深井降溫冰制冷空調(diào)系統(tǒng)的負荷確定方法與應(yīng)用*

亓玉棟

深井降溫冰制冷空調(diào)系統(tǒng)的負荷確定方法與應(yīng)用*

亓玉棟

(山東科技大學 山東省土木工程防災(zāi)減災(zāi)重點實驗室，山東 青島市 266590)

針對當前深井降溫系統(tǒng)空調(diào)負荷確定的諸多問題，為利于負荷的確定和分析，提出了有效冷負荷、固定冷負荷、礦井冷負荷和機組冷負荷的概念，分析了礦井空調(diào)負荷的構(gòu)成并給出了計算公式。通過對某深1100 m，采用冰冷卻空調(diào)系統(tǒng)的冷負荷的計算與分析，得出固定冷負荷占機組冷負荷的29.2%，占制冷設(shè)備裝機容量的26.5%。

深井;冷負荷;空調(diào);冰制冷

0 引 言

隨著煤礦開采深度的增加和采掘機械化水平的提高，高溫熱害已成為深部礦井普遍面臨的災(zāi)害[1]，為治理深井熱害，礦井空調(diào)技術(shù)在國內(nèi)外深井熱害治理的應(yīng)用也越來越多。目前，礦井空調(diào)系統(tǒng)按制冷站所處位置不同主要有：地面集中式、井下集中式及井上、下聯(lián)合式空調(diào)系統(tǒng)[2-3]，在深井降溫中，因空調(diào)負荷大，通風及礦井排水排熱有限，因此井下集中式的降溫方式難以采用；井上、下聯(lián)合式空調(diào)系統(tǒng)，其實質(zhì)相當于兩級制冷機組的串聯(lián)，前一級制冷機組冷凝器的排熱作為后一級制冷機組蒸發(fā)器的吸熱，因系統(tǒng)投資較高，在立井中部開拓制冷設(shè)備硐室困難，設(shè)備的維護檢修困難，在實際工程中應(yīng)用較少，因此現(xiàn)礦井降溫系統(tǒng)多采用地面集中式空調(diào)系統(tǒng)。按載冷劑的不同可分為水冷系統(tǒng)、風冷系統(tǒng)和冰冷系統(tǒng)，隨著眾多礦井向深部延伸，礦井空調(diào)降溫負荷越來越大，傳統(tǒng)的以風為載冷劑的空調(diào)系統(tǒng)，其輸冷能力因受風量和空氣比熱容的限制，已不能適應(yīng)深井降溫的需要；而以水為載冷劑的深井降溫系統(tǒng)，其主要問題是，水靜壓大，為降低水靜壓措施所采用的高低壓換熱器存在換熱溫差，使水溫升高，導致冷量利用效率下降，最終到達工作面的冷水水溫較高，降溫效果有限，因此在深井降溫工程中，水冷式空調(diào)系統(tǒng)應(yīng)用越來越少。因此傳統(tǒng)的礦井空調(diào)系統(tǒng)已難以適應(yīng)深井降溫的需要，1980年初南非等國提出用冰制冷空調(diào)系統(tǒng)（Ice Cooling Air-conditioning System）進行礦井降溫，制冷機組集中布置在地面，并由此開始了對深井降溫的冰冷卻空調(diào)系統(tǒng)的應(yīng)用研究[4]。

空調(diào)冷負荷是確定礦井制冷裝置裝機容量的依據(jù)和礦井降溫效果的保證，空調(diào)負荷計算準確與否直接影響制冷裝置的投資和降溫效果[5]。而當前對礦井空調(diào)負荷的計算方法，主要集中在對礦井各類熱源散熱量的確定，甚至認為礦井空調(diào)負荷等于井下各類熱源散熱量之和，而對礦井空調(diào)負荷的合理分類、構(gòu)成與降溫方式及制冷機組制冷量的相互關(guān)系等缺少系統(tǒng)的理論分析。因此，本文以當前深井降溫中廣泛采用的地面集中制冷的冰制冷空調(diào)系統(tǒng)的負荷構(gòu)成進行分析，指出礦井空調(diào)負荷的大小不僅由井下各類熱源的散熱引起，還應(yīng)考慮深井風流的自壓縮溫升、載冷劑的種類與輸冷方式的異同，如忽略這些因素的影響，將導致原則性錯誤。

