冻结站盐水循环系统节能优化设计

沈华军，郑晓亮，李子祥，亓艳秋

（1.中煤矿山建设集团有限责任公司，安徽合肥230000；2.安徽理工大学电气与信息工程学院，安徽淮南232001）

冻结站盐水循环系统节能优化设计

沈华军*1，郑晓亮2，李子祥1，亓艳秋1

（1.中煤矿山建设集团有限责任公司，安徽合肥230000；2.安徽理工大学电气与信息工程学院，安徽淮南232001）

针对现有冻结站盐水循环系统存在热交换效率低、设备故障率高、电能浪费严重的现状，对其进行节能优化设计。取消管道泵，设计增加一种盐水自动平衡装置，实现盐水循环系统中盐水的平衡匹配，提高热交换效率。采用变频控制方式调节盐水泵拖动电机的转速达到控制盐水流量的目的，不但可降低管道压力，使盐水循环更加平稳，还可节约大量的电能。通过现场应用，优化设计后的盐水循环系统热交换效率高、制冷降温速度快、故障少，大大缩短了工期，经济效益可观。

冻结法凿井；盐水循环系统；节能；优化设计

冻结法凿井技术因其安全可靠、技术成熟等优点，成为煤矿立井通过深厚表土地层、流砂地层等特殊地层的首选工法［1-3］。盐水循环系统作为整个冻结制冷系统的咽喉，直接影响着井筒冻结的效果。近10年来，作为盐水系统主要降温设备——蒸发器，由原来的手动供液螺旋管半封闭式逐步发展为虹吸供液直管全封闭式蒸发器，自动化程度及制冷效率均得到了提高。采用全封闭式蒸发器后，盐水循环系统工艺发生了改变，即在每台蒸发器上配备管道泵调节各自流量，并在蒸发器与盐水泵之间增加冷热集箱，冷集箱和热集箱之间设置通道等。经过现场实践后发现，由于蒸发器侧的管道泵综合流量与冻结器侧的盐水泵流量无法始终保持一致，使得盐水循环系统始终存在进空气现象，造成降温效率低下、电能浪费严重等问题。另外，采用阀门控制盐水流量，管道压力大，损伤水泵，浪费电能，造成设备维修频繁寿命短，增加施工成本。因此，盐水循环系统需要进行优化设计，对提高制冷效率、节约工期、保障施工质量及节能降耗具有积极的现实意义。

1　系统优化设计方案

目前全封闭干式蒸发器的盐水系统的工艺主要存在以下2方面的问题：一方面，并联运行的干式蒸发器利用管道泵调节各自流量，以达到流量均衡的目的，但管道泵的综合流量Q1与盐水泵的流量Q2难以保持相等，前期Q1大于Q2，使得冷集箱盐水充满且溢出，而热集箱形成半空导致进入空气，造成干式蒸发器盘管内进入大量空气，其热交换能力大幅下降；后期Q1小于Q2，使得热集箱盐水充满且溢出，而冷集箱形成半空导致进入空气，造成冻结器内进入大量空气，地层热交换能力大幅下降，导致地层冻结降温速度缓慢、工期延误、增加成本。另一方面，制冷量的调节通过盐水泵出口阀门调节盐水流量方式进行控制，即通过关小或开大阀门来调节盐水流量，而盐水泵驱动电动机转速保持不变，通过改变水路中的阻力大小来改变供水流量，此时管阻特性将随阀门开度的改变而改变，但扬程特性不变［4］。此种方法管阻大，容易造成盐水泵损坏，降低水泵使用寿命、增加维修次数，节电效果不明显。

针对施工中存在的这些问题，优化方案主要从2方面入手：一是优化盐水循环系统工艺，原则是使得任何时候Q1等于Q2，具体方案为：在蒸发器与盐水泵之间设计增加一种盐水自动调平装置，去掉蒸发器上的管道泵，利用盐水泵的压力使蒸发器中冷盐水，经调平装置、盐水泵、盐水干管、配液圈、冻结器、集液圈、盐水干管直接流回蒸发器，实现了Q1始终等于Q2的目标，从而减少空气进入盐水循环系统，提高蒸发器及冻结器的热交换效率。二是优化盐水流量控制方式，即盐水泵采用变频控制方式，设计增加一套盐水泵变频控制系统，调节盐水泵拖动电机转速调节盐水流量，降低管道压力，使盐水循环更加平顺，同时节约电能。表1为原系统与优化后的系统的特点对比。

表1　原系统与优化后的系统对比

图1　原管路与优化后的盐水管路

2　盐水系统工艺优化设计

2.1原系统工艺和优化后的系统工艺对比

原系统工艺：蒸发器中的低温盐水首先进入冷集箱，由盐水泵升压后经去路干管、配液圈、供液管流入冻结器，在冻结器内与地层进行热交换升温后，经回液管、集液圈、回路干管返回热集箱，热盐水经管道泵升压后，进入蒸发器降温，然后进入冷集箱，如此反复循环，以达到冻结地层的目的。

