煤電聯(lián)合集中制冷降溫工藝的探索與設計

夏亮亮 連 濤 張 剛

（山東濟礦魯能煤電股份有限公司陽城煤礦，山東 濟寧 272502）

1 引言

陽城煤礦-500～ -650m 深度地溫26oC，-650m以下屬正常增溫區(qū)。隨著礦井向深部延伸，以及開采范圍的增大，由于多種熱源的綜合作用，導致陽城煤礦采掘工作面熱害十分嚴重，掘進工作面熱害更為嚴重。氣溫一般均超出《煤礦安全規(guī)程》的規(guī)定，局部地點氣溫高達34℃。在這樣的條件下工作，既危害了職工的身體健康，又影響礦井安全生產(chǎn)和勞動效率。

2 系統(tǒng)簡介

陽城煤礦井下集中制冷降溫系統(tǒng)工藝主要分為制冷工藝、散冷工藝、排熱工藝、補水工藝。

2.1 制冷工藝

制冷機組由一個主機撬塊和兩個輔機撬塊構(gòu)成。一個輔機撬塊由一臺冷凝器和一臺蒸發(fā)器構(gòu)成，布置形式為冷凝器在上、蒸發(fā)器在下，兩個輔機撬塊為并聯(lián)布置。三相異步電動機為制冷主機提供動力，帶動壓縮機運轉(zhuǎn)，壓縮機將蒸發(fā)器中流入的過熱氣態(tài)制冷劑（R22）壓縮為高溫高壓氣態(tài)制冷劑。同時，機組油路系統(tǒng)中的油泵將油噴出，一方面冷卻壓縮機，一方面還可以起到潤滑作用。此時，制冷劑和油的混合蒸汽進入油分離器。經(jīng)過多次分離后，純凈的制冷劑蒸汽由油分離器排氣口進入冷凝器。在冷凝器內(nèi)，制冷劑走殼程，冷卻水走管程。

在該系統(tǒng)中，冷卻水從地面通過管路送至井下的機組冷凝器內(nèi)，因此，需要承受很高的水靜壓力，最高達8MPa。通過冷凝器內(nèi)冷卻水的冷卻作用，高溫高壓氣態(tài)制冷劑冷凝為常溫高壓液態(tài)制冷劑。冷凝器內(nèi)的制冷劑通過管路分別進入各自的膨脹閥內(nèi)，節(jié)流泄壓后進入蒸發(fā)器內(nèi)。在蒸發(fā)器內(nèi)，制冷劑的蒸發(fā)作用產(chǎn)生低溫冷凍水，輸送至采掘工作面使用，通過空氣冷卻器冷卻風流，從而降低采掘工作面的風流溫度。蒸發(fā)為氣態(tài)的制冷劑再次進入壓縮機，形成一個完整的制冷循環(huán)。

2.2 散冷工藝

礦井降溫系統(tǒng)散冷工藝就是通過換熱器實現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)移，即將制冷機組制取的冷量通過載冷介質(zhì)（冷凍水）轉(zhuǎn)移給風流，風流的熱量轉(zhuǎn)移給載冷介質(zhì)，從而實現(xiàn)風流溫度的降低。

降溫系統(tǒng)末端的散冷裝置為空冷器，制冷機組制取的冷凍水通過保溫管路送至各個末端空冷器，通過空冷器完成熱交換后，再通過保溫管路返回制冷機組，形成一個閉式的冷凍水循環(huán)系統(tǒng)。在空冷器中，冷凍水作為載冷介質(zhì)在換熱管內(nèi)流動，風流通過空冷器，與換熱管外表面接觸，從而實現(xiàn)與冷凍水的熱交換，溫度降低后的風流再送往工作面，達到改善工作面作業(yè)環(huán)境的最終目的。

在設計工況下，冷凍水通過末端空冷器管程，與通過空冷器殼程中的風流進行逆向?qū)α鲹Q熱，冷凍水溫度升高，約3℃冷凍水升高至18℃左右，風流溫度由32℃降低至20℃左右。冷卻后的風流通過風筒，在局部通風機動力作用下，送往采掘工作面，與工作面的高溫風流進行摻混換熱，使得采掘工作面的風流溫度降低至28℃左右或者降溫幅度達到5℃及以上。