1 冰制冷空調(diào)系統(tǒng)負荷構(gòu)成

礦井冰制冷空調(diào)系統(tǒng)，就是借助冰相變?nèi)诨盏臒崃窟h高于水溫升所吸收的熱量，將冰作為冷量輸送的載冷劑，利用地面制冰設(shè)備制取的管狀冰、片狀冰或泥狀冰作為載冷劑，一般從制冰站到豎井井口采用傳送帶、風力或水力輸送[4]。為降低輸送能耗，輸冰立管以及井下到融冰槽的水平段一般借助于重力作用將冰或冰水混合物輸送至井底，為利用冰水混合物下降時的能量，可安裝水能回收裝置[6-7]，但從煤礦實際看，多數(shù)礦井冰制冷空調(diào)系統(tǒng)用融冰池代替了井下的能量回收裝置。在融冰裝置內(nèi)，冰與井下空調(diào)回水直接換熱，使空調(diào)回水的溫度降低后再通過水泵送至各用冷地點。降溫系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 冰冷卻空調(diào)系統(tǒng)降溫原理

文獻[3,7]指出，礦井主要熱源包括井巷圍巖散熱、機電設(shè)備放熱、運輸中煤炭及矸石的放熱、礦物及其他有機物的氧化放熱、人員放熱和熱水放熱，并給出了各類熱源散熱量的計算公式；除考慮以上熱源外，文獻[2, 8]指出風流在井筒內(nèi)的向下流動過程為絕熱過程，其溫升是由于位能轉(zhuǎn)換為焓的結(jié)果，雖不是外部熱源輸入熱量引起，但其對礦井風流的溫升與井下熱源所產(chǎn)生的后果相同，都增加了風流的焓值，因此由自壓縮引起的風流溫升應(yīng)作為礦井通風空調(diào)的熱源。本文認為后者做法更可取，同時為防止在礦井需冷量計算及選擇制冷設(shè)備時出現(xiàn)失誤，易于分析負荷構(gòu)成及特點，特提出有效冷負荷、固定冷負荷、礦井冷負荷及制冷機組冷負荷4個概念。

有效冷負荷是指在礦井熱害的防治中，由井下各類熱源（如井巷圍巖、機電設(shè)備放熱、運輸中煤炭及矸石、礦物及其他有機物的氧化、人員和熱水等）的散熱所形成的空調(diào)冷負荷；其特點是各分區(qū)或工作面的冷負荷與該分區(qū)或工作面的熱源密切相關(guān)，而與礦井的開采深度等無直接關(guān)系，該部分冷負荷主要對供冷區(qū)域進行降溫，也包括冷水在井下巷道輸送過程中的吸熱量，本文認為，在保溫合理的情況下，該吸熱量主要吸收了巷道風流的熱量，而供回水管道原則上布置在進風巷道中，因此該部分冷量降低了進風風流溫度，可看作有效冷負荷。固定冷負荷是指，由于地面空氣與用冷地點風流焓差、風流的自壓縮和自地面向井下輸冷過程中因冷媒勢能轉(zhuǎn)換而產(chǎn)生的冷負荷；其特點是該部分冷負荷的大小與井下各類熱源的散熱量等因素無關(guān)，主要由井深、風量與載冷劑等因素決定，其實質(zhì)是由地面相對井底標高的勢能轉(zhuǎn)化為熱能引起，如風量和冷媒流量不變，其數(shù)值變化不大；固定冷負荷與有效冷負荷共同構(gòu)成礦井冷負荷，實際是自井口向礦井供應(yīng)的冷量，礦井冷負荷是地面制冷設(shè)備選型的基礎(chǔ)，但并不等于制冷機組冷負荷；機組冷負荷是在礦井冷負荷的基礎(chǔ)上，并考慮地面制冷站及冷量輸送過程中的冷量損失，可看作制冷機組實際制冷量。制冷機組裝機制冷量，是在機組冷負荷的基礎(chǔ)上，考慮備用負荷及制冷機組運行工況偏離設(shè)計工況時而考慮的具有一定余量的冷負荷，余量系數(shù)一般為1.1~1.2[9]，各類負荷關(guān)系如圖2所示。

圖2 各類冷負荷的關(guān)系

2 空調(diào)負荷的確定

前已指出，礦井空調(diào)負荷構(gòu)成可分為有效冷負荷、固定冷負荷，兩者構(gòu)成礦井冷負荷，根據(jù)礦井冷負荷確定制冷機組冷負荷及裝機容量。

2.1 有效冷負荷的計算

有效冷負荷主要由井下的各類熱源及散熱設(shè)備所引起，用公式表示為[9]：

式中，為圍巖與風流間的傳熱量；為采掘設(shè)備放熱；為其他電動設(shè)備放熱；為運輸中煤炭及矸石的放熱；為礦物及其他有機物的氧化放熱；0為人員放熱；為熱水放熱。

