孔庄煤矿地面集中降温系统改造

严明庆

1中煤科工集团重庆研究院有限公司 重庆 400037

2瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室 重庆 400037

由 于矿井开采深度逐渐增加，孔庄煤矿采掘工作面的热害问题日益突出。其中采煤工作面的环境温度已经超过 33 ℃，空气相对湿度接近饱和，严重影响生产。孔庄煤矿于 2012 年建立了地面制冰降温系统，虽然缓解了一定的热害问题，但效果较差。由于能耗较高，系统复杂，容易出现系统故障。随着矿井降温技术的发展，制冰降温系统逐渐被冷水系统取代。现有降温系统由于部件损坏、输冰系统易堵塞等原因处于停机状态。综合考虑制冷效果和经济效益，需要对降温系统进行适当改造，以满足孔庄矿井下降温的实际需求。

根据我国《煤矿安全规程》中的规定[1-2]，生产过程中，工作面的微环境温度不得超过 26 ℃，机电设备硐室内的温度不得超过 30 ℃。孔庄煤矿如果不采取有效的治理手段，就会影响作业人员的身体健康，限制劳动效率的提高，并且违反《煤矿安全规程》的有关规定。由于孔庄煤矿井下热害范围逐渐扩大，并且高温区域不集中，采用局部制冷降温系统已不能解决热害。为了使降温系统能覆盖所有高温采掘工作面，且要求管理更为简单、便捷，因此，建立地面集中降温系统是一种可行的技术方案。

1 现有降温系统

1.1 系统介绍

(1) 地面部分 现有降温系统为制冰系统，主要包括地面制冷站设置了 4 台冷水机组，总制冷量为 5 640 kW；1 台制冰量为 1 020 t/d 的进口制冰机；4 台冷冻水循环泵；6 台冷却水循环泵。

(2) 井下部分 硐室内有 2 台冷冻水循环泵，额定功率为 710 kW，流量为 280 m3/h；每个采煤工作面串联布置了 25 台 50 kW 的空冷器；掘进工作面设置了 2 台 150 kW 的空冷器。

(3) 输冰系统 输冰管道材质为高密度聚乙烯(HDPE)，直径为 273 mm，总长度约为 1 400 m。

1.2 存在的问题

从运行可靠性角度分析，该制冰集中降温系统主要存在如下问题。

(1) 时常发生输冰管道阻塞现象，采取冷水回灌冲刷的方式也无法有效解决。

(2) 运行时，真空泵温度容易过高，直接影响整个系统的运转安全性，无备用泵，存在设计缺陷。

(3) 关键设备为国外进口，如果其中一个关键的部件出现故障，系统就会停止运行。由于主要配件大多是国外进口，采购周期较长，维护成本高。

从运行及降温效果的角度分析，存在以下问题。

(1) 工作面风流降温幅度低，降温效果差。根据工作面各测点温度实测数据，工作面实测温度为28.6～31.2 ℃，湿度大于 95%，降温效果不明显。

(2) 空冷器传热效率低，实际制冷换热负荷约为设计值的 54%。

(3) 空冷器进水温度最高为 14 ℃，最低为 4.8℃。较高的空冷器进水温度直接影响降温效果。

(4) 制冰机组运行效率较冷水降温机组更低，节能效果差。制冷系统的能效比 COP 为 2.16，远低于同级别螺杆冷水机组的能效比。

2 矿井降温系统改造

2.1 方案概述

降温系统改造主要分为地面制冷系统改造、冷量输送系统改造及末端换热系统改造。

地面集中降温系统如图 1 所示[3-4]。利用地面制冷站原有冷水机组制取低温冷冻水 (3～5 ℃)，将冷冻水通过保温管道输送到井下换冷硐室 (融冰硐室进行改造而成)，在换冷硐室内建造高低压转换装置，通过该装置将冷冻水的压力从 11 MPa 降低至 2 MPa，然后通过冷冻水泵和保温管道输送到采掘工作面末端空冷器。从空冷器回来的冷冻水 (温度约 18 ℃) 通过高低压转换装置升压后循环回到地面制冷站重新制冷，形成闭式循环。

2.2 地面制冷系统改造

图1 地面集中降温系统Fig.1 Ground centralized cooling system

地面制冷系统中冷却水系统不进行改造，只对冷水机组做部分改造，以实现大温差、小流量的目的。目前冷水机组额定流量为 243 m3/h，设计进水温度为 5 ℃，回水温度为 10 ℃。对制冷机组控制程序、系统运行流程进行改造，其中 2 台冷水机组作为第一阶段制冷使用，将冷冻水预冷到 10～13 ℃，然后冷冻水再进入另外 2 台制冷机组，将水温度降低至 3～5 ℃。改造之后，实现进水温度为 3～5 ℃，回水温度为 15～18 ℃，冷冻水流量为 280 m3/h。

2.3 冷量输送系统改造

2.3.1 高压冷冻水管道

地面至井底的水静压力为 10.5 MPa，设计管道最大承压为 16 MPa，随着管道的延伸而逐渐增加管道承压能力。根据现场考察情况，井筒内原有 2 条备用供排水管道可以利用，管道直径分别为 273、325 mm，但需要进行保温处理。

