煤电联合集中制冷降温工艺的探索与设计

2020-06-10夏亮亮

山东煤炭科技 2020年5期

夏亮亮连涛张刚

（山东济矿鲁能煤电股份有限公司阳城煤矿，山东济宁 272502）

1 引言

阳城煤矿-500～ -650m 深度地温26ºC，-650m以下属正常增温区。随着矿井向深部延伸，以及开采范围的增大，由于多种热源的综合作用，导致阳城煤矿采掘工作面热害十分严重，掘进工作面热害更为严重。气温一般均超出《煤矿安全规程》的规定，局部地点气温高达34℃。在这样的条件下工作，既危害了职工的身体健康，又影响矿井安全生产和劳动效率。

2 系统简介

阳城煤矿井下集中制冷降温系统工艺主要分为制冷工艺、散冷工艺、排热工艺、补水工艺。

2.1 制冷工艺

制冷机组由一个主机撬块和两个辅机撬块构成。一个辅机撬块由一台冷凝器和一台蒸发器构成，布置形式为冷凝器在上、蒸发器在下，两个辅机撬块为并联布置。三相异步电动机为制冷主机提供动力，带动压缩机运转，压缩机将蒸发器中流入的过热气态制冷剂（R22）压缩为高温高压气态制冷剂。同时，机组油路系统中的油泵将油喷出，一方面冷却压缩机，一方面还可以起到润滑作用。此时，制冷剂和油的混合蒸汽进入油分离器。经过多次分离后，纯净的制冷剂蒸汽由油分离器排气口进入冷凝器。在冷凝器内，制冷剂走壳程，冷却水走管程。

在该系统中，冷却水从地面通过管路送至井下的机组冷凝器内，因此，需要承受很高的水静压力，最高达8MPa。通过冷凝器内冷却水的冷却作用，高温高压气态制冷剂冷凝为常温高压液态制冷剂。冷凝器内的制冷剂通过管路分别进入各自的膨胀阀内，节流泄压后进入蒸发器内。在蒸发器内，制冷剂的蒸发作用产生低温冷冻水，输送至采掘工作面使用，通过空气冷却器冷却风流，从而降低采掘工作面的风流温度。蒸发为气态的制冷剂再次进入压缩机，形成一个完整的制冷循环。

2.2 散冷工艺

矿井降温系统散冷工艺就是通过换热器实现能量的转移，即将制冷机组制取的冷量通过载冷介质（冷冻水）转移给风流，风流的热量转移给载冷介质，从而实现风流温度的降低。

降温系统末端的散冷装置为空冷器，制冷机组制取的冷冻水通过保温管路送至各个末端空冷器，通过空冷器完成热交换后，再通过保温管路返回制冷机组，形成一个闭式的冷冻水循环系统。在空冷器中，冷冻水作为载冷介质在换热管内流动，风流通过空冷器，与换热管外表面接触，从而实现与冷冻水的热交换，温度降低后的风流再送往工作面，达到改善工作面作业环境的最终目的。

在设计工况下，冷冻水通过末端空冷器管程，与通过空冷器壳程中的风流进行逆向对流换热，冷冻水温度升高，约3℃冷冻水升高至18℃左右，风流温度由32℃降低至20℃左右。冷却后的风流通过风筒，在局部通风机动力作用下，送往采掘工作面，与工作面的高温风流进行掺混换热，使得采掘工作面的风流温度降低至28℃左右或者降温幅度达到5℃及以上。

2.3 排热工艺

阳城煤矿井下集中制冷降温系统的排热工艺为冷却水从制冷机组冷凝器出水端出来，通过冷却水回水管路通往地面，冷却水回水管路与地面电厂冷却水回水管路并联对接，冷却水汇合进入冷却塔，热量排至大气中去。冷却水供水管路与电厂冷却水供水管路并联对接，冷却水从冷却塔出来后从降温系统冷却水供水管路通往井下制冷机组冷凝器进水端，由于高差原因，冷凝器自身需要承受约7.5MPa的高压（冷凝器最大承压能力为16MPa）。冷却水排热温度降低后再返回制冷机组，实现了冷凝热的排放。

2.4 补水工艺

该系统中的冷却水和冷冻水在循环过程中或多或少的都有一定程度的损失，因此需要定时给系统补水，确保系统的循环水流量。

系统补水工艺为降温系统冷却水循环管路与电站冷却水循环管路并联对接，循环冷却水直接从电站冷却水中得到补给，循环冷冻水从循环冷却水管路中得到补给。来自地面高压冷却水通过与冷却水回水管路连接的补水管路经过减压装置减压进入补水箱中，再通过补水泵将水送入膨胀水箱。给膨胀水箱设定一个压力值，当压力值低于设定值时，自动给冷冻水管路系统补水，当压力值高于设定值时，自动排水泄压，从而实现定压自动补水。

3 技术指标

（1）采煤工作面：最末端的空冷器距离采煤工作面进风口距离不超过100m 时，采煤工作面进风口风流干球温度达到28℃或进风口风流干球温度平均降幅达到5℃，相对湿度达到80%；

（2）掘进工作面：当送风距离≤500m 时，掘进工作面风流干球温度达到28℃或降温幅度达到5℃，相对湿度达到80%；

（3）空冷器进出风流温度：当空冷器进风干球温度为30～33℃时，空冷器出风干球温度可降至18～21℃。

4 采掘工作面参数测定

目前井下采掘工作面末端运行的空冷器为6台，分别在3303 采煤工作面轨道顺槽2 台、在3306 皮带顺槽入口2 台、-920 轨道大巷2 台。

3303 采煤工作面轨道顺槽空冷器布置及参数测点选取如图2 所示。

图1 空冷器布置及参数测定点选取示意图

根据图1所示选取的测点，连续测2d，每天3班，每班测1 组，共6 组数据，取平均值。3303 采煤工作面降温后参数测定结果如表1 所示。

表1 3303 采煤工作面降温后参数测定结果

5 3303 采煤工作面降温效果分析

3303 采煤工作面依次选取轨道顺槽1#空冷器入风口、1#空冷器出风口、2#空冷器入风口、2#空冷器出风口、风筒出风口、工作面入风口、工作面回风口和3303 皮带顺槽回风口8 个测点。1#空冷器入风口风流温度为31.7℃，经过2 台空冷器阶梯式冷却，温度降低至15.3℃，降温幅度为16.4℃。经风筒送至3303 采煤工作面，风筒出风口温度升高至21.8℃，湿球温度为20.3℃，相对湿度为86.8%；风流从风筒向外射出，膨胀吸热，风筒外界环境达到降温降湿的效果，至3303 采煤工作面入风口干球温度24.7℃，湿球温度为22.2℃，相对湿度降为79.8%；再经过采煤工作面至回风口温度升高至27.5℃，湿球温度为28℃，相对湿度为96%；风流达到3303 皮带顺槽回风口时干球温度达到30.9℃，湿球温度达到30.4℃，相对湿度为96%。从工作面入口至回风口，再到皮带顺槽回风口，为一个升温加湿的过程，呈“冷-舒适-闷热”的变化趋势，工作面段基本上处于舒适的环境中。各测点温度变化情况如图2 所示。