礦用半自動(dòng)螺桿壓縮機(jī)冷卻裝置的研制及巷道應(yīng)用實(shí)例

張小勇

（陽煤三礦生產(chǎn)調(diào)度指揮中心綜采四隊(duì)， 山西 陽泉 045000）

1 世界范圍內(nèi)礦用冷卻裝置使用概況

我國主要地區(qū)煤礦熱量產(chǎn)生的原因包括增加開采深度時(shí)的巖石溫度，以及大型機(jī)電設(shè)備的散熱。為地下工作提供適當(dāng)?shù)墓ぷ鳝h(huán)境首先應(yīng)采用傳統(tǒng)的非機(jī)械冷卻方法來緩解問題，例如增加通風(fēng)率、改變采礦方法和通風(fēng)模式等。一旦這種傳統(tǒng)方式失效，機(jī)械冷卻方式必然將成為主要方式。西方國家擁有發(fā)達(dá)的采礦業(yè)，如美國、德國、英國、澳大利亞、波蘭、南非等國家對(duì)深井風(fēng)冷進(jìn)行了研究并制定出各種形式的機(jī)械冷卻系統(tǒng)，帶來了良好的效果。例如，在美國地面集中冷卻系統(tǒng)（冷卻和散熱均已完成），地下礦井（冷卻和散熱在地下礦井完成）以及混合使用（地下散熱完成冷卻，地面散熱）時(shí)，根據(jù)機(jī)械冷卻散熱位置的不同，系統(tǒng)也不盡相同，每個(gè)冷卻系統(tǒng)可以據(jù)具體情況采取幾種特定的形式。德國的礦山冷卻方法是在地面或地下礦井布置具有大的冷卻能力的制冷站，依托其發(fā)達(dá)的工業(yè)設(shè)備制造業(yè)，提高了盡可能多的冷卻站中每個(gè)冷卻單元的冷卻能力，以補(bǔ)償冷卻損失并釋放系統(tǒng)在地面產(chǎn)生的冷凝熱量。澳大利亞的采煤方法中長壁采礦最常使用，而U型或Y型通風(fēng)用于工作面，他們的礦山冷卻方法在德國人的影響下，通過由設(shè)置在道路上的空氣冷卻器（包括冷卻器）分開或逐漸冷卻空氣流組成進(jìn)氣，并返回在工作面和地面上的集中冷凍水冷卻系統(tǒng)。南非礦山的挖掘深度很大，平均在3 000～5 000 m之間。很多工程師對(duì)它進(jìn)行了相關(guān)的各種熱源分析研究，包括降溫測定等負(fù)載、礦井局部空冷、地面和地下集中冷卻、冰冷系統(tǒng)、相關(guān)輔助設(shè)備和計(jì)算機(jī)模擬軟件等。

目前，我國煤礦伴熱傷害的技術(shù)和設(shè)備基本上與上述國家相同。例如，山東省趙樓煤礦需要不同的階段使用地面系統(tǒng)噴水和地下集中式冷水冷卻系統(tǒng)；安徽省丁集和潘集煤礦集中冷卻加熱和電力系統(tǒng)（CCHP）；河南省平煤集團(tuán)四礦煤礦采用移動(dòng)空調(diào)系統(tǒng)來處理零件和冷卻系統(tǒng)對(duì)于使用低溫冰箱的加熱；江蘇省三河尖煤礦部署采用礦山的HEMS深部礦井風(fēng)冷系統(tǒng)流入水作為冷卻源。所有這些都得到了很好的冷卻效果。

然而，與發(fā)達(dá)國家采礦業(yè)的情況不同，我國煤礦降溫面臨的主要問題是缺乏關(guān)鍵和核心設(shè)備（如本地制冷單元、大型防爆制冷單元等）。無論大尺寸集中式空氣冷卻系統(tǒng)或靈活使用的小型移動(dòng)式局部空氣冷卻系統(tǒng)，都需要這種關(guān)鍵和核心設(shè)備發(fā)展的重大突破。

2 ZL400制冷機(jī)組的開發(fā)

2.1 工作原理

與普通地面制冷機(jī)組一樣，ZL400礦山制冷機(jī)組的冷卻裝置用壓縮機(jī)、蒸發(fā)器、冷凝器等完成整個(gè)制冷循環(huán)，膨脹閥和循環(huán)制冷劑吸收過量熱量后不久，氣體制冷劑被壓縮機(jī)壓縮成高溫高壓的氣體，然后轉(zhuǎn)移到冷凝器中，在50℃冷凝成液體。由此釋放的熱量被冷凝器中循環(huán)的冷卻水帶走。之后，冷卻的制冷劑被減壓并通過膨脹閥進(jìn)入蒸發(fā)器，在那里變成低溫氣體（從0～10℃），吸收水或空氣流過的多余熱量實(shí)現(xiàn)冷卻目標(biāo)。然后這種氣體制冷劑再次被傳送到壓縮機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)封閉制冷循環(huán)“壓縮→冷凝→節(jié)流→蒸發(fā)”。

