礦用避難硐室壓縮空氣供給系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

　　★煤炭科技機(jī)電與信息化★礦用避難硐室壓縮空氣供給系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)李凱張曉升李玉責(zé)曾慶華威士玉（長(zhǎng)治清華機(jī)械廠技術(shù)中心，山西省長(zhǎng)治市，046012）用氣站集中供氣方式通過無縫鋼管管路輸送至避難砸室各職能模塊。昆山空壓機(jī)維修工作時(shí)，空氣經(jīng)過自潔式空氣過濾器被吸入，通過PLC自動(dòng)清洗過濾器，空氣在經(jīng)過進(jìn)口導(dǎo)葉自動(dòng)調(diào)節(jié)后進(jìn)入一級(jí)壓縮，經(jīng)一級(jí)壓縮后的氣體溫度較高，然后進(jìn)入中間冷卻器進(jìn)行冷卻(水走管內(nèi)，氣走管外，中冷器的水流量要求為110m/h)之后進(jìn)入二級(jí)壓縮系統(tǒng)為了驗(yàn)證該系統(tǒng)的可靠性，以60人避難砸室為例，對(duì)其壓縮空氣供給系統(tǒng)所需氣瓶數(shù)量和供氣管路進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，進(jìn)行了供氣管路耐壓試驗(yàn)(test)和分系統(tǒng)功能(gōng néng)試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，供氣管路在1.8MPa壓力下、持續(xù)30mm耐壓試驗(yàn)無泄漏；調(diào)節(jié)壓縮空氣輸出(Output)壓力為12MPa，該壓縮空氣供給系統(tǒng)芫全滿足避難砸室各職能模塊壓縮空氣使用需求(demand)。
　　中圄分類號(hào)TD774A礦用避難砸室主要用于礦工受困于井下發(fā)生瓦斯（煤塵）爆炸、冒頂塌方、火災(zāi)阻隔、沖擊地壓等災(zāi)害事故時(shí)的緊急避險(xiǎn)。其對(duì)外能夠柢抗爆炸沖擊，柢御高溫?zé)煔?，隔絕有毒有害氣體；對(duì)內(nèi)能夠提供氧氣、食品、飲用水，去除有毒有害氣體、降溫除濕，為避險(xiǎn)人員(personnel)提供基本生存(survive)條件，并為災(zāi)變后的救援創(chuàng)造條件、贏得時(shí)間。
　　壓縮空氣供給系統(tǒng)是避難砸室的重要組成部分，可在礦井壓風(fēng)損壞時(shí)為氣幕噴淋系統(tǒng)提供氣源，同時(shí)為無源蓄冰空調(diào)系統(tǒng)提供動(dòng)力氣源，保障避難砸室各職能模塊的正常工作(gōng zuò)。本文針對(duì)國(guó)內(nèi)現(xiàn)已成熟的部分避難砸室壓縮空氣供給系統(tǒng)進(jìn)行研究礦用避難硐室壓縮空氣供給系統(tǒng)優(yōu)化（optimalize）設(shè)計(jì)分析可知，目前礦用避難砸室中各職能模塊所需壓縮空氣瓶基本為分散布置，且均為低壓匯流供氣方式，其原理如圄1所示，壓縮空氣經(jīng)空氣減壓器減壓后匯流，通過不銹鋼供氣管路輸送至避難砸室各職能模塊。但目前應(yīng)用的避難砸室壓縮空氣供給系統(tǒng)由于低壓匯流方式所用減壓器數(shù)量較多，成本比較高，降低了產(chǎn)品市場(chǎng)(shì chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力；壓縮空氣瓶分散布置降低了砸室空間利用率，且避險(xiǎn)人員進(jìn)入砸室后操作較為繁瑣；若有壓縮空氣瓶發(fā)生意外泄漏，則該空氣瓶組所有氣瓶都沒有辦法繼續(xù)使用，導(dǎo)致(cause)砸室內(nèi)資源(zī yuán)的浪費(fèi)。因此本文針對(duì)目前避難砸室壓縮空氣供給系統(tǒng)的弊端進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。
