端环境温度-27.2 ℃，进风温度≥2 ℃。

该系统核心设备为阻力平衡风机和热管换热器。目前工程选用36台防爆轴流风机，风压400 Pa，风量1 000 m3/min。选用热管换热器18台，单台名义制热量500 kW，单台热管外形尺寸：1 750 mm×4 070 mm×2 500 mm，其详细基本参数如表1所示。工程测试仪器如表2所示：

表1 热管换热器基本参数

表2 现场试验测试主要仪器汇总表

3 流动阻力分析

对低温热管送风系统进行阻力分析，研究模块断面风速和压降的变化关系，优化热管模块结构，提高换热效果。由于风室结构特性，虽然各模块结构相同，但模块风量不同，断面风速也不同。低温热管送风系统在换热平台均匀布置18台热管换热器，热管蒸发段位于回风风室内，冷凝段位于新风风室内。新风侧和回风侧各18个模块，单个模块管排数为10排。对新风侧、回风侧各模块断面风速和压降进行测试，绘制不同模块断面风速与压降关系曲线，如图3所示。

图3(a)和图3(b)为2021年10月，采用表2中的仪器对低温热管送风系统进行实测，得到回风侧和新风侧1—18不同模块断面风速与压降关系曲线。从图3(a)可以看出，不同模块下，回风侧断面风速与压降之间的变化趋势趋于一致。随着回风侧断面风速的不断增加，热管换热器内部产生的压降也随之增大。当断面风速为2.55 m/s时，热管换热器所产生的压降为145.81 Pa；断面风速提升到4.72 m/s，压降达到411.18 Pa。图3(b)为不同模块新风侧断面风速与压降关系曲线。不同模块下，新风侧断面风速与压降的变化趋势也趋于一致。随着断面风速的增加，压降随之增大；断面风速减小时，压降也随之减小。

由图3可以看出，回风模块和新风模块1—8的断面速度均较小，即回风量和进风量均较小。风量分配很不均匀，最大风速差可达到2.3 m/s，系统风速不平衡率超过80%。

通过改变不同模块管排数量，对热管换热器进行重新设计，设计方案：模块1—8管排数量降低至8排管，模块9—18增加至14排管。改变管排数后，按照式(1)、(2)、(3)重新进行设计计算后，计算结果如图4所示。由图4(a)和(b)可知，热管换热器改变管排数后，回风模块和新风模块风速分布更加均匀，阻力分布较原设计有所减少，综合阻力降低。从图4可发现每个模块新风和回风断面风速分布较图3 均有所改善，最大风速差降低至1 m/s内，系统风速不平衡率降低至20%以下。

图3 不同模块断面风速与压降关系曲线Fig.3 The relationship curves of wind speed and pressure drop at different module sections

图4 不同模块断面风速与压降关系曲线Fig.4 The relationship curves of wind speed and pressure drop at different module sections

4 全新风送风系统风量分析

分析进风口开合以及风机启停对全新风送风系统送风风量的影响，进而优化系统设计，保证井筒送风风量及温度达到设计要求。

羊场湾15、16立井进风口的基本特征如表3所示：

表3 进风口基本参数统计表

工况1：G1—G5通风道全部打开(即：所有进风口均可进风)；工况2：G1—G3关闭，风机全部开启(即：仅热管系统送风风道进风)。图5为工况1和工况2进风口进风情况对比分析图，图5(a)、(b)分别为两种工况下，进风口进风量、进风量占比分析图。由图可知，工况1情况下，进风立井依靠负压主要通过五处进风，在G1—G3进风口开启的状态下，G5进风量很小，占比不到20%；工况2立井进风依靠热管系统送风风道进风，系统投入运行后进风量9 200 m3/min，占系统进风量的95%，但仍存在5%漏风。通过工况1和工况2对比分析可知，在G1—G3都关闭时，新风风道内的风量提高了几乎一倍。系统主要依靠进风立井负压进风。

图5 工况1和工况2进风口进风情况对比分析Fig.5 The comparative analysis of air inlet conditions in condition 1 and condition 2

工况3：G1—G3关闭，风机未启动；工况4：G1—G3关闭，风机开启18台。图6为工况2、3、4进风口进风情况对比分析图，工况2和工况3对比发现，G5通道内风量增加了950 m3/min。工况3和工况4进行对比：G5通道内的进风量减少了700 m3/min。

图6 工况2—4进风口进风情况对比分析Fig.6 The comparative analysis of air inlet conditions under different conditions

工况5：G1开启，G2、G3关闭。图7为工况2和工况5进风口进风情况对比分析图，G1开启后

图7 工况2和工况5进风口进风情况对比分析Fig.7 The comparative analysis of air inlet conditions in condition 2 and condition 5

较全部关闭时，G1通道进风量急剧上升，占总送风量的26.8%，同时热管送风系统送风量明显下降，降低了2 500 m3/min，此时G5送风量占比69.08%。G1通道不经加热直接进入进风立井，增加了结冰的风险。

5 结论

1)通过改变管排数量，风速分布较原设计更加均匀，阻力减少。最大风速差由2.1 m/s降低至1 m/s内，系统风速不平衡率由80%降低至20%以下，使系统送风效果加强。

2)影响全风量送风系统送风量的决定性因素是系统的密闭性。

3)辅助风道开启，此处进风风量较大，可达2 600 m3/min，占总进风量比例26.8%，由于辅助风道送风未经热管换热器进行加热，温度低，不利于系统送风效果，因此应避免开启辅助风道。