矿井集中制冷机组高压换热器的设计研究与应用

严明庆

1瓦斯灾害监控与应用技术国家重点实验室 重庆 400037

2中煤科工集团重庆研究院有限公司 重庆 400037

随着我国煤矿开采深度的延伸，深部矿井的热害情况日益加剧，热害问题已经成为制约煤矿生产效率的关键因素之一。当前，煤矿开采朝着集中化、深部化方向发展，面临的热害问题也呈现区域化现象，局部热害防治技术已经不能满足深部开采矿井的需求，矿井降温必然朝着集中化[1]、大型化的方向扩展。矿井集中制冷机组作为矿井集中降温系统的组成部分，在热害矿井得到了广泛的应用，逐渐成为矿井热害防治技术的重要发展方向。但是，井下集中制冷机组大多采用国外产品，在一定程度上制约了我国矿井热害防治的发展[2]。因此，研制国产的井下集中制冷机组势在必行。

1 矿井集中制冷降温