ZL400礦山冷卻裝置的主要特點(diǎn)是冷卻和散熱過程在地下礦井完成。冷卻裝置使用返回空氣或噴涌放熱水。但是，要解決熱介質(zhì)在夏季達(dá)到高溫的問題，它被設(shè)計(jì)成一個(gè)在高冷凝溫度下運(yùn)行的熱泵機(jī)組，流量大，工作溫差小，用水帶走熱量。它使用R22作為循環(huán)制冷劑，設(shè)計(jì)用于在0℃（冷凝溫度）下蒸發(fā)53℃，過熱溫度5℃，過冷卻溫度5℃。根據(jù)制冷劑的物理性質(zhì)，然后可以找到并確定與狀態(tài)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的參數(shù)，選擇合適的工質(zhì)[1]。

2.2 冷卻裝置結(jié)構(gòu)

冰箱體由半封閉式螺桿制冷壓縮機(jī)組成，殼管式冷凝器、熱力膨脹閥、過濾干燥器、集油器及相關(guān)調(diào)節(jié)裝置閥門等。整個(gè)機(jī)器為小尺寸可以方便轉(zhuǎn)向。密封螺桿式壓縮機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行并防止制冷劑泄漏。完全自我保護(hù)機(jī)制使復(fù)雜環(huán)境具有很強(qiáng)的適應(yīng)性。ZL400冷卻裝置如圖1所示[2]。

ZL400冷卻裝置中的本地空調(diào)系統(tǒng)可分為兩部分：蒸發(fā)器直接和間接地冷卻氣流制冷設(shè)備，蒸發(fā)器將冷卻水供應(yīng)給閘門道路和長壁空氣冷卻器，前者主要由ZF400制冷機(jī)組直接冷卻蒸發(fā)器、再冷卻器、監(jiān)控系統(tǒng)（如PLC等）以及必要的配件；后者由ZL400制冷機(jī)組、間接冷卻蒸發(fā)器、空冷器、再冷卻器、監(jiān)控系統(tǒng)組成（如PLC等）和必要的附件。

3 ZL400制冷單元優(yōu)勢分析及現(xiàn)場應(yīng)用

1）三個(gè)階段“四個(gè)組件”（排除蒸發(fā)器）在冷卻裝置的冷卻工作循環(huán)過程是其主要組成部分。由于蒸發(fā)器是與其身體分離，其體積減小，因此更容易移動(dòng)安裝。而且，這種分離表明需要配備不同的蒸發(fā)器，該單元可以作為制冷系統(tǒng)直接冷卻氣流直接作用，以及間接作用制冷系統(tǒng)來冷卻制冷介質(zhì)如水，從而滿足不同具體條件的要求[3]。

2）與活塞式壓縮機(jī)不同，冷卻裝置采用螺桿式壓縮機(jī)。如螺桿式壓縮機(jī)是半密封的，制冷劑泄漏等問題，液體可以避免發(fā)生在活塞式壓縮機(jī)中的撞擊。在世界各地的礦山冷卻應(yīng)用中這是一個(gè)開創(chuàng)性的工作。

3）制冷機(jī)組的部件——壓縮機(jī)、蒸發(fā)器和冷凝器，采用模塊化設(shè)計(jì)，因此可以一個(gè)一個(gè)地拆除并運(yùn)入地下礦山。這適用于我國南部經(jīng)常發(fā)生熱損傷的地區(qū)，對(duì)中國北方大型和現(xiàn)代礦山也具有優(yōu)勢。該單位擁有體積小、移動(dòng)方便、安裝簡單、操作方便、靈活性和適用性廣泛等特點(diǎn)。

圖1 ZL400冷卻裝置及配套裝置圖

為了檢測ZL400冷卻單元的性能，建立了一個(gè)檢測平臺(tái)地面，主要用于檢測當(dāng)?shù)乜照{(diào)系統(tǒng)性能完整的設(shè)備和工廠，并提供技術(shù)支持升級(jí)現(xiàn)有設(shè)備并開發(fā)用于本地空調(diào)的新型系統(tǒng)。該平臺(tái)有四大部分：制冷系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、PLC控制和保護(hù)系統(tǒng)以及供電和配電系統(tǒng)。它能夠檢測冷卻能力低于500 kW并且完成的礦井冷卻系統(tǒng)的性能設(shè)備。該平臺(tái)主要用于測試?yán)鋮s裝置在不同的工作條件下的運(yùn)行穩(wěn)定性和冷卻效果。