　　1避難砸室壓縮空氣供給系統(tǒng)原理設(shè)計(jì)所設(shè)計(jì)的新型避難砸室壓縮空氣供給系統(tǒng)如圄2所示，該壓縮空氣供給系統(tǒng)采用空氣高壓匯流方式替代現(xiàn)有的低壓匯流供氣方式，將避難砸室中所有壓縮空氣瓶集中布置，壓縮空氣高壓匯流至氣站末端，經(jīng)減壓器減壓后由壓縮空氣站兩端分別輸送至氣幕噴淋系統(tǒng)和蓄冰空調(diào)系統(tǒng)，實(shí)際使用過程中將減壓器出口壓力調(diào)節(jié)至
　　1. 2MPa，由于氣幕噴淋系統(tǒng)工作(gōng zuò)壓力(pressure)約為0.4MPa，因此需要加一個(gè)二級(jí)減壓器，而蓄冰空調(diào)系統(tǒng)可直接使用氣站輸出氣體作為動(dòng)力氣源。
　　2避難砸室壓縮空氣(Basin air)供給系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算2.1壓縮空氣供給系統(tǒng)氣瓶數(shù)量計(jì)算體積為80L鋼瓶貯存壓縮空氣，鋼瓶實(shí)際充裝壓力為12MPa，根據(jù)氣體能量守恒定律，則單個(gè)壓縮空氣瓶的釋放空氣量：P2――大氣壓力，MPa；V2壓縮空氣釋放量，L.綜上所述，本文設(shè)計(jì)共選取35瓶壓縮空氣為15MP
　　A、80L鋼瓶，可滿足避難砸室壓縮空氣供給需求。
　　2.2壓縮空氣供給系統(tǒng)主管路設(shè)計(jì)計(jì)算設(shè)計(jì)的壓縮空氣供給系統(tǒng)采用無縫(seamless)鋼管代替常規(guī)不銹鋼管作為供氣管路，根據(jù)流體(fluid)力學(xué)相關(guān)知識(shí)，氣體管路中的管道直徑與其通過的流量、工作壓力、管道長(zhǎng)度和壓力損失等因素有關(guān)，可根據(jù)以下公式計(jì)算管道內(nèi)徑：P1――工作壓力，Pa；△p壓力損失，一般不超過OlPa；L管道的名義長(zhǎng)度，m；由前述可知，壓縮空氣供給系統(tǒng)工作壓力尸：01MPa，該60人避難砸室壓縮空氣站與氣幕噴淋系統(tǒng)之間管路長(zhǎng)度L=8 m，氣幕噴淋系統(tǒng)總耗氣量Vi=2575L/min，即0.043m3/s.計(jì)算可得供氣主管路內(nèi)徑忒20mm.該60人避難砸室壓縮空氣站與蓄冰空調(diào)系統(tǒng)之間管路長(zhǎng)度L2 =12m，蓄冰空調(diào)系統(tǒng)空氣凈化循環(huán)處理機(jī)的實(shí)測(cè)耗氣量V2 0004m3/s.計(jì)算可得供氣主管路內(nèi)徑‘4mm.上述計(jì)算結(jié)果中，兩種供氣管路直徑差別較大，由于蓄冰空調(diào)系統(tǒng)耗氣量為額定值，根據(jù)流體力學(xué)相關(guān)知識(shí)，若氣源選擇(xuanze)較大管路內(nèi)徑，并不會(huì)加蓄冰空調(diào)系統(tǒng)壓縮空氣耗氣量，且減小了壓縮空氣流動(dòng)阻力，易于保障(起保障作用的事物)蓄冰空調(diào)系統(tǒng)工作壓力。
　　因此壓縮空氣管路設(shè)計(jì)選用k25 mmX2.5mm（外徑(外緣直徑)X壁厚）無縫鋼管，內(nèi)徑為20mm，其截面積遠(yuǎn)大于2個(gè)內(nèi)徑為4mm管路的截面積，芫全滿足2套蓄冰空調(diào)系統(tǒng)供氣需求。昆山空壓機(jī)是回轉(zhuǎn)容積式壓縮機(jī)，在其中水或其它液體當(dāng)作活塞來壓縮氣體，然后將氣體排出。
　　由材料力學(xué)相關(guān)知識(shí)，管道承受均勻內(nèi)壓，其內(nèi)壁正應(yīng)力計(jì)算為：-管道內(nèi)應(yīng)力，MPa一管道承壓，MPa；管道外徑，mm；管道內(nèi)徑，mm. 5mm無縫鋼管承受12MPa壓力時(shí)，依據(jù)式（5）得ff=4.查詢相關(guān)資料(Means)可知，壁厚小于16mm的無縫鋼管屈服極限crs縫鋼管可滿足避難砸室壓縮空氣(Basin air)供給系統(tǒng)壓力要求。
