高河矿乏风引风系统的改进及数值分析

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。

3 结 语

本文通过分析常用乏风取气引风罩的结构和性能的优缺点，对高河矿乏风引风装置进行改进，并数值分析了改进前后引风系统的运行效果，结果表明：

1) 当氧化装置停机时，引风罩对乏风扩散塔系统所增加的阻力仅为40 Pa。当全部氧化装置运行时，由于减少了乏风扩散塔里的气压损失，因而引风罩漏气影响不大。

2) 对引风机的全、静压进行计算，在1.8×106m3/h乏风风量下，无乏风引风罩输出式通风机静压效率比加上乏风引风罩输出式通风机静压效率仅提高1%，乏风引风罩仅增加额外40 Pa静压。

3) 对乏风引风罩的新的设计方案是在引风帽的顶部开一个永久的口，这个设计方案满足向乏风管道引风的需要，而从开口处混进管道的新鲜空气将只有0.8%。

4) 在高河煤矿对乏风引风系统进行了规范安装，运行情况良好，特别适合于乏风蓄热氧化发电乏风气体采集。