矿用半自动螺杆压缩机冷却装置的研制及巷道应用实例

张小勇

（阳煤三矿生产调度指挥中心综采四队， 山西 阳泉 045000）

1 世界范围内矿用冷却装置使用概况

我国主要地区煤矿热量产生的原因包括增加开采深度时的岩石温度，以及大型机电设备的散热。为地下工作提供适当的工作环境首先应采用传统的非机械冷却方法来缓解问题，例如增加通风率、改变采矿方法和通风模式等。一旦这种传统方式失效，机械冷却方式必然将成为主要方式。西方国家拥有发达的采矿业，如美国、德国、英国、澳大利亚、波兰、南非等国家对深井风冷进行了研究并制定出各种形式的机械冷却系统，带来了良好的效果。例如，在美国地面集中冷却系统（冷却和散热均已完成），地下矿井（冷却和散热在地下矿井完成）以及混合使用（地下散热完成冷却，地面散热）时，根据机械冷却散热位置的不同，系统也不尽相同，每个冷却系统可以据具体情况采取几种特定的形式。德国的矿山冷却方法是在地面或地下矿井布置具有大的冷却能力的制冷站，依托其发达的工业设备制造业，提高了尽可能多的冷却站中每个冷却单元的冷却能力，以补偿冷却损失并释放系统在地面产生的冷凝热量。澳大利亚的采煤方法中长壁采矿最常使用，而U型或Y型通风用于工作面，他们的矿山冷却方法在德国人的影响下，通过由设置在道路上的空气冷却器（包括冷却器）分开或逐渐冷却空气流组成进气，并返回在工作面和地面上的集中冷冻水冷却系统。南非矿山的挖掘深度很大，平均在3 000～5 000 m之间。很多工程师对它进行了相关的各种热源分析研究，包括降温测定等负载、矿井局部空冷、地面和地下集中冷却、冰冷系统、相关辅助设备和计算机模拟软件等。

目前，我国煤矿伴热伤害的技术和设备基本上与上述国家相同。例如，山东省赵楼煤矿需要不同的阶段使用地面系统喷水和地下集中式冷水冷却系统；安徽省丁集和潘集煤矿集中冷却加热和电力系统（CCHP）；河南省平煤集团四矿煤矿采用移动空调系统来处理零件和冷却系统对于使用低温冰箱的加热；江苏省三河尖煤矿部署采用矿山的HEMS深部矿井风冷系统流入水作为冷却源。所有这些都得到了很好的冷却效果。

然而，与发达国家采矿业的情况不同，我国煤矿降温面临的主要问题是缺乏关键和核心设备（如本地制冷单元、大型防爆制冷单元等）。无论大尺寸集中式空气冷却系统或灵活使用的小型移动式局部空气冷却系统，都需要这种关键和核心设备发展的重大突破。

2 ZL400制冷机组的开发

2.1 工作原理

与普通地面制冷机组一样，ZL400矿山制冷机组的冷却装置用压缩机、蒸发器、冷凝器等完成整个制冷循环，膨胀阀和循环制冷剂吸收过量热量后不久，气体制冷剂被压缩机压缩成高温高压的气体，然后转移到冷凝器中，在50℃冷凝成液体。由此释放的热量被冷凝器中循环的冷却水带走。之后，冷却的制冷剂被减压并通过膨胀阀进入蒸发器，在那里变成低温气体（从0～10℃），吸收水或空气流过的多余热量实现冷却目标。然后这种气体制冷剂再次被传送到压缩机，从而实现封闭制冷循环“压缩→冷凝→节流→蒸发”。

ZL400矿山冷却装置的主要特点是冷却和散热过程在地下矿井完成。冷却装置使用返回空气或喷涌放热水。但是，要解决热介质在夏季达到高温的问题，它被设计成一个在高冷凝温度下运行的热泵机组，流量大，工作温差小，用水带走热量。它使用R22作为循环制冷剂，设计用于在0℃（冷凝温度）下蒸发53℃，过热温度5℃，过冷却温度5℃。根据制冷剂的物理性质，然后可以找到并确定与状态点对应的参数，选择合适的工质[1]。

2.2 冷却装置结构

冰箱体由半封闭式螺杆制冷压缩机组成，壳管式冷凝器、热力膨胀阀、过滤干燥器、集油器及相关调节装置阀门等。整个机器为小尺寸可以方便转向。密封螺杆式压缩机稳定运行并防止制冷剂泄漏。完全自我保护机制使复杂环境具有很强的适应性。ZL400冷却装置如图1所示[2]。

ZL400冷却装置中的本地空调系统可分为两部分：蒸发器直接和间接地冷却气流制冷设备，蒸发器将冷却水供应给闸门道路和长壁空气冷却器，前者主要由ZF400制冷机组直接冷却蒸发器、再冷却器、监控系统（如PLC等）以及必要的配件；后者由ZL400制冷机组、间接冷却蒸发器、空冷器、再冷却器、监控系统组成（如PLC等）和必要的附件。

3 ZL400制冷单元优势分析及现场应用

1）三个阶段“四个组件”（排除蒸发器）在冷却装置的冷却工作循环过程是其主要组成部分。由于蒸发器是与其身体分离，其体积减小，因此更容易移动安装。而且，这种分离表明需要配备不同的蒸发器，该单元可以作为制冷系统直接冷却气流直接作用，以及间接作用制冷系统来冷却制冷介质如水，从而满足不同具体条件的要求[3]。

2）与活塞式压缩机不同，冷却装置采用螺杆式压缩机。如螺杆式压缩机是半密封的，制冷剂泄漏等问题，液体可以避免发生在活塞式压缩机中的撞击。在世界各地的矿山冷却应用中这是一个开创性的工作。

3）制冷机组的部件——压缩机、蒸发器和冷凝器，采用模块化设计，因此可以一个一个地拆除并运入地下矿山。这适用于我国南部经常发生热损伤的地区，对中国北方大型和现代矿山也具有优势。该单位拥有体积小、移动方便、安装简单、操作方便、灵活性和适用性广泛等特点。

图1 ZL400冷却装置及配套装置图

为了检测ZL400冷却单元的性能，建立了一个检测平台地面，主要用于检测当地空调系统性能完整的设备和工厂，并提供技术支持升级现有设备并开发用于本地空调的新型系统。该平台有四大部分：制冷系统、数据采集系统、PLC控制和保护系统以及供电和配电系统。它能够检测冷却能力低于500 kW并且完成的矿井冷却系统的性能设备。该平台主要用于测试冷却装置在不同的工作条件下的运行稳定性和冷却效果。