嚴(yán)寒地區(qū)煤礦地面生產(chǎn)系統(tǒng)采暖方案研究

孫建榮

(國家能源集團(tuán)神華北電勝利能源有限公司，內(nèi)蒙古 錫林浩特 026000)

煤礦地面生產(chǎn)系統(tǒng)電氣設(shè)備較多，且煤塵極易燃燒，是防火的重點(diǎn)區(qū)域，而在北方嚴(yán)寒及酷寒地區(qū)，煤礦地面生產(chǎn)系統(tǒng)的消防水系統(tǒng)冬季基本都是放空(無水)狀態(tài)，主要原因是氣候寒冷，地面生產(chǎn)系統(tǒng)室內(nèi)溫度不足以保證消防系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。因此，一旦發(fā)生火情，消防系統(tǒng)能否及時(shí)啟動(dòng)，能否穩(wěn)定運(yùn)行都有很大不確定性，存在較大的火災(zāi)防控隱患。地面生產(chǎn)系統(tǒng)電氣設(shè)備、采暖季存在的消防隱患正符合《2018年全國火災(zāi)統(tǒng)計(jì)分析報(bào)告》中火災(zāi)高風(fēng)險(xiǎn)特點(diǎn)[1，2]。

保障北方嚴(yán)寒地區(qū)煤礦消防水系統(tǒng)可靠運(yùn)行是預(yù)防火災(zāi)的有效手段，而保障消防水系統(tǒng)運(yùn)行比較有效的措施是解決煤礦地面生產(chǎn)系統(tǒng)的采暖問題。

1 嚴(yán)寒地區(qū)煤礦地面生產(chǎn)系統(tǒng)采暖現(xiàn)狀

為了充分了解北方嚴(yán)寒地區(qū)煤礦地面生產(chǎn)系統(tǒng)冬季消防系統(tǒng)的運(yùn)行情況，筆者對(duì)內(nèi)蒙古錫林浩特勝利礦區(qū)XY礦、白音華礦區(qū)YH礦、霍林河NM礦等煤礦進(jìn)行了調(diào)研，所調(diào)研煤礦地面生產(chǎn)系統(tǒng)冬季消防水系統(tǒng)全部為放空狀態(tài)，主要原因就是避免冬季消防水系統(tǒng)發(fā)生凍害。

1.1 輸煤系統(tǒng)

輸煤系統(tǒng)包括地面、地下、棧橋上的帶式輸送機(jī)系統(tǒng)，所調(diào)研煤礦輸煤系統(tǒng)有采取露天半封閉結(jié)構(gòu)的，也有采取全封閉的輸煤廊道結(jié)構(gòu)的。露天半封閉結(jié)構(gòu)自然不會(huì)采暖，全封閉的輸煤廊道結(jié)構(gòu)設(shè)有采暖，但采暖溫度不能全面保證，因此冬季消防水系統(tǒng)也處于放空狀態(tài)。

造成輸煤廊道采暖溫度不能全面保證的原因主要有：①輸煤廊道封閉狀況較差，采用保溫壓型鋼板封閉或磚混結(jié)構(gòu)封閉，均存在跑風(fēng)漏風(fēng)的狀況，同時(shí)門窗密封效果也比較差；②采暖熱媒溫度偏低，一般為70℃/40℃；③散熱器安裝數(shù)量偏少，可能設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)封閉效果考慮不夠全面。

1.2 篩分破碎系統(tǒng)

篩分破碎系統(tǒng)主要是指篩分破碎樓，所調(diào)研煤礦篩分破碎樓基本都是封閉的，有設(shè)計(jì)采暖的，也有不設(shè)計(jì)采暖的。其中，設(shè)計(jì)采暖的冬季采暖溫度也不能全面保證，因此冬季消防水系統(tǒng)也處于放空狀態(tài)。

造成篩分破碎樓采暖溫度不能全面保證的原因主要有：①受除塵進(jìn)風(fēng)、排風(fēng)的影響，使室內(nèi)熱量隨著排風(fēng)流出，同時(shí)室外冷氣隨著進(jìn)風(fēng)流入，造成室內(nèi)溫度難以保證；②與室外半封閉棧橋接口處無法全面封閉，導(dǎo)致冷空氣流入量較大；③門窗等密封效果較差；④采暖熱媒溫度偏低，一般為70℃/40℃；⑤散熱器安裝數(shù)量偏少，可能設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)室內(nèi)通風(fēng)考慮不夠全面。