2.3.2 井下融冰硐室

将融冰硐室内的设备和构筑物全部拆除，高度扩建增加 1 m。此外，地面硬化并建设设备安装基础，安装高低压转换装置及其配套设备。高低压转换装置如图 2 所示。

图2 高低压转换装置Fig.2 High-low pressure transfer device

2.3.3 井下输冷系统

井下输冷系统包括冷冻水泵以及从冷冻水泵到空冷器的冷冻水管道等。据实地考察，循环水泵可以满足使用需求，保温管道维护后可以使用。

2.4 末端换热系统改造

孔庄煤矿采煤工作面使用 25 台 50 kW 的空冷器，总换热量为 1 250 kW，总换热量偏低。另外，现有空冷器系统复杂，设备维护困难，且由于采用串联前后布置，空冷器效率较低。采煤工作面空冷器改造如图3 所示，将 25 台 50 kW 空冷器更换为 4 台 450 kW 的空冷器。掘进工作面空冷器改造如图 4 所示，将 2 台 150 kW 的空冷器更换为 1 台 450 kW 的空冷器。

图3 采煤工作面空冷器改造Fig.3 Design of air cooler on mining work face

根据既往的使用经验，改造后的空冷器布置更加合理，空冷器的制冷效果能够得到较大的改善。

改造前后温度变化曲线如图 5 所示。改造后，工作面的风流温度在 26 ℃ 以下，最大降幅达到 12 ℃，改造后比改造前温度平均下降 7 ℃，相对湿度也下降至 80% 以下，降温效果显著提高，可以有效解决工作面的热害问题，改善作业环境。

图4 掘进工作面空冷器改造Fig.4 Design of air cooler on tunneling work face

图5 改造前后工作面温度变化曲线Fig.5 Variation curve of temperature on work face before and after reconstruction

3 新增设备

制冷降温系统工艺具有如下特点。

(1) 耐高压 高低压转换装置的作用是将地面冷冻水压力由 11 MPa 降低到 2 MPa。其设计承压能力为 16 MPa。

(2) 温差大 为了降低运行能耗，制冷机组设计成小流量大温差，冷冻水温度设计为 3 ℃。

(3) 尺寸小 受矿井运输和安装条件的限制，设备的结构尺寸不能太大，特别是空冷器，在满足换热量的同时，确保外形最小。

3.1 高低压转换装置

高低压转换装置是地面集中降温系统的关键设备，也是此次改造的关键装备。

根据矿方的输冷量需要并考虑未来扩容的需求，选择换冷量为 5 000 kW 的高低压转换装置，其技术参数如表 1 所列。

3.2 空冷器

空冷器是降温系统的重要末端设备，应能适应井下高湿度、强腐蚀性、多粉尘的工作环境。其换热效果优劣直接影响到需冷区域的降温效果。空冷器参数如表 2 所列。

表1 高低压转换装置技术参数Tab.1 Technical parameters of high-low pressure transfer device

表2 空冷器技术参数Tab.2 Technical parameters of air cooler

3.3 变频调速装置

由于现有的冷冻水泵功率较大，为了减小运行能耗，需要配套矿用隔爆兼本安型变频调速装置，实现对循环水泵的变频调速，变频调速装置技术参数如表 3 所列。

表3 变频调速装置技术参数Tab.3 Technical parameters of variable frequency speed regulation device

3.4 管道

从地面制冷机站到井下换冷硐室高低压转换装置处，高压侧冷冻水输送管道采用直径为 273 mm 的保温管道。井下冷冻水管道需承压能力较高，最大工作压力为 16 MPa。低压侧冷冻水输送保温管道从换冷硐室到末端空冷器，设计压力为 4 MPa。

3.5 地面集中控制系统

地面集中监控系统如图 6 所示，由井下换冷硐室高低压转换装置集中监控系统和地面监控系统组成[5]。该集中控制系统采用以工业控制计算机和通信技术为核心、以视频监控为辅助控制的管控一体化集中控制管理系统，实现设备运行与管理的高度自动化。

(1) 报警功能 通过各种传感器采集设备的运行状态参数，设置参数预警阈值及超限时发预警信号。通过对可能故障的提前维护，有利于避免故障扩大导致严重后果，做到设备管理的预防性维护。

图6 地面集中控制系统Fig.6 Ground centralized control system

(2) 可视化功能[6]地面集中控制系统控制界面如图 7 所示。该界面可以展示核心装备高低压转换装置的工艺原理、流程、工作状态及重要的运行参数，如循环泵的轴承温度，液压系统液压油温度，重要节点阀门的开度，冷冻水温度、压力、流量，高低压转换装置的三腔管道阀门的开闭状态。

4 结语

针对孔庄煤矿现有降温系统存在的问题，经过改造，能够克服制冰系统存在的高能耗、降温效果差、冰浆输送困难、运行维护成本高等问题。采用以高低压转行装置为核心的地面集中降温系统具有如下优点。

(1) 高低压转行装置技术成熟，稳定可靠。在平煤四矿试运行后发现，该系统运行稳定可靠，满足矿井的实际运行需求。

(2) 节能效果良好。由于高低压转换装置在高压冷冻水降压过程中温度跃升小于 0.7 ℃，具有很好的节能效果。

(3) 空冷器的降温效果良好。工程实践表明，采用该空冷器布置能够高效地降低环境温度和湿度。