优化后系统工艺：去掉干式蒸发器上进水口处的管道泵，在干式蒸发器和盐水泵之间增加冻结盐水自动调平装置。蒸发器中的低温盐水首先进入调平装置，由盐水泵升压后经去路干管、配液圈、供液管流入冻结器，在冻结器内与地层进行热交换升温后，经回液管、集液圈、回路干管直接返回干式蒸发器，如此反复循环，以达到冻结地层的目的。原系统工艺和优化后的系统工艺如图1所示。

2.2盐水自动调平装置

盐水自动平衡装置结构如图2所示，由大盐水箱和小膨胀水箱组成，大盐水箱设置在小膨胀水箱下方，其体积大小比例为8∶1，大盐水箱上设有盐水入口、盐水出口、加盐水口、溢水口、清污口、维修入口、水位平衡口，小膨胀水箱上设有进水口、水位平衡口、溢水口。

盐水自动调平装置的盐水进水口通过带闸阀的管路与蒸发器相连，出水口通过带闸阀的管路与盐水泵相连。由干式蒸发器冷却后的低温盐水，经过入口闸阀流入盐水自动平衡装置，在盐水平衡装置中存储、缓冲、平衡、释放空气后，经出口闸阀至盐水泵，经去路干管、配液圈、供液管流入冻结器，在冻结器内与地层进行热交换升温后，经回液管、集液圈、回路干管返回蒸发器继续降温，如此反复循环。在盐水循环系统运转前，经加盐水口将盐水注入盐水箱内，启动盐水泵，直到盐水量满足整个系统需求为止。

增加盐水自动平衡装置的优点是在盐水泵突然停泵或检修时，由于盐水循环惯性及温度回升导致体积膨胀，盐水箱内的膨胀盐水经过溢水管路排到膨胀水箱内，此时，气压平衡管路可以保证两箱的压力平衡，防止气堵。若膨胀盐水充满盐水箱和膨胀水箱，可通过膨胀水箱上的溢水口排出至地面上的盐水储存池，防止盐水浪费。在运转过程中，气压平衡管路上的液位显示计显示盐水不足时，可通过加盐水口及时补充盐水。检修时或运转结束后，操作人员通过维修入口进入盐水箱内，对盐水箱进行检修、去污、防腐，污水可通过清污口排出。

图2　盐水自动调平装置结构图

3　盐水泵变频控制设计

盐水循环系统除了冻结器位于地下，其余设备均位于地平面上，且冻结器供液管和回液管的水平高度一样，相当于一个U型管，因此盐水泵的静扬程近似为零，属于一种特殊的供水方式，仅需要管路中的盐水按一定的速度连续流动，对水泵的扬程没有要求。因此调节水泵的转速只是改变水的流量，而不考虑扬程的变化，且盐水在封闭的管路中具有连续性，本身具有一定的动能和位能，即使水泵的转速很低，盐水也能在管路中流动，压力值对盐水循环的意义不大。因此，盐水泵变频控制将盐水流量作为反馈信号形成闭环控制，压力值作为参考，防止管道压力过高或过低。采用变频控制后，根据需要的盐水流量大小实时调节拖动电机转速，不再采用出口阀门开度控制流量，以往用来克服管阻的能量节约下来，节能效果显著，且不存在憋泵的情况，盐水循环水流更加平稳，盐水泵检修次数明显降低。

盐水泵变频控制系统结构如图3所示。控制中心由工业控制计算机组成，可远程完成各个水泵工作状态的控制及运行数据的记录。盐水泵变频控制柜主要有可编程逻辑控制器（PLC）和变频器组成，电磁流量计负责检测盐水干管的盐水流量，压力传感器负责检测干管的压力，PLC通过模拟数字转换模块EM235得到流量和压力数据后控制变频器改变盐水泵驱动电机供电频率调节电机转速，从而完成对盐水流量的控制［4-6］。可实时显示水泵的运行状态、运行参数，并具有数据库功能。