1.3 儲(chǔ)煤系統(tǒng)

儲(chǔ)煤系統(tǒng)主要是指圓形煤倉或條形煤倉、筒倉及其頂部的配煤間等，所調(diào)研煤礦煤倉及其配煤間基本都是封閉的，全部設(shè)計(jì)采暖。只是有采用熱風(fēng)采暖的，有采用熱水采暖的，但冬季采暖溫度也都不能全面保證，因此冬季消防水系統(tǒng)也處于放空狀態(tài)。造成圓形煤倉或條形煤倉、筒倉及其頂部的配煤間采暖溫度不能全面保證的原因與篩分破碎系統(tǒng)基本一致。

2 嚴(yán)寒地區(qū)煤礦地面生產(chǎn)系統(tǒng)消防系統(tǒng)面臨的風(fēng)險(xiǎn)

老版《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》(GB 50016—2006)第8.4.2條第9款規(guī)定：“嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)非采暖的廠房(倉庫)及其他建筑的室內(nèi)消火栓系統(tǒng)，可采用干式系統(tǒng)，但在進(jìn)水管上應(yīng)設(shè)置快速啟閉裝置，管道最高處應(yīng)設(shè)置自動(dòng)排氣閥”[3]。新版《消防給水及消火栓系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》(GB 50974—2014)規(guī)定，“7.1.3室內(nèi)環(huán)境溫度低于4℃或高于70℃的場所，宜采用干式消火栓系統(tǒng)”[4]。因此嚴(yán)寒地區(qū)采用干式消火栓系統(tǒng)是符合規(guī)范要求的。但是結(jié)合嚴(yán)寒地區(qū)地面生產(chǎn)系統(tǒng)的實(shí)際情況看，若在-20～-40℃的冬季出現(xiàn)火情時(shí)主消防水系統(tǒng)或許能發(fā)揮作用，但防火分隔水幕等小管道就不一定能發(fā)揮作用，而且從現(xiàn)有消防設(shè)施的配置看火災(zāi)撲滅后消防水系統(tǒng)可能大部分會(huì)報(bào)廢，原因是滅火后管道中的水很難全部放空，管道會(huì)被凍裂，滅火時(shí)流動(dòng)部分的水可能在滅火后能放空一部分，發(fā)生火情后充水但未使用部分的管道必然會(huì)被凍裂。

鑒于以上消防系統(tǒng)面臨的風(fēng)險(xiǎn)，研究如何保障嚴(yán)寒地區(qū)地面生產(chǎn)系統(tǒng)的采暖溫度有很重要的意義。一方面可以保證消防系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠運(yùn)行；另一方面避免火災(zāi)發(fā)生后消防系統(tǒng)損毀，導(dǎo)致后期防火設(shè)施失效；同時(shí)，還可以保證生產(chǎn)系統(tǒng)冬季可靠運(yùn)行，并為生產(chǎn)人員創(chuàng)造較為舒適的工作環(huán)境。

3 嚴(yán)寒地區(qū)煤礦地面生產(chǎn)系統(tǒng)采暖方案

現(xiàn)場調(diào)研結(jié)果表明，半封閉輸煤棧橋的消防系統(tǒng)采用的是地下消火栓，其消防水管道一般敷設(shè)在冰凍線以下，消火栓井冬季采取防凍措施，一般不會(huì)出現(xiàn)凍害現(xiàn)象，因此無需考慮采暖。封閉輸煤棧橋(或廊道)、篩分破碎系統(tǒng)、儲(chǔ)煤系統(tǒng)等均設(shè)有室內(nèi)消防水系統(tǒng)，造成這些建(構(gòu))筑物室內(nèi)溫度不能保證的原因主要有封閉不嚴(yán)、與室外半封閉棧橋接口處無法全面封閉和除塵外排等引起的熱量流失，以及熱媒溫度偏低和散熱器偏少等問題。

3.1 熱量流失問題的解決方案

造成建(構(gòu))筑物室內(nèi)熱量流失的主要原因是建(構(gòu))筑物自身封閉不嚴(yán)導(dǎo)致的冷空氣進(jìn)入、熱空氣排出，與室外半封閉棧橋接口處無法全面封閉導(dǎo)致的冷空氣進(jìn)入、熱空氣排出，以及除塵設(shè)備進(jìn)風(fēng)和排風(fēng)導(dǎo)致的冷空氣進(jìn)入、熱空氣排出。

