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礦用避難硐室壓縮空氣供給系統(tǒng)優(yōu)化設計

礦用避難硐室壓縮空氣供給系統(tǒng)優(yōu)化設計


  ★煤炭科技機電與信息化★礦用避難硐室壓縮空氣供給系統(tǒng)優(yōu)化設計李凱張曉升李玉責曾慶華威士玉(長治清華機械廠技術中心,山西省長治市,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。昆山空壓機維修工作時,空氣經(jīng)過自潔式空氣過濾器被吸入,通過PLC自動清洗過濾器,空氣在經(jīng)過進口導葉自動調節(jié)后進入一級壓縮,經(jīng)一級壓縮后的氣體溫度較高,然后進入中間冷卻器進行冷卻(水走管內,氣走管外,中冷器的水流量要求為110m/h)之后進入二級壓縮系統(tǒng)為了驗證該系統(tǒng)的可靠性,以60人避難砸室為例,對其壓縮空氣供給系統(tǒng)所需氣瓶數(shù)量和供氣管路進行設計計算,進行了供氣管路耐壓試驗(test)和分系統(tǒng)功能(gōng néng)試驗。試驗結果表明,供氣管路在1.8MPa壓力下、持續(xù)30mm耐壓試驗無泄漏;調節(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、火災阻隔、沖擊地壓等災害事故時的緊急避險。其對外能夠柢抗爆炸沖擊,柢御高溫煙氣,隔絕有毒有害氣體;對內能夠提供氧氣、食品、飲用水,去除有毒有害氣體、降溫除濕,為避險人員(personnel)提供基本生存(survive)條件,并為災變后的救援創(chuàng)造條件、贏得時間。
  壓縮空氣供給系統(tǒng)是避難砸室的重要組成部分,可在礦井壓風損壞時為氣幕噴淋系統(tǒng)提供氣源,同時為無源蓄冰空調系統(tǒng)提供動力氣源,保障避難砸室各職能模塊的正常工作(gōng zuò)。本文針對國內現(xiàn)已成熟的部分避難砸室壓縮空氣供給系統(tǒng)進行研究礦用避難硐室壓縮空氣供給系統(tǒng)優(yōu)化(optimalize)設計分析可知,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,降低了產品市場(shì chǎng)競爭力;壓縮空氣瓶分散布置降低了砸室空間利用率,且避險人員進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,導致(cause)砸室內資源(zī yuán)的浪費。因此本文針對目前避難砸室壓縮空氣供給系統(tǒng)的弊端進行優(yōu)化設計。
  1避難砸室壓縮空氣供給系統(tǒng)原理設計所設計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)和蓄冰空調系統(tǒng),實際使用過程中將減壓器出口壓力調節(jié)至
  1. 2MPa,由于氣幕噴淋系統(tǒng)工作(gōng zuò)壓力(pressure)約為0.4MPa,因此需要加一個二級減壓器,而蓄冰空調系統(tǒng)可直接使用氣站輸出氣體作為動力氣源。
  2避難砸室壓縮空氣(Basin air)供給系統(tǒng)設計計算2.1壓縮空氣供給系統(tǒng)氣瓶數(shù)量計算體積為80L鋼瓶貯存壓縮空氣,鋼瓶實際充裝壓力為12MPa,根據(jù)氣體能量守恒定律,則單個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,本文設計共選取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)主管路設計計算設計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)力學相關知識,氣體管路中的管道直徑與其通過的流量、工作壓力、管道長度和壓力損失等因素有關,可根據(jù)以下公式計算管道內徑: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)之間管路長度L=8 m,氣幕噴淋系統(tǒng)總耗氣量Vi=2575L/min,即0.043m3/s.計算可得供氣主管路內徑忒20mm.該60人避難砸室壓縮空氣站與蓄冰空調系統(tǒng)之間管路長度L2 =12m,蓄冰空調系統(tǒng)空氣凈化循環(huán)處理機的實測耗氣量V2 0004m3/s.計算可得供氣主管路內徑‘4mm.上述計算結果中,兩種供氣管路直徑差別較大,由于蓄冰空調系統(tǒng)耗氣量為額定值,根據(jù)流體力學相關知識,若氣源選擇(xuanze)較大管路內徑,并不會加蓄冰空調系統(tǒng)壓縮空氣耗氣量,且減小了壓縮空氣流動阻力,易于保障(起保障作用的事物)蓄冰空調系統(tǒng)工作壓力。
  因此壓縮空氣管路設計選用k25 mmX2.5mm(外徑(外緣直徑)X壁厚)無縫鋼管,內徑為20mm,其截面積遠大于2個內徑為4mm管路的截面積,芫全滿足2套蓄冰空調系統(tǒng)供氣需求。昆山空壓機是回轉容積式壓縮機,在其中水或其它液體當作活塞來壓縮氣體,然后將氣體排出。