由式（1）可以看出，有效冷負荷由井下的各類散熱設(shè)備、人員散熱及地質(zhì)條件所引起，該負荷的大小與井深及載冷劑物理性質(zhì)等無直接關(guān)系，是用以消除井下各類熱害的，故稱為有效冷負荷。

2.2 固定冷負荷

固定冷負荷包括地面空氣與井下工作地點風流焓差、風流自壓縮焓增及載冷劑勢能轉(zhuǎn)換3部分。

2.2.1 井上下風流焓差冷負荷

礦井降溫系統(tǒng)運行期間，當?shù)孛婵諝鉁囟容^高，空氣焓值高于井下風流焓值時，地面風流將產(chǎn)生部分冷負荷。如以山東境內(nèi)7月份平均溫度較高的菏澤市為例，其最熱月空氣平均溫度為27℃，相對濕度為67%，平均空氣焓值為65.6 kJ/kg；根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》第102條“生產(chǎn)礦井采掘工作面空氣溫度不得超過26℃，機電設(shè)備硐室的空氣溫度不得超過30℃。”根據(jù)井下實際氣候條件，當溫度26℃、相對濕度為80%時，焓值為69.5 kJ/kg，因此一般來講，地面空氣焓值不比井下作業(yè)地點氣流焓值高，不會因井上下風流焓差產(chǎn)生固定冷負荷，還可以用來對礦井降溫[10]。但本文認為，在上面的參數(shù)選取中是選擇7月份空氣平均溫度進行計算的，因此實際地面空氣焓值可能有部分時間高于井下風流焓值，所以不宜考慮地面空氣的降溫效果。如該地區(qū)的地面空氣平均焓值高于井下氣流焓值時，則須計算地面與工作面的風流焓差引起的冷負荷。井上下風流焓差引起的冷負荷Q1可用式（2）計算：

式中，Q為風量，m3/s；為空氣的密度，kg/m3；1為地面空氣焓值，kJ/kg；2為井下空氣焓值，kJ/kg。

2.2.2 風流自壓縮冷負荷

將風流在井筒內(nèi)的流動看作絕熱過程，井筒內(nèi)風流總能不變，風流對外做功為0，井筒進出口速度相等，進出口風流質(zhì)量為M不變，則風流自壓縮引起的焓增Δ，即風流自壓縮冷負荷Q2為：

對于理想氣體，由d=cd得：

式中，=9.81 m/s2；1為地面標高；2為井底標高；c為空氣的定壓比熱，c=1.05 kJ/（kg?℃）。

由式（4）得，風流在純自壓縮過程中，當井深為1000 m時，其理論溫升可達9.76℃，這也是深井降溫中，不采用空氣降溫的原因之一。風流因自壓縮引起的固定冷負荷，在深井降溫負荷中將是一個相當可觀的數(shù)值[7]。

2.2.3 載冷劑勢能轉(zhuǎn)換引起固定冷負荷

對于冰冷卻降溫系統(tǒng)，冰在立井管道內(nèi)的輸送過程是在重力作用下進行的，重力做功轉(zhuǎn)變?yōu)楸ū旌衔铮┑撵试?，形成輸冰過程的固定冷負荷。參照圖1，假設(shè)輸冰立管內(nèi)進行的是一絕熱過程，因冰由地面立井入口流入時的速度相對較低，可認為其速度為0，由井底輸冰管道流出時，其流速雖然較大，但最終在融冰池內(nèi)速度近似為0，其動能全部轉(zhuǎn)化為熱能而被冰或水所吸收。設(shè)輸冰立井深為，輸冰質(zhì)量量為ice，立井輸冰過程形成的固定冷負荷Q3為：

由式（2）、式（3）、式（5）得深井降溫固定冷負荷2為：

由式（2）、式（6）得礦井冷負荷Q為：

2.3 冷量損失的計算

地面輸冰系統(tǒng)冷量損失的計算可按式（8）計算：

式中，為保溫管道的傳熱系數(shù)，W/(m2?℃)；3為管道的冷量損失，W；為管道長度，m；db為管外巷道空氣溫度，℃；w為管內(nèi)平均水溫，℃。

2.4 機組制冷量的確定

由式（1）、式（6）、式（8）得，制冷機組冷負荷為：

制冷機組裝機制冷量0為：

由上面的分析可以看出，井下熱源散熱僅為礦井空調(diào)負荷的一部分，如僅根據(jù)熱源散熱確定制冷機組裝機容量，將導致冷量不足。

3 冰冷卻空調(diào)負荷計算實例

某煤礦井深1100 m，風量180 m3/s，地面風流未產(chǎn)生冷負荷，為治理礦井熱害，經(jīng)多方論證后擬采用冰冷卻降溫空調(diào)系統(tǒng)，地面立井入口冰溫為?3℃，井底融冰池的供水水溫為5℃，工作面回水水溫14℃，每千克冰可提供的冷量為399.23 kJ/kg，地面制冷站距井口120 m，輸冰管道冷損失為12 kW。在礦井空調(diào)冷負荷計算中，綜合考慮井下載冷劑傳輸管道冷量損失、水泵對載冷劑的加熱、作業(yè)用水的冷量損失等因素，由山東科技大學風溫解算軟件FW2008，得該礦有效冷負荷1為6220 kW。