3.1.1 封閉導(dǎo)致熱量流失問題的解決方案

對(duì)于全封閉的輸煤廊道、轉(zhuǎn)載站、輸送帶拉緊間、篩分破碎樓、裝車站、儲(chǔ)煤倉及其配煤間等建(構(gòu))筑物，采用保溫壓型鋼板封閉的，原則上不做大的改造，只是針對(duì)密封狀況較差的部位進(jìn)行改造加固，確保達(dá)到密封的效果；對(duì)于采取磚混結(jié)構(gòu)封閉的，對(duì)局部漏風(fēng)的部位采取封堵措施；對(duì)于門窗密封效果差的，采取更換門窗或更換密封條或加裝門斗等措施，確保輸煤廊道實(shí)現(xiàn)全封閉不漏風(fēng)。

對(duì)于與室外半封閉棧橋接口處無法全面封閉導(dǎo)致冷空氣流入的問題，一方面對(duì)棧橋入口處加裝一段封閉房間，將暴露在外的防火分隔水幕小管道放在封閉房間中，并對(duì)輸送帶入口處采取橡膠軟封閉措施，盡可能減少冷空氣的流入和熱空氣的流出；另一方面在帶式輸送機(jī)兩個(gè)入口處加裝熱風(fēng)機(jī)，以阻止冷空氣流入，同時(shí)也可保證防火分隔水幕小管道不受凍害(圖1)。熱風(fēng)機(jī)熱源可直接利用采暖熱水進(jìn)行換熱。

圖1 輸煤系統(tǒng)改造方案

3.1.2 除塵導(dǎo)致熱量流失問題的解決方案

一是要用榜樣的力量，把優(yōu)秀的家政服務(wù)人員會(huì)從臺(tái)前轉(zhuǎn)去幕后，去做輔導(dǎo)和幫助新的家政人員成長，或者用回家鄉(xiāng)創(chuàng)業(yè)做老板等案例，選擇性地給阿姨們介紹聽，引發(fā)她們對(duì)自己職業(yè)生涯的長遠(yuǎn)考慮和安排。

篩分破碎樓、轉(zhuǎn)載站等建筑物內(nèi)一般設(shè)有布袋除塵，有布袋除塵就會(huì)有進(jìn)風(fēng)與排風(fēng)的問題。對(duì)于嚴(yán)寒地區(qū)，室內(nèi)如果有采暖，除塵進(jìn)風(fēng)一定會(huì)帶進(jìn)冷空氣，排風(fēng)一定會(huì)帶走熱空氣，這樣就導(dǎo)致室內(nèi)熱量的大量流失。為了有效解決熱量流失的問題，必須要建立空氣的室內(nèi)循環(huán)，就是將除塵器的進(jìn)風(fēng)通過其排風(fēng)來補(bǔ)充，但除塵器的排風(fēng)仍存在一定的粉塵，如果向室內(nèi)排風(fēng)，就需要進(jìn)一步對(duì)排風(fēng)進(jìn)行除塵，可采取在排風(fēng)口再加布袋，或者進(jìn)行水幕除塵，將除塵達(dá)標(biāo)后的排風(fēng)排到除塵器的進(jìn)風(fēng)樓層。也就是說如果除塵器的進(jìn)風(fēng)與排風(fēng)在同一樓層，直接將除塵后的排風(fēng)排到本樓層即可，如果除塵器的進(jìn)風(fēng)與排風(fēng)不在同一樓層，還需將排風(fēng)送到除塵器進(jìn)風(fēng)樓層并除塵。除塵進(jìn)風(fēng)、排風(fēng)改造后，就要將建筑物內(nèi)的通風(fēng)口及門窗等局部漏風(fēng)點(diǎn)全部進(jìn)行封閉，有效解決建筑物內(nèi)熱量流失的問題[5]。