　　3壓縮空氣供給系統(tǒng)功能試驗(yàn)依據(jù)上述技術(shù)設(shè)計(jì)進(jìn)行避難砸室安裝，安裝芫畢后進(jìn)行系統(tǒng)功能試驗(yàn)。昆山空壓機(jī)是回轉(zhuǎn)容積式壓縮機(jī)，在其中水或其它液體當(dāng)作活塞來壓縮氣體，然后將氣體排出。
　　3.1供氣管路氣密試驗(yàn)將供氣管路各接口(interface)處用記號(hào)筆分別編號(hào)礦用避難硐室壓縮(compression)空氣供給系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)(design)（116），打開一個(gè)壓縮空氣瓶瓶閥和與之對(duì)應(yīng)的匯流排角座閥，關(guān)閉氣幕噴淋裝置控制球閥(應(yīng)用領(lǐng)域：食品、化工、石油、電力等)和蓄冰空調(diào)系統(tǒng)空氣凈化(Purification)循環(huán)（continue)處理機(jī)控制閥(Control valve)，將兩個(gè)減壓器輸出壓力均調(diào)節(jié)至18MPa，保壓30min.在各管路接口涂抹肥皂液進(jìn)行滲漏巡查，記錄(jì lù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)。由試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，檢查13管路接口出現(xiàn)輕微泄漏，究其原因是由于安裝(installation)過程中接頭螺紋損壞，導(dǎo)致密封失效，而其余各管路連接處均無泄漏，產(chǎn)品(Product)合格率達(dá)93.8%，試驗(yàn)證(Experimental)明該壓縮空氣供給系統(tǒng)氣密性良好。
　　3.2氣幕裝置功能試驗(yàn)關(guān)閉礦井壓風(fēng)供氣球閥，打開氣幕球閥，將管路內(nèi)殘留氣體(gas)釋放；打開一個(gè)壓縮空氣瓶瓶閥和與之對(duì)應(yīng)的匯流排角座閥，調(diào)節(jié)減壓器輸出壓力開啟防護(hù)(密閉□，空氣幕隨之產(chǎn)生，氣流可覆蓋（Cover)整個(gè)防護(hù)密閉□，關(guān)閉防護(hù)密閉□，空氣幕隨之消失，試驗(yàn)記錄見表1.表1氣幕裝置測(cè)試記錄氣幕裝置編號(hào)聯(lián)動(dòng)試驗(yàn)記錄氣幕覆蓋檢驗(yàn)記錄/mm聯(lián)動(dòng)正常由表1可知，試驗(yàn)過程中氣幕與防護(hù)密閉□聯(lián)動(dòng)正常，且氣幕管噴射出的氣流可覆蓋整個(gè)門框范圍內(nèi)，試驗(yàn)證明該壓縮空氣供給系統(tǒng)(system)可滿足氣幕裝置使用需求(demand)。
　　3.3噴淋裝置功能試驗(yàn)關(guān)閉礦井壓風(fēng)供氣球閥，打開噴淋球閥，將管路內(nèi)殘留氣體釋放，而后關(guān)閉噴淋球閥。
　　打開一個(gè)壓縮空氣瓶瓶閥和與之對(duì)應(yīng)的匯流排角座閥，調(diào)節(jié)減壓器輸出壓力為0.4MPa，記錄此刻減壓器高壓表數(shù)值；關(guān)閉防護(hù)密閉□，打開噴淋球閥，計(jì)時(shí)2min，而后關(guān)閉噴淋球閥，記錄此刻減壓器高壓表數(shù)值。噴淋裝置流量測(cè)試記錄見表2.表2嘖淋裝置流量測(cè)試記錄嘖淋裝置編號(hào)氣瓶試驗(yàn)前壓氣(Pressure)瓶試驗(yàn)后壓試驗(yàn)時(shí)間噴淋裝置耗氣量及流量分別按式（6）和式（7）式計(jì)算：q二Pm2氣瓶試驗(yàn)后壓力，MPa；氣瓶容積，L；將表2中數(shù)值分別代入式（6）和式（7），試驗(yàn)中采用符合GB5099的15MPa/80L鋼瓶貯存壓縮空氣，可得噴淋裝置耗氣量0=20801，Q2=232L；噴淋裝置流量q=14L/min，q=1160L/min.由上述計(jì)算結(jié)果(result)可知，噴淋裝置流量，>500L/mm，試驗(yàn)證明該壓縮空氣供給系統(tǒng)可滿足噴淋裝置使用需求(demand)。