井口輸冰量為：

由式（6）得固定冷負荷2=2569 kW，耗冰量23.15 t/h，其中風流自壓縮冷負荷為Q2=2331 kW，耗冰量為21 t/h，輸冰勢能轉(zhuǎn)換冷負荷為238 kW，耗冰量為2.2t/h。

礦井冷負荷Q為：Q=2569+6220=8789 kW，制冷機組冷負荷為：=6220+2569+12=8801 kW；制冷機組裝機容量為：0=8801×1.1=9681 kW。

由以上分析易得，各部分冷負荷（耗冰量）占礦井制冷機組冷負荷（機組制冰量）的比例分別為：固定冷負荷占29.2%（其中立井輸冰過程中因勢能轉(zhuǎn)換耗冰量占2.7個百分點，風流自壓縮溫升耗冰量占26.5個百分點），有效冷負荷占70.7%，地面冷量損失占0.1%。占裝機制冷量的比例分別為：固定冷負荷占26.5%，有效冷負荷占64.2%，地面冷量損失占0.1%。如在計算中，不考慮風流壓縮升溫或冰勢能轉(zhuǎn)換引起的冷負荷，將導致礦井降溫冷量嚴重不足。因此，在深井降溫空調(diào)系統(tǒng)中，必須考慮固定冷負荷的影響。

4 結(jié) 論

冰冷卻空調(diào)作為治理深井熱害的一項新技術(shù)，目前在國內(nèi)外深井熱害的治理中被逐漸推廣。本文以采深為1100 m的深井，利用重力輸送的冰冷卻空調(diào)系統(tǒng)為例，經(jīng)計算分析得：

（1）固定冷負荷占制冷機組空調(diào)負荷的29.2%，占裝機制冷量的26.5%，因此在選擇制冷設(shè)備時，必須充分考慮固定冷負荷的影響，否則將導致礦井供冷不足；

（2）提出礦井有效冷負荷、固定冷負荷、礦井冷負荷、制冷機組冷負荷的概念，明確了礦井空調(diào)系統(tǒng)負荷的構(gòu)成和區(qū)別，便于確定制冷設(shè)備裝機容量及對礦井空調(diào)冷負荷構(gòu)成進行分析；

（3）本文以冰冷卻空調(diào)為例計算了各類冷負荷在機組冷負荷中的比例，如采用冷水等其他載冷劑，其計算原理相同，因此本文的分析方法同樣適用于其他礦井降溫空調(diào)系統(tǒng)。

[1] 何滿潮,徐 敏.HEMS深井降溫系統(tǒng)研發(fā)及熱害控制對策[J].巖石力學與工程學報,2008,27(07):1353-1361.

[2] 吳 超.礦井通風與空氣調(diào)節(jié)[M].長沙:中南大學出版社,2008.

[3] 張國樞.通風安全學(第二版)[M].徐州:中國礦業(yè)大學出版社,2007.

[4] 王景剛,喬 華,馮如彬.深井降溫冰冷卻系統(tǒng)的應(yīng)用[J].暖通空調(diào), 2000,30(4):76-77.

[5] 程衛(wèi)民,陳 平.我國煤礦礦井空調(diào)的現(xiàn)狀及亟待解決的問題[J].暖通空調(diào),1997,27(1):17-19.

[6] 衛(wèi)修君,胡春勝.礦井降溫理論與工程設(shè)計[M].北京:煤炭工業(yè)出版社, 2008.

[7] 石建中,劉堂文.高溫礦井空調(diào)冷負荷計算[J].工業(yè)安全與防塵, 2001,27(3):24-25.

[8] 余恒昌.礦山地熱與熱害治理[M].北京:煤炭工業(yè)出版社,1991.

[9] GB50418—2007.煤礦井下熱害防治設(shè)計規(guī)范[S].

[10] 程衛(wèi)民.采面降溫冷量與風量的關(guān)系探討[J].山東礦業(yè)學院學報, 1992,11(1):32-35.

(2019-08-23)

亓玉棟(1976—),男,山東萊蕪人,博士,主要從事礦井降溫系統(tǒng)的研究,Email: yudong_qi@163.com。