3.2 采暖方案

嚴(yán)寒地區(qū)煤礦地面生產(chǎn)系統(tǒng)采暖方案的確定，主要從方案的可靠性與經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行考慮，鑒于蒸汽采暖系統(tǒng)的熱媒溫度高，散熱器及采暖管道不僅容易燙傷人，而且容易造成沉積在其上的煤粉發(fā)生自燃，因此煤礦地面生產(chǎn)系統(tǒng)不適合采用蒸汽采暖；熱風(fēng)采暖具有熱效率低、熱損失大的特點(diǎn)，熱風(fēng)管道因截面大不方便布置，且熱風(fēng)容易吹起煤塵等弊端，因此熱風(fēng)采暖使用場所也不多；熱水系統(tǒng)作為傳統(tǒng)的采暖方法，具有舒適、經(jīng)濟(jì)、安全的特點(diǎn)，所以，煤礦地面生產(chǎn)系統(tǒng)應(yīng)優(yōu)先選用水暖系統(tǒng)[6]。

不管選用哪種采暖系統(tǒng)，對(duì)熱源的要求是一致的，離城市較近的礦區(qū)，盡可能利用市政熱源，在礦區(qū)建立熱交換站，集中供暖方式可減少空氣污染；離城市較遠(yuǎn)的礦區(qū)，熱源只能采取自建鍋爐房的方案[7]。

3.2.1 輸煤系統(tǒng)、篩分破碎樓采暖方案

對(duì)于實(shí)現(xiàn)了全封閉的輸煤廊道、轉(zhuǎn)載站、膠帶拉緊間、篩分破碎樓、裝車站等建筑物，采暖可以考慮采用90℃/60℃的熱水系統(tǒng)。根據(jù)《煤炭工業(yè)供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50466—2018)，輸煤廊道采暖室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度為8℃，轉(zhuǎn)載站采暖室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度為10℃，篩分破碎樓采暖室內(nèi)溫度為15℃。為了確保供暖系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，在進(jìn)行采暖設(shè)計(jì)時(shí)，一定要全面考慮這些建筑物的封閉材質(zhì)及通風(fēng)的現(xiàn)狀，參數(shù)選定應(yīng)實(shí)事求是，進(jìn)行科學(xué)計(jì)算；同時(shí)散熱器考慮選用鋼排管，以減少系統(tǒng)循環(huán)阻力，也方便清掃和維修；另外考慮到一些建筑室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度偏低，為了避免消防系統(tǒng)局部受凍害，消防管道布置要與采暖管道并行布置，并一起保溫起到伴熱的作用(圖2)，消火栓可以布置到散熱器上方，對(duì)局部凍害風(fēng)險(xiǎn)大的地段可以考慮專設(shè)伴熱管，使消防水系統(tǒng)得到全面保證[8，9]。

圖2 消防管伴熱

3.2.2 儲(chǔ)煤系統(tǒng)采暖方案

儲(chǔ)煤倉的采暖主要在煤倉下部，以及倉頂?shù)呐涿洪g，為了避免配煤間采暖系統(tǒng)漏水造成倉內(nèi)儲(chǔ)煤凍結(jié)，儲(chǔ)煤倉及其頂部的配煤間采暖建議采用熱風(fēng)采暖，采用50℃左右的熱風(fēng)系統(tǒng)，根據(jù)GB/T 50466—2018，儲(chǔ)煤倉采暖室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度為10℃。為了確保供暖系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，應(yīng)科學(xué)選取采暖參數(shù)；為了避免消防系統(tǒng)局部受凍害，消防管布置同樣要與采暖熱風(fēng)管并行保溫，并在消火栓上方布置熱風(fēng)口。

3.2.3 其他建構(gòu)筑物的采暖

煤礦地面生產(chǎn)系統(tǒng)除以上建(構(gòu))筑物外，還有一些大型檢修間，對(duì)于一些大門開啟頻繁的車間，僅靠采暖系統(tǒng)可能難以保證消防水系統(tǒng)不受凍害，還必須采取一些特殊的保護(hù)措施，一是要在大門的上側(cè)及兩側(cè)加裝熱風(fēng)系統(tǒng)，用于阻隔開門期間冷空氣的進(jìn)入，二是要對(duì)大門附近的消防水系統(tǒng)管道進(jìn)行伴熱保溫，以保證消防水系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

4 保證采暖系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的管理措施

一方面要強(qiáng)化機(jī)構(gòu)設(shè)置、人員配置，以及責(zé)任制、管理制度、操作規(guī)程、應(yīng)急預(yù)案等的建立與執(zhí)行，另一方面要提高系統(tǒng)的自動(dòng)化程度和穩(wěn)定性[10]。

