河南洛宁抽水蓄能电站洞室开挖烟尘净化装置研究

2022-07-17张兴彬杨沛基

水电与抽水蓄能 2022年3期

殷康，高健，张兴彬，王波，杨沛基

（1.河南洛宁抽水蓄能有限公司，河南省洛阳市 471700；2.华北科技学院应急技术与管理学院，北京市 101601）

0 引言

抽水蓄能电站洞室爆破施工产生的粉尘会长时间聚集在掌子面，进一步在洞室中扩散，极大程度上影响作业人员的身体健康。党的十九大以来，对环保提出更高要求，各级环保部门及职业病管理机构非常关注环保措施，目前常规的治理方式是通过正压通风将放炮后掌子面产生的粉尘排出，但是粉尘在排出过程中会进一步的扩散去污染整个隧道，并且存在除尘效果不明显、耗能大等问题。因此开展洞室烟尘净化研究工作刻不容缓。

近年来，国内一些学者关于洞室烟尘净化技术进行了大量的研究，取得了丰硕的成果，孙会想等[1]依托白鹤滩水电站工程，研究地下洞室群开挖期通风散烟特点和规律，形成了一套高效节能的通风散烟系统；亓守臣等[2]根据长大隧道的特征，针对长大隧道各个不同时期提出了具体的粉尘控制技术措施及方案；谭信荣等[3]基于油竹山隧道，通过分析隧道空气数据，提出了隧道内干式除尘机与隧道通风结合的措施，有效降低了隧道粉尘含量；赵亚鹏[4]通过调查研究脉冲袋式除尘器在山西阳煤电石化工有限责任公司的应用实例情况，介绍了脉冲袋式除尘器的结构形式、除尘原理及除尘效果；刘绍银[5]对影响电除尘器二次扬尘的各种因素及生成的机理进行了系统的分析，并介绍了对于二次扬尘的检测方法；牛学勤[6]介绍了自激湿式除尘器在现场的应用情况，并结合现场所出现的问题，对自激式湿式除尘器提出了改进意见。赵玉报等[7]介绍了干式除尘机的除尘机理，探讨了干式除尘机的除尘工艺并进行相应的应用。罗方武[8]基于长大隧道施工的粉尘治理问题，提出了一种干式除尘方案，并对其除尘机理和应用问题展开了分析。白雁楠和乔鑫[9，10]基于余吾煤矿的掘进工作面，应用了干式除尘系统进行优化研究，根据现场使用情况进行了相对的改进。通过上述分析可知，一些专家学者虽然也进行了一些干式除尘器的探索，但是，并没有进行广泛的推广应用，目前洞室烟尘净化大多还是通过传统的隧道通风，将掌子面的粉尘和有害气体排出。

针对上述问题，本文开展洞室开挖烟尘净化装置设备尺寸优化、主要结构及技术参数、多装置兼容性及结构优化研究，结合河南洛宁抽水蓄能电站洞室施工现场实际，研发一套可移动式洞室开挖烟尘净化装置，并进行工业性试验，试验结果表明该洞室开挖烟尘净化装置除尘效率高、操作安全，具有一定的推广应用价值。

1 工程概况

河南洛宁抽水蓄能电站距洛宁县城约17km，洛宁县有高速公路通往洛阳市和郑州市，公路里程分别为80km和201km。

河南洛宁抽水蓄能电站装机容量1400MW，装设4台单机容量为350MW的水泵水轮发电电动机组，在电网中承担调峰、填谷、调频、调相及事故备用等任务[11，12]。电站上水库集雨面积0.69km2，正常蓄水位1230.00m，正常蓄水位以下库容833万m3，死水位1204.00m，死库容199万m3。下水库集雨面积25.9km2，正常蓄水位620.00m，正常蓄水位以下库容895万m3，死水位588.00m，死库容256万m3，额定水头604m。