图3　盐水泵变频控制系统结构图

4　应用效果

4.1系统运转效果

原盐水系统监测数据显示，同一台干式蒸发器的蒸发温度与其盐水温度之间的温差异常，冻结一个月后仍最高多达20℃以上，说明蒸发器盘管中存在大量空气，盐水中热量很难被汽化的氨有效吸收，制冷效率低下。优化后的盐水循环系统蒸发温度与其对应的盐水温度之间的温差变化正常，即从冻初期温差大在较短时间内逐步减小至正常稳定值。优化后的盐水系统在淮南顾桥矿东回风井进行了应用，监测数据如图4所示，开冻初期蒸发温度（-27℃）与盐水温度（24.3℃）之间的温差最大为52℃左右，冻结5d其温差为28℃左右，冻结10d其温差为10℃左右，冻结20d后其温差下降至5℃左右，以后均维持在此值较小范围变化，盐水系统循环平稳，解决了流量不平衡进空气造成制冷效率下降的问题，冻结降温速度快，盐水温度仅5d就由24.3℃降到-1.1℃。东回风井于2014年1月8日冻结站开机运转，2月18日冻结41d交圈冒水，3月6日冻结58d井筒试挖，比设计工期提前13d，优化后的盐水系统制冷效果非常明显。

4.2经济效益

盐水系统进行优化设计后，系统管道安装节约1000m，节省23台管道泵，每台管道泵额定功率为15kW，节约费用如下：

节约安装管材费：1000m×0.020t/m×4900元/t=9.8万元

节约管道泵耗电费：15kW×24h×23台×180d×0.65 元/度≈96.9万元（考虑到消极冻结阶段部分机组停机，本工程平均每组机组运转时间均按照180d计算，矿区电费0.65元/度）。

冻结站共有4台盐水泵，驱动电机额定功率分别为110kW、160kW、185kW、132kW。增加变频控制系统后，各台电机的节电情况如表2所示。因为配用电机功率大小不同，根据实际的水泵供水能力，变频控制的节电率不同，由表2可看出，配用电机额定功率越大，节电率越高。根据冻结工期的积极冻结期和维持冻结期，取盐水泵在整个工期中的平均节电率为30%，工期300d、电费0.65元/度计算，可节约电费如下：

（110+132+160+185）kW×24h×300d×0.65元/度≈275万元

由此可得，在不考虑节省管道泵节约下的设备费用和工期提前节约的工程运转费用前提下，盐水循环系统优化设计后，仅顾桥东回风井即可节约费用约382万元，经济效益非常可观。

图4　顾桥矿东回风井蒸发温度、盐水温度及温差变化图

表2　盐水泵变频控制节电情况表

5　结论

冻结站盐水循环系统经过节能优化设计，解决了系统盐水供应不平衡，热交换效率低，盐水泵故障率高、寿命短等问题，提高了冻结施工制冷效率，缩短了工期，保证了工程质量，同时为施工企业节约了大量的设备费和电费。

［1］杨更社，奚家米.煤矿立井冻结设计理论的研究现状与展望分析［J］.地下空间与工程学报，2010，6（3）：627-635.

［2］崔广心，杨维好，吕恒林.深厚冲积层的冻结壁和井壁［M］.徐州：中国矿业大学出版社，1998.

［3］宋雷，杨维好，李海鹏.郭屯煤矿主井冻结法凿井信息化监测技术研究［J］.采矿与安全工程学报，2010，27（1）：19-23.

［4］郑晓亮，马埒，胡业林.冻结站盐水泵变频节能系统设计［J］.建井技术，2008，29（3）：19-22.

［5］苏静明，洪炎，唐超礼.煤矿冻结凿井冻结站盐水流量智能控制系统研究［J］.煤炭工程，2012（10）：104-106.

［6］洪炎，苏静明，唐超礼，等.基于专家——模糊PID的冻结凿井智能流量控制研究［J］.计算机工程与科学，2012，34（7）：166-171.

Brine Circulation System Energy Saving Optimization Design in Freezing Station

SHEN Hua-jun1，ZHENG Xiao-liang2，LI Zi-xiang1，QI Yan-qiu1
（1.China Coal Construction（Group）Corporation Ltd.，Hefei Anhui 230000，China；2.School of Electric and Information Engineering，Anhui University of Science and Technology，Huaina Anhui 232001，China）

In view of the situation of low efficiency of heat exchange，high equipment failure rate and serious energy waste，the energy saving optimization design of brine circulation system in freezing station is made.The pipeline pump is cancelled，a brine automatic balance device is added in the design to realize matching balance of brine in circulation system and improve the efficiency of heat exchange.Adopting frequency conversion control mode to regulate salt water pump drive motor speed control to control brine flow not only it can reduce the line pressure，make brine circulation more smoothly，but also can save a lot of electricity. Through field application，the brine circulation system in the optimization design has high heat exchange efficiency，refrigeration cooling speed，less failure，greatly shorten the time limit for a project，and its economic benefit is considerable.

freezing shaft sinking；brine circulation system；energy saving；optimization design

TB663

A

1004-5716（2016）02-0102-05

2015-02-10

沈华军（1974-），男（汉族），江西湖口人，高级工程师，现从事煤矿冻结法设计及施工管理工作。