為了實(shí)現(xiàn)采暖系統(tǒng)自動(dòng)化，應(yīng)建立智能供熱管理系統(tǒng)，在換熱站及供暖系統(tǒng)的各區(qū)域安裝在線流量計(jì)、熱量計(jì)量表、溫度計(jì)、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥等裝置，并在各區(qū)域、各房間安裝在線室內(nèi)溫度檢測裝置和監(jiān)控?cái)z像頭，將采集數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳到智能供熱管理系統(tǒng)中，通過智能管理提高供暖系統(tǒng)的穩(wěn)定性，進(jìn)而確保消防系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行[11，12]。

4.1 溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)

建立溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)模塊，在智能供熱管理系統(tǒng)中設(shè)置各區(qū)域、各房間室內(nèi)溫度上、下限，系統(tǒng)結(jié)合從互聯(lián)網(wǎng)自動(dòng)讀取的當(dāng)天室外各時(shí)段氣溫，自動(dòng)調(diào)節(jié)熱交換器的流量，改變供暖給水溫度，實(shí)現(xiàn)調(diào)整各區(qū)域、各房間室內(nèi)溫度；根據(jù)每天室外各時(shí)段氣溫和供暖給水的實(shí)時(shí)溫度，自動(dòng)生成“室外溫度-系統(tǒng)溫度曲線”，按照這一線性關(guān)系，結(jié)合未來天氣預(yù)報(bào)生成計(jì)劃溫度控制曲線，用以指導(dǎo)熱源廠的生產(chǎn)組織[13]。

4.2 故障診斷系統(tǒng)

在智能供熱管理系統(tǒng)中建立故障自動(dòng)診斷模塊，當(dāng)某區(qū)域或某房間的溫度超出上、下限時(shí)，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)各區(qū)域流量、溫度、熱量等數(shù)據(jù)自動(dòng)分析超限的原因，并提示可能出現(xiàn)控制故障的區(qū)域，可能出現(xiàn)漏水情況的區(qū)域或提示熱源不足，并通過系統(tǒng)報(bào)警提醒[14]。

同時(shí)通過監(jiān)控?cái)z像頭對(duì)現(xiàn)場進(jìn)行檢查監(jiān)督，一方面可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場消防水、采暖系統(tǒng)的一些“跑冒滴漏”的現(xiàn)象，另一方面可以檢查巡檢人員的工作情況。

4.3 節(jié)能分析系統(tǒng)

建立節(jié)能分析模塊，在智能供熱管理系統(tǒng)中錄入各建(構(gòu))筑物的單位面積(或體積)耗熱概算指標(biāo)，可將超過耗熱指標(biāo)的定義為紅色，低于耗熱指標(biāo)10%的定義為橙色，低于耗熱指標(biāo)20%的定義為黃色，低于耗熱指標(biāo)30%的定義為綠色(百分?jǐn)?shù)可結(jié)合實(shí)際設(shè)定)。系統(tǒng)自動(dòng)根據(jù)各區(qū)域、各房間的熱量計(jì)量數(shù)據(jù)，計(jì)算單位面積(或體積)實(shí)際耗熱指標(biāo)，并自動(dòng)根據(jù)各供暖區(qū)域(或房間)耗熱指標(biāo)顯示相應(yīng)顏色，工作人員根據(jù)顏色狀態(tài)分析相應(yīng)建(構(gòu))筑物保溫隔熱或供暖系統(tǒng)存在的問題，有針對(duì)性的采取相應(yīng)改進(jìn)措施，尤其對(duì)于紅色狀態(tài)的建(構(gòu))筑物必須采取有效降耗措施[15]。

5 結(jié) 語

嚴(yán)寒地區(qū)煤礦地面生產(chǎn)系統(tǒng)采暖穩(wěn)定運(yùn)行，直接關(guān)系到消防系統(tǒng)的可靠運(yùn)行，是保障煤礦安全生產(chǎn)的基礎(chǔ)。為了確保煤礦水消防系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，筆者研究了煤礦地面生產(chǎn)系統(tǒng)的采暖方案，提出了初步解決方案，可為我國嚴(yán)寒煤礦地面生產(chǎn)系統(tǒng)采暖系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行、保障煤礦安全生產(chǎn)提供一定技術(shù)參考。