基于热力循环理论的矿井中央泵房通风系统优化研究

唐建华，王海桥，孙定中

（1.湖南理工职业技术学院，湖南 湘潭 411104；2.湖南科技大学 资源环境与安全工程学院，湖南 湘潭 411201）

通风系统是保证煤矿安全生产的重要基石[1-3]。当前通风机负荷较大，通风成本较高已成为很多煤矿面临的现实问题[4-6]。热力循环是使热能连续不断地转变为机械能的热力过程，提高了能源利用率，在生产实践中得到了广泛的应用[7-9]。

国内外学者对热力循环进行了大量研究，取得了诸多研究成果。高温热源、低温热源、工质是热力循环系统的3要素[10-12]。针对低温热源利用技术，刘建功[13-14]基于低温热源利用现状，指出其优势及存在局限，并根据煤矿低温热源特点，提出低温热源综合利用技术。郭平业等[15]以矿井涌水为冷源及冷媒，对矿井热害资源进行优化利用。段泽敏等[16]以矿井排水、喷淋水及生活废水作为低温热源，以R134a为工质，提出矿井余热综合利用系统。李翔宇[17]为缓解矿井冬季供暖负荷，提出矿井排水与热泵方案，充分利用了低温余热资源。唐晓梅等[18]采用多级喷淋系统对矿井乏风余热进行回风利用，并针对喷淋换热效率进行了敏感性分析，取得了良好的经济与环境效益。针对高温矿井热源，康长豪等[19]分析了围岩放热、机械设备散热等高温矿井热源，提出非空调降温等多项措施，营造良好作业环境。张育玮等[20]研究了高温矿井热源特征，并对高温热源进行分类，并以周源山煤矿为背景分析了风流稳定性受矿井热源的影响。张瑾等[21]对以空气压缩热及地热为热源的矿井进行分析，提出局部制冷降温等热害处理技术，改善了工作面高温环境。此外，热力循环技术在其它领域也有着广泛应用。吴浩宇等[22]采用氨水混合工质建立一种新式循环，通过理论分析构建的新热力模型与朗肯循环进行对比，显著提高了热效率。苏醒等[23]通过建造太阳能烟囱理论与数值模型，将太阳能转换为房间空气流动动能，降低了室温，增强了室内通风。张靖岩等[24]通过建立实验竖井研究烟效应机理，揭示室内外温差对空气流动的影响。

以长沙矿业集团竹山塘煤矿-170 m水平中央泵房通风中热力循环为研究对象，通过对矿井通风系统技术改造，利用泵房排水设备连续不断的散热为高温热源，矿井深部冷水为冷源，矿井及地面空气为工质，在泵房通风中形成了热力循环系统，实现了泵房余热转化为泵房通风空气流动动能，减少了矿井主要通风机负荷，节约了矿井用电量。

1 工程概况

竹山塘煤矿隶属于湖南省长沙矿业集团，生产能力18万t/a。矿井开拓方式为斜井开拓，其中，主井、副井、新风井布置在工业广场，老风井布置在井田边界。新风井主要通风机型号为BDⅡ-8.NO20、电机功率为2×90 kW、风压为1 800 Pa、风量为56.67 m3/s；老风井主要通风机型号为JS128-8、电机功率为155 kW、风压为1 450 Pa、风量为38.33 m3/s。老风井主要提供矿井采、掘工作面等地点所需的风量，新风井主要提供中央泵房所需的风量。矿井通风系统如图1。