河南洛宁抽水蓄能电站主要由上水库、输水系统、发电厂房等组成，输水系统和发电厂房为复杂的地下系统工程，包括通风洞、交通洞等平洞、竖井、斜井、地下厂房等[13]。在钻孔、炸药爆破、掘进工作等施工生产环节产生大量粉尘，严重影响作业人员人身安全和职业健康，是影响洞室施工安全、制约开挖进度的重要因素[14]。传统的隧道通风是在洞口设置轴流风机，采用正压通风的方式，沿隧道排出粉尘和有害气体，粉尘和有害气体在排出过程中会扩散污染整个隧道，危害所有进洞的人员，并且存在除尘效果不明显、耗电量大等问题。同时自然通风经济节能，但受气象条件、洞室整体规划、机械通风设备及通风通道的影响及制约，通风效果难以有效控制[15]。研发一套洞室开挖烟尘净化装置，减少爆破后的施工等待时间，提高施工速度，爆破产生的粉尘被吸入洞室开挖烟尘净化装置，可直接在粉尘源处降尘除尘，而不是传统的利用通风机通过隧道压出排到大气里，有效净化施工掌子面的环境，有效减少粉尘及有害气体在洞室中扩散，避免污染掌子面以外的空气，缩短通风时间，降低能耗。

2 洞室开挖烟尘净化装置

2.1 设备构造

如图1所示，洞室烟尘净化装置分为过滤系统、脉冲清灰系统、箱体钢结构、回转吸尘臂部件和电气控制系统。其洞室烟尘净化系统技术参数见表1。

表1 洞室烟尘净化装置参数表Table 1 Table of parameters for the soot purification device in the cave chamber

图1 洞室开挖烟尘净化装置Figure 1 The hole room digs the soot purification device

过滤系统中采用的过滤元件材质是聚酯纤维，每个过滤元件过滤面积可达到9.4m2，过滤精度达到3μm，并采用荧光粉检测无泄漏。

脉冲清灰系统中所用的元器件抗震性能好、振动强度良好，且在3.5MPa气压喷吹下滤芯膨胀振动效果良好，其中所安装的电磁阀经0.7MPa喷吹测试，安装质量良好，测得偏心量程附合图纸要求。

箱体钢结构中的箱体漏风率控制在2%以下，箱体密封完整无泄露，采用防锈刷漆工艺。

回转吸尘臂部件中采用的是口径φ450×2、长度3.5m的吸尘臂，吸尘臂上下升降可靠自如，稳定无卡死现象，吸尘臂旋转角度±40°，上、下90°，部件中的位置传感器支架牢固可靠，可调节，在突然停电时减速机自带抱刹功能不会下落，旋转气缸带有锁气功能不会失控。

电气控制系统包括风机控制电路、空压机控制电路、脉冲喷吹控制器和回转吸尘臂控制电路。其中风机电器配置可靠，具有短路、过载、缺相等保护功能；脉冲喷吹控制器喷吹时间、间隔时间可调，性能稳定；回转吸尘臂控制电路中传感器控制电路可调可控，性能良好，以及三相五线航空插头、座，安全等级高，防水防尘。

洞室开挖烟尘净化装置设备在洞室中电器控制防尘措施较好，在飘尘情况下正常工作，不会影响传感器运行，洞顶的小碎石下落在5～8m高度以内下落对设备不会产生损坏现象。在设备遇到突发情况，吸尘管上升、下落，回旋动作的相互自锁保护中不会失控，设备正常运行。设备在-20℃或50℃的气候环境运转，所有部件运转正常，风机运转时震动噪声不高于75dB（A）。

2.2 工作机理

洞室开挖烟尘净化装置主要使用滤筒作为过滤的介质，如图2所示，用来收集粉尘，当在空气流动的粉尘通过滤筒过程中，将粉尘截留收集在滤筒上，随着作业时间增加会逐渐形成粉尘初层，这个时候除尘效率最高，完全可以用来净化掌子面放炮后产生的大量粉尘。

图2 滤筒照片Figure 2 Filter Photo

2.3 烟尘净化装置适用性及经济性分析

烟尘净化装置适用于独头掘进时期洞室放炮后的烟尘净化，洞室掘进断面一般在100～150m2，洞室长度一般长于1km，这样的洞室烟尘不易散去，长距离的通风风量损耗比较大。

放炮后烟尘净化装置的工作时间为15～20min，使用通风机排烟的时间一般在30min以上，降低了能耗，同时，烟尘被吸入烟尘净化装置，不会污染整个隧道，一台烟尘净化装置的价格与一台进口风机的价格大致相同，在施工单位的承受范围之内。

2.4 烟尘净化装置与自然通风及其他散烟除尘方式对比

烟尘净化装置与自然通风及其他散烟除尘方式对比如表2所示，烟尘净化装置除尘时间最短，同时，烟尘被吸入装置内，不会污染洞室内的环境，提高了施工效率，改善了洞室内的空气质量。