2.3 排熱工藝

陽城煤礦井下集中制冷降溫系統(tǒng)的排熱工藝為冷卻水從制冷機組冷凝器出水端出來，通過冷卻水回水管路通往地面，冷卻水回水管路與地面電廠冷卻水回水管路并聯(lián)對接，冷卻水匯合進入冷卻塔，熱量排至大氣中去。冷卻水供水管路與電廠冷卻水供水管路并聯(lián)對接，冷卻水從冷卻塔出來后從降溫系統(tǒng)冷卻水供水管路通往井下制冷機組冷凝器進水端，由于高差原因，冷凝器自身需要承受約7.5MPa的高壓（冷凝器最大承壓能力為16MPa）。冷卻水排熱溫度降低后再返回制冷機組，實現(xiàn)了冷凝熱的排放。

2.4 補水工藝

該系統(tǒng)中的冷卻水和冷凍水在循環(huán)過程中或多或少的都有一定程度的損失，因此需要定時給系統(tǒng)補水，確保系統(tǒng)的循環(huán)水流量。

系統(tǒng)補水工藝為降溫系統(tǒng)冷卻水循環(huán)管路與電站冷卻水循環(huán)管路并聯(lián)對接，循環(huán)冷卻水直接從電站冷卻水中得到補給，循環(huán)冷凍水從循環(huán)冷卻水管路中得到補給。來自地面高壓冷卻水通過與冷卻水回水管路連接的補水管路經(jīng)過減壓裝置減壓進入補水箱中，再通過補水泵將水送入膨脹水箱。給膨脹水箱設定一個壓力值，當壓力值低于設定值時，自動給冷凍水管路系統(tǒng)補水，當壓力值高于設定值時，自動排水泄壓，從而實現(xiàn)定壓自動補水。

3 技術(shù)指標

（1）采煤工作面：最末端的空冷器距離采煤工作面進風口距離不超過100m 時，采煤工作面進風口風流干球溫度達到28℃或進風口風流干球溫度平均降幅達到5℃，相對濕度達到80%；

（2）掘進工作面：當送風距離≤500m 時，掘進工作面風流干球溫度達到28℃或降溫幅度達到5℃，相對濕度達到80%；

（3）空冷器進出風流溫度：當空冷器進風干球溫度為30～33℃時，空冷器出風干球溫度可降至18～21℃。

4 采掘工作面參數(shù)測定

目前井下采掘工作面末端運行的空冷器為6臺，分別在3303 采煤工作面軌道順槽2 臺、在3306 皮帶順槽入口2 臺、-920 軌道大巷2 臺。

3303 采煤工作面軌道順槽空冷器布置及參數(shù)測點選取如圖2 所示。

圖1 空冷器布置及參數(shù)測定點選取示意圖

根據(jù)圖1所示選取的測點，連續(xù)測2d，每天3班，每班測1 組，共6 組數(shù)據(jù)，取平均值。3303 采煤工作面降溫后參數(shù)測定結(jié)果如表1 所示。

表1 3303 采煤工作面降溫后參數(shù)測定結(jié)果

5 3303 采煤工作面降溫效果分析

3303 采煤工作面依次選取軌道順槽1#空冷器入風口、1#空冷器出風口、2#空冷器入風口、2#空冷器出風口、風筒出風口、工作面入風口、工作面回風口和3303 皮帶順槽回風口8 個測點。1#空冷器入風口風流溫度為31.7℃，經(jīng)過2 臺空冷器階梯式冷卻，溫度降低至15.3℃，降溫幅度為16.4℃。經(jīng)風筒送至3303 采煤工作面，風筒出風口溫度升高至21.8℃，濕球溫度為20.3℃，相對濕度為86.8%；風流從風筒向外射出，膨脹吸熱，風筒外界環(huán)境達到降溫降濕的效果，至3303 采煤工作面入風口干球溫度24.7℃，濕球溫度為22.2℃，相對濕度降為79.8%；再經(jīng)過采煤工作面至回風口溫度升高至27.5℃，濕球溫度為28℃，相對濕度為96%；風流達到3303 皮帶順槽回風口時干球溫度達到30.9℃，濕球溫度達到30.4℃，相對濕度為96%。從工作面入口至回風口，再到皮帶順槽回風口，為一個升溫加濕的過程，呈“冷-舒適-悶熱”的變化趨勢，工作面段基本上處于舒適的環(huán)境中。各測點溫度變化情況如圖2 所示。

圖2 3303 采煤工作面降溫效果分析

6 結(jié)論

3303 采煤工作面經(jīng)空冷器冷卻后，風流溫度由30.7℃降低至15.3℃，溫度降幅為16.4℃。降溫后的實測參數(shù)均達到了設計要求，改善了現(xiàn)場作業(yè)環(huán)境。