2 中央泵房热力循环系统

2.1 热力循环系统技术方案

中央泵房位于-170 m水平，共有26台水泵，其中水泵D500-57×6型24台、MD450×60×5型水泵2台，配套电机功率均为680 kW。副井安装4趟准530 mm×11 mm排水管、3趟 准430 mm×11 mm排水管，最大排水能力为10 000 m3/h。为在-170 m水平中央泵房通风系统中形成热力循环，设计副井为泵房进风井，新风井为泵房回风井。同时，在副井井口建立多级喷淋室系统，降低副井进风风流温度，并在-150 m水平回风巷建立隔热风道，收集水泵电机排放的热风。副井井底车场、-170 m水平中央泵房东、西水闸门建立风门，-170 m水平中央泵房形成独立进、回风。为提高中央泵房通风系统中热力循环的热效率，矿井地面空气在高温季节、高温时段须经过冷水降温减湿处理。在副井井口建立双级喷淋室系统，水源采用矿井深井冷水，深井冷水水源丰富，温度恒定，经实测平均温度为20～21℃。热力循环系统如图2。

2.2 热力循环系统工作原理

中央泵房通风系统热力循环中，高温热源主要是排水泵电机的散热，冷源主要是深井冷水和地面冷空气。矿井地面空气温度、湿度每年发生季节性、周期性变化，全年地面空气温度最高月份主要集中在7、8、9月，最低月份在1月。同时，地面空气温度、湿度也发生日变化，是以24 h为周期的周期性变化，气温一般在每天4:00—5:00气温最低，而在14:00—15:00气温最高。中央泵房热力循环系统工作原理如图3。

图3 热力循环系统工作原理Fig.3 Operational principle of thermal cycle system

图3中：①1-2为低温季节风冷水泵电机排出的热空气在新风井内定熵膨胀过程，2-3为低温季节风井排风在地面冷却降温过程，3-4为低温季节地面进风在副井加热过程，4-1为低温季节风流在泵房内加热过程；②1′-2′为高温季节风冷水泵电机排出的热空气在新风井内定熵膨胀过程，2′-3′为高温季节地面热空气在双级喷水室降温减湿过程，3′-4′为高温季节地面进风在副井内降温过程，4′-1′为高温季节风流在泵房内加热过程。

3 热力循环系统运行可行性分析及经济效益

热力循环系统通风总阻力小于热力循环提供的通风动压，系统运行才会安全可靠。副井至新风井通风总阻力h1计算方式为：

式中：α1、α2分别为副井和新风井的摩擦阻力系数，取66×10-4（N·s2）/m4和29×10-4（N·s2）/m4；L1、L2分别为副井和新风井井筒长度，取741 m和568 m；U1、U2分别为副井和新风井净断面周长，取12.2 m和9.8 m；S1、S2分别为副井和新风井净断面积，取10.3 m2和6.5 m2；Q为通过副井和新风井的风量，实测为31.7 m3/s。

可得，副井至新风井通风总阻力h1为131.03 Pa。

中央泵房热力循环系统的通风动压主要为副井进入泵房的冷空气吸收热量，吸热后空气膨胀并对外做功，推动空气流动，热能转化为空气流动的机械能。通风动压的大小取决于冷空气、热空气的温度。冷、热空气温度随热交换程度变化而变化、随空气压力变化而变化，为简化计算过程，此处采用冷、热空气平均温度计算通风动压。

热力循环系统通风动压h2计算方式为：

式中：p为副井口地面大气压，取99 800 Pa；H为副井垂深，取289.6 m；T1、T2分别为副井和新风井平均热力学温度，取295 K和307 K；g为重力加速度，取9.8 m/s2；R为矿井空气常数，取287 J/（kg·K）。

可得，副井至新风井通风动压h2为168.63 Pa。

通过以上分析，可知竹山塘煤矿中央泵房热力循环系统改造后的通风动压大于通风总阻力（h2>h1），证明系统运行稳定是可靠的。热力循环系统建成后，新风井原有通风机可停用，直接释放矿井主要通风机风量56.67 m3/s，预计每年可减少用电量157.68万kWh，带来的经济效益达394.2万元。