表2 烟尘净化装置与自然通风及其他散烟除尘方式对比Table 2 Comparison of soot purification devices with natural ventilation and other smoke removal methods

3 现场工业试验

通过对地下厂房放炮施工后掌子面环境净化过程中的主要污染物质进行监测和对洞室开挖烟尘净化装置的使用效果进行试验，结合净化后掌子面内污染物质试验数据结果，对可移动式洞室除尘系统的净化能力及效果进行评估和分析。

主要检测对象为放炮施工后的粉尘浓度和爆破时产生的有毒有害气体，如CO、SO2等。根据我国相关规定，洞室内有害气体重量允许浓度标准如下：CO2≤10mg/m3；CO≤30mg/m3；SO2≤15mg/m3，洞室内粉尘最高允许浓度≤ 3.5mg/m3。

3.1 试验过程

试验地点为洛宁抽水蓄能电站进场交通洞施工现场，施工洞室断面为7.8m×7.8m，湿度为30%，温度为25℃，洞室开挖烟尘净化装置与掌子面之间的距离为60m，爆破10min后，净化系统开始工作，试验时采用自然通风，设备为现场自循环，在同样的工作环境下，滤筒寿命为1～1.5年。试验过程如图3所示。

图3 试验过程Figure 3 Test Process

进场交通洞爆破后，掌子面附近产生大量烟尘，粉尘分散度高，此时的粉尘浓度达到70mg/m3。当开启洞室开挖烟尘净化装置后，能够明显看到烟尘被烟尘净化装置吸入。当烟尘净化装置工作5min时，空气质量有明显的改善，粉尘浓度下降到9mg/m3左右。随着净化装置工作时间的增加，施工环境中的粉尘浓度被净化到2mg/m3左右，此时工作面的空气含量已符合国家标准。当烟尘净化装置工作到15min时，工作人员能够清晰地看到洞室内部，能见度较高，呼吸舒畅，空气新鲜。

3.2 试验监测及分析

待爆破后，烟尘净化装置开始工作前，需先将激光粉尘仪（见图4）和有毒有害气体检测仪（见图5）放置在距离掌子面15m的位置。激光粉尘仪是利用激光光束照射到含尘气流上，使光束产生散射光，粉尘浓度越高，产生的散射光强度越大，由此测出粉尘浓度。激光粉尘仪具有监测快速、灵敏、稳定性好、无噪声、操作简便、安全可靠等优点。同时还具备气幕屏蔽及洁净气自清洗功能，确保光学系统不受污染；具有与计算机双向通信功能，可通过PC机进行数据处理，打印出曲线图。有毒有害气体检测仪（见图5）采用红外遥控控制，在-30℃～50℃下正常工作，可监测出CO、SO2、O3、H2S等有毒有害气体浓度，轻型便捷，可实时监测，其中仪器具有音频指示功能，音频频率越高代表气体浓度越高。

图4 激光粉尘仪Figure 4 laser dust meter

图5 有毒有害气体检测仪Figure 5 Toxic and harmful gas detector

当爆破作业5min后，烟尘净化装置开启运行净化，激光粉尘仪和有毒有害气体检测仪也同步开始对净化过程中不同时间段的粉尘浓度、CO浓度和SO2浓度进行监测，最后得到如图6所示曲线图。如图6所示爆破后洞室掌子面内的粉尘浓度在经过洞室开挖烟尘净化装置净化后，随着洞室开挖烟尘净化装置工作时间的增加，其中烟尘净化装置在净化粉尘浓度、CO浓度和SO2浓度的前7min有很明显的效果，其浓度值随着工作时间急剧下降。在洞室开挖烟尘净化装置净化工作的第15min时掌子面内粉尘浓度由70mg/m3左右降低至0mg/m3左右，与此同时掌子面内的CO浓度和SO2浓度也由爆破后的最大浓度值降低到0mg/m3左右。试验证明，洞室开挖烟尘净化装置能够在短时间内将爆破后掌子面的粉尘浓度及其他有毒有害气体的浓度值降低到0mg/m3左右，净化效果显著，避免作业人员长时间吸入烟尘及其他有毒有害气体危害身体健康，从而为工人提供了良好施工环境，也避免污染掌子面以外的空气，达到绿色环保施工的效果。