  由材料力學相關知識,管道承受均勻內壓,其內壁正應力計算為:-管道內應力,MPa一管道承壓,MPa;管道外徑,mm;管道內徑,mm. 5mm無縫鋼管承受12MPa壓力時,依據(jù)式(5)得ff=4.查詢相關資料(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)功能試驗依據(jù)上述技術設計進行避難砸室安裝,安裝芫畢后進行系統(tǒng)功能試驗。昆山空壓機是回轉容積式壓縮機,在其中水或其它液體當作活塞來壓縮氣體,然后將氣體排出。
  3.1供氣管路氣密試驗將供氣管路各接口(interface)處用記號筆分別編號礦用避難硐室壓縮(compression)空氣供給系統(tǒng)優(yōu)化設計(design)(116),打開一個壓縮空氣瓶瓶閥和與之對應的匯流排角座閥,關閉氣幕噴淋裝置控制球閥(應用領域:食品、化工、石油、電力等)和蓄冰空調系統(tǒng)空氣凈化(Purification)循環(huán)(continue)處理機控制閥(Control valve),將兩個減壓器輸出壓力均調節(jié)至18MPa,保壓30min.在各管路接口涂抹肥皂液進行滲漏巡查,記錄(jì lù)試驗數(shù)據(jù)。由試驗數(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,導致密封失效,而其余各管路連接處均無泄漏,產品(Product)合格率達93.8%,試驗證(Experimental)明該壓縮空氣供給系統(tǒng)氣密性良好。
  3.2氣幕裝置功能試驗關閉礦井壓風供氣球閥,打開氣幕球閥,將管路內殘留氣體(gas)釋放;打開一個壓縮空氣瓶瓶閥和與之對應的匯流排角座閥,調節(jié)減壓器輸出壓力開啟防護(密閉□,空氣幕隨之產生,氣流可覆蓋(Cover)整個防護密閉□,關閉防護密閉□,空氣幕隨之消失,試驗記錄見表1.表1氣幕裝置測試記錄氣幕裝置編號聯(lián)動試驗記錄氣幕覆蓋檢驗記錄/mm聯(lián)動正常由表1可知,試驗過程中氣幕與防護密閉□聯(lián)動正常,且氣幕管噴射出的氣流可覆蓋整個門框范圍內,試驗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噴淋裝置功能試驗關閉礦井壓風供氣球閥,打開噴淋球閥,將管路內殘留氣體釋放,而后關閉噴淋球閥。
  打開一個壓縮空氣瓶瓶閥和與之對應的匯流排角座閥,調節(jié)減壓器輸出壓力為0.4MPa,記錄此刻減壓器高壓表數(shù)值;關閉防護密閉□,打開噴淋球閥,計時2min,而后關閉噴淋球閥,記錄此刻減壓器高壓表數(shù)值。噴淋裝置流量測試記錄見表2.表2嘖淋裝置流量測試記錄嘖淋裝置編號氣瓶試驗前壓氣(Pressure)瓶試驗后壓試驗時間噴淋裝置耗氣量及流量分別按式(6)和式(7)式計算:q二Pm2氣瓶試驗后壓力,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.由上述計算結果(result)可知,噴淋裝置流量,>500L/mm,試驗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蓄冰空調系統(tǒng)功能試驗首先將蓄冰柜連接空調系統(tǒng),將蓄冰柜內(Cabinet)注水至觀察窗中間位置,連接線路進行蓄冰。昆山空壓機維修工作時,空氣經(jīng)過自潔式空氣過濾器被吸入,通過PLC自動清洗過濾器,空氣在經(jīng)過進口導葉自動調節(jié)后進入一級壓縮,經(jīng)一級壓縮后的氣體溫度較高,然后進入中間冷卻器進行冷卻(水走管內,氣走管外,中冷器的水流量要求為110m/h)之后進入二級壓縮系統(tǒng)
  待蓄冰芫成后,停止空調系統(tǒng),將空氣凈化循環(huán)處理(chǔ lǐ)機與蓄冰柜連接,開啟一個壓縮空氣瓶瓶閥,調節(jié)(adjust)減壓器輸出壓力為1.2MPa,緩慢開啟空氣凈化循環(huán)處理機控制閥,并將切換閥調至“持續(xù)處理”檔位,在空氣凈化循環(huán)處理機下出風口使用風速風溫儀進行風速和風溫測試,選取5個測試點,然后取其平均值,試驗數(shù)據(jù)記錄見表3.表3出風口風速風溫測試記錄時間持續(xù)處理模式快速處理模式風速風溫風速風溫將空氣凈化循環(huán)處理機切換閥調至“快速處理”檔位,采用同樣方法測試出風口風速和風溫,試驗數(shù)據(jù)記錄見表3.由表3可知,空氣凈化循環(huán)處理機持續(xù)處理時平均風速>
  3. 5m/s,快速處理(chǔ lǐ)時平均風速> 11m/s,試驗(test)證明該壓縮空氣供給系統(tǒng)(system)可滿足蓄冰空調系統(tǒng)使用需求。
  4結論由避難砸室壓縮空氣供給系統(tǒng)(system)功能試驗可知,對供氣管路加壓1.8MPa壓力、持續(xù)30mm耐壓試驗,管路無泄漏;氣幕噴淋系統(tǒng)可對進入砸室的避險人員進行有毒有害氣體吹掃;蓄冰空調系統(tǒng)可對砸室內空氣進行循環(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)設計方案切實可行。昆山空壓機是回轉容積式壓縮機,在其中水或其它液體當作活塞來壓縮氣體,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,提高了避難砸室設備利用率;縮減了避險人員進入砸室后操作流程;60人避難砸室產品成本預算降低了約9%,見圄3所示。


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