4 热力循环系统稳定性影响因素分析

在热力循环系统中，增大通风动压和减小通风总阻力是提高系统稳定的2个重要手段。由式（1）可知，算式内的井筒长度、井筒净断面周长及截面积等参量对于生产矿井已基本确定，且对此3项参量进行工程修正耗时耗资巨大，而优化井筒摩擦阻力系数则相对可行。由式（2）可知，副井垂深、重力加速度及矿井空气常数已基本确定，而副井和新风井平均热力学温度则是一对变量。为此，针对副井、新风井井筒摩擦阻力系数和平均热力学温度对热力循环系统稳定性影响展开分析。

4.1 井筒摩擦阻力系数的影响

为研究井筒摩擦阻力系数对热力循环系统稳定性影响，取α1=50～70（N·s2）/m4，α2=10～30（N·s2）/m4，研究得到不同副井及新风井摩擦阻力系数条件下的通风总阻力，井筒摩擦阻力系数对热力循环系统稳定性的影响如图4。

图4 井筒摩擦阻力系数对热力循环系统稳定性的影响Fig.4 Influence of wellbore friction coefficient on stability of thermal cycle system

由图4可以看出，通风总阻力与副井摩擦阻力系数、新风井摩擦阻力系数均呈正相关关系。通风总阻力随新风井摩擦阻力系数增加的变化梯度明显高于副井摩擦阻力系数，表明新风井摩擦阻力系数相较于副井对通风总阻力的影响更大。究其原因，是由于新风井井筒截面积较小，导致式（1）中α2的系数较大，从而使通风总阻力受新风井摩擦阻力系数的影响较大。综上分析，降低井筒摩擦阻力系数，对减少通风总阻力，保证热力循环系统稳定性具有重要意义。为减小摩擦阻力系数，应选择锚杆（索）等主动支护方式[25-27]，且尽量使井筒壁面平整，对局部变形破坏区域可采用锚喷、砌碹进行及时修复。

4.2 井筒平均热力学温度的影响

对副井、新风井平均热力学温度对热力循环系统稳定性影响进行研究，《煤矿安全规程》[28]规定：机电设备硐室的空气温度不得超过30℃。根据实测，在泵房空气温度为30℃时，水泵电机散热系统出口风温即高温热源温度为46℃。低温季节副井井筒平均气温16℃，高温季节副井井筒平均气温22℃，故低温热源温度16～22℃。经过换算，分别取T1=289～295 K，T2=313～319 K，得到不同副井及新风井平均热力学温度条件下的通风动压，平均热力学温度对热力循环系统稳定性的影响如图5。

图5 平均热力学温度对热力循环系统稳定性的影响Fig.5 Influence of mean thermodynamic temperature on stability of thermal cycle system

由图5可以看出，通风动压与副井平均热力学温度呈负相关关系，与新风井平均热力学温度均呈正相关关系。通风动压随副井平均热力学温度增加的变化梯度与新风井平均热力学温度几乎一致，表明副井平均热力学温度与新风井平均热力学温度对通风动压的影响基本一致。综上分析，副井平均热力学温度越低，新风井平均热力学温度越高，通风动压则越大，越有利于热力循环系统运行稳定。

5 结 语

1）热力循环系统通风总阻力为131.03 Pa，通风动压为168.63 Pa，系统运行稳定可靠。热力循环系统建成后，直接释放矿井主要通风机风量负荷56.67 m3/s，减少用电量157.68×104kWh/a，带来的经济效益达394.2万元。

2）通风总阻力与副井、新风井摩擦阻力系数均呈正相关关系，降低井筒摩擦阻力系数可有效减少通风总阻力，从而保证热力循环系统运行稳定。为减小摩擦阻力系数，应选择锚杆（索）等主动支护方式，且尽量使井筒壁面平整，对局部变形破坏区域可采用锚喷、砌碹进行及时修复。

3）通风动压与副井平均热力学温度呈负相关关系，与新风井平均热力学温度均呈正相关关系。副井平均热力学温度越低，新风井平均热力学温度越高，通风动压则越大，越有利于热力循环系统运行稳定。