高河矿乏风引风系统的改进及数值分析

2020-03-23豆文举张维辉

煤 2020年3期

豆文举，张维辉，陈菁

(浙江亿扬能源科技有限公司，浙江杭州 310013)

一般煤矿超低浓度瓦斯(瓦斯浓度<8%)占煤矿瓦斯总量的90%左右，但利用率极低[1-4]，由于缺乏相应的利用技术，直接排空既造成能源浪费，又污染大气环境，加剧了温室效应[5-6]。

虽然国内风排瓦斯(乏风)引风装置形式多样，但引风效果较差[7-8]，而且国内煤矿乏风通常多采用抽出式。引风方法一种是从扩散塔侧面打孔，优点是引风对主风机阻力影响小，不足之处是改变了扩散塔结构，需对其进行加固；另一种是在扩散塔出口一定位置放置乏风引风罩，优点是收集乏风效果好，但也会使主风机出口端流通面积减少，阻力增大[8-9]。由此，需要对风排瓦斯引风装置进行改进，以达到显著的引风效果[10]。

本文针对国内乏风引风装置存在的弊端，对高河煤矿的乏风引风装置进行了改进，并通过Fluent数值模拟的方法，对其效果进行数值分析和现场测试，为乏风引风装置的优化提供了一种新的思路。

1 工程概况

1.1 高河矿井通风概况

高河煤矿位于山西省长治市上党区高村西南侧，地处沁水煤田东部中段。煤种以低挥发分烟煤和半无烟煤为主，是优质喷吹煤用煤。中央风井选用2台ANN-3392 / 1600B型主通风机，通风容易时期，其乏风总风量为1 407 600 m3/h，进气静压1 271 Pa，出气静压126 Pa，静压1 397 Pa，效率66%，轴功率820 kW；通风困难时期，其乏风总风量为1 904 400 m3/h，进气静压4 312 Pa，出气静压231 Pa，静压4 543 Pa，效率85.5%，轴功率2 806 kW。

1.2 乏风扩散塔的引风改进方案

在风井主扇出气端扩散塔口上方的外围增加乏风引风罩(12 m×12 m× 6.75 m)，并在引风罩的顶部开一个永久的口(8 m×7.5 m)。这将从根本上消除原来电动阀门控制、冬季防冰冻、停电能否自动开启等问题，而且扩大了乏风排空的口子。同时，RTO不运行情况下，主通风机乏风仍然通过上方通道进行排空；RTO负压风机开启后，在吸力作用下，扩散塔口乏风会流入乏风管道内，从而在与低浓度瓦斯混配后进入RTO装置进行氧化发电。

乏风引风系统主要由乏风引风罩、乏风风门、电动调节阀门、乏风管路、压力传感器、浓度传感器、流量传感器、控制系统组成。扩散塔顶部标高为955.464 m，乏风引风罩设钢支架予以支撑，支架上设有直爬梯，可至收集罩上部开口。RTO 乏风母管末端设置强制引风放散口，以便在 RTO 突然停运时，将残存在乏风管道的甲烷气体排出。放散引风机为防爆型，其配电由氧化控制室引接。

2 乏风引风装置数学物理模型

2.1 引风系统基本理论

乏风引风风流满足多组分气体方程：

(1)

(2)

(3)

p=ρRT

(4)

(5)

2.2 引风模型及边界条件

根据高河煤矿乏风井口尺寸和引风系统设计了引风装置三维模型，如图1所示。模拟所选参数为：引风罩开口处为一个大气压；进风口乏风流量为1.8×106m3/h；乏风体积分数为0.3%；乏风密度为1.059 kg/m3；乏风温度为20 ℃；出口乏风流量为1.04×106m3/h；其他边界为固壁。模拟过程中的假设：① 忽略乏风通道内壁材料性质； ②入口涡旋速度增大(如：轴向的排风出口)。

2.3 数值模拟结果分析

采用CFD软件模拟了3种情况下引风系统的运行特征：① 无乏风引风罩(原有引风方式)；② 增加乏风引风罩，RTO氧化装置不运行；③ 增加乏风引风罩，12台RTO氧化装置全部运行。

1) 主通风机阻力影响分析。3种情况下的压力分布如图2-图4。从图中可以看出，乏风在引风装置中流动过程中，其压力逐渐降低，甚至出现负压。① 无乏风引风罩，压降相对较小，主通风机全压降至206 Pa(图2)；② 增加乏风引风罩，RTO氧化装置不运行情况下，压降相对较大，主通风机全压降至246 Pa(图3)；③ 增加乏风引风罩，12台RTO氧化装置全部运行情况下，压降最为明显(中低压区域大，压力值小，在出口处，平均压力仅为-19.3 Pa)，主通风机全压降至165 Pa(图4)，这主要是所有RTO装置运行时，RTO装置排风扇推动通道内乏风的运移，并降低了乏风在通道内的压力损失。总体来讲，在增加乏风引风罩后，RTO无论运行与否，风机静压变化仅40 Pa，对矿井主通风机通风无影响。

图1 引风装置模型

2) 乏风气流运动轨迹分析。3种情况下的乏风运动轨迹如图5～图7。① 无乏风引风罩时，管状流的乏风直接从管口流出，排至大气中(图5)；② 增加乏风引风罩，RTO氧化装置不运行情况下，有部分乏风分流至通向RTO的输送通道中，但其流动很快停止(乏风运动一段距离后返回)，乏风将从乏风引风罩上方开口流出(图6)；③ 增加乏风引风罩，12台RTO氧化装置全部运行情况下，绝大部分乏风会经由输送通道进入RTO，仅有少量乏风从乏风引风罩上方开口流出(图7)。

图2 无乏风引风罩压力分布

图3 加乏风引风罩压力分布(无RTO运行)

图4 12台RTO运行时压力分布

图5 无乏风引风罩

3) 12台RTO运行时乏风甲烷浓度分析。乏风 CH4浓度认定为0.3%，扩散塔出口乏风浓度认定为0，如图8。图9中，从甲烷运送轨迹可看出有部分甲烷从引风罩上部流出，即出现漏气现象(引风罩上方气体出现倒流：速度为负值(图10))。但是，在12台RTO风机全部运行时，CH4平均浓度为0.297 6%，与0.3%差别不大，由此可知引风罩漏气影响不大。对以上结果总结可得如表1所示。

图6 加乏风引风罩(无RTO运行)

图7 加乏风引风罩(12台RTO运行)

图8 引风后平均CH4浓度

图9 漏气轨迹

图10 引风罩出口垂直速度(m·s-1)

表1 引风参数对比

综上所述，与无乏风引风罩相比，增加引风罩，对乏风扩散塔系统所增加的阻力仅为40 Pa(RTO不运行)；而当全部RTO运行时，乏风被引风机驱动下进入输送通道，主通风机全压压降最为明显(降至165 Pa)。RTO输送通道中流体进入了约0.8%的新鲜空气，这意味着RTO输送通道中CH4浓度从0.3%被稀释至0.297 6%。高河矿通过SGS(通标标准技术服务(上海)有限公司)对电站乏风进行了标定，标定当时工况是乏风流量及浓度，甲烷浓度为0.273%，空气进入比例为0.73%，与模拟结果(甲烷浓度0.297 6%，进入空气比例0.8%)基本一致。