　　3.4蓄冰空調(diào)系統(tǒng)功能試驗(yàn)首先將蓄冰柜連接空調(diào)系統(tǒng)，將蓄冰柜內(nèi)(Cabinet)注水至觀察窗中間位置，連接線路進(jìn)行蓄冰。昆山空壓機(jī)維修工作時(shí)，空氣經(jīng)過自潔式空氣過濾器被吸入，通過PLC自動(dòng)清洗過濾器，空氣在經(jīng)過進(jìn)口導(dǎo)葉自動(dòng)調(diào)節(jié)后進(jìn)入一級(jí)壓縮，經(jīng)一級(jí)壓縮后的氣體溫度較高，然后進(jìn)入中間冷卻器進(jìn)行冷卻(水走管內(nèi)，氣走管外，中冷器的水流量要求為110m/h)之后進(jìn)入二級(jí)壓縮系統(tǒng)
　　待蓄冰芫成后，停止空調(diào)系統(tǒng)，將空氣凈化循環(huán)處理(chǔ lǐ)機(jī)與蓄冰柜連接，開啟一個(gè)壓縮空氣瓶瓶閥，調(diào)節(jié)(adjust)減壓器輸出壓力為1.2MPa，緩慢開啟空氣凈化循環(huán)處理機(jī)控制閥，并將切換閥調(diào)至“持續(xù)處理”檔位，在空氣凈化循環(huán)處理機(jī)下出風(fēng)口使用風(fēng)速風(fēng)溫儀進(jìn)行風(fēng)速和風(fēng)溫測(cè)試，選取5個(gè)測(cè)試點(diǎn)，然后取其平均值，試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄見表3.表3出風(fēng)口風(fēng)速風(fēng)溫測(cè)試記錄時(shí)間持續(xù)處理模式快速處理模式風(fēng)速風(fēng)溫風(fēng)速風(fēng)溫將空氣凈化循環(huán)處理機(jī)切換閥調(diào)至“快速處理”檔位，采用同樣方法測(cè)試出風(fēng)口風(fēng)速和風(fēng)溫，試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄見表3.由表3可知，空氣凈化循環(huán)處理機(jī)持續(xù)處理時(shí)平均風(fēng)速>
　　3. 5m/s，快速處理(chǔ lǐ)時(shí)平均風(fēng)速> 11m/s，試驗(yàn)(test)證明該壓縮空氣供給系統(tǒng)(system)可滿足蓄冰空調(diào)系統(tǒng)使用需求。
　　4結(jié)論由避難砸室壓縮空氣供給系統(tǒng)(system)功能試驗(yàn)可知，對(duì)供氣管路加壓1.8MPa壓力、持續(xù)30mm耐壓試驗(yàn)，管路無泄漏；氣幕噴淋系統(tǒng)可對(duì)進(jìn)入砸室的避險(xiǎn)人員進(jìn)行有毒有害氣體吹掃；蓄冰空調(diào)系統(tǒng)可對(duì)砸室內(nèi)空氣進(jìn)行循環(huán)凈化處理，因此基本可以確定避難砸室壓縮空氣供給系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案切實(shí)可行。昆山空壓機(jī)是回轉(zhuǎn)容積式壓縮機(jī)，在其中水或其它液體當(dāng)作活塞來壓縮氣體，然后將氣體排出。該避難砸室壓縮空氣供給系統(tǒng)中氣瓶集中布置有效提高了避難砸室空間利用率；若有氣瓶發(fā)生泄漏，則其余氣瓶仍可繼續(xù)使用，提高了避難砸室設(shè)備利用率；縮減了避險(xiǎn)人員進(jìn)入砸室后操作流程；60人避難砸室產(chǎn)品成本預(yù)算降低了約9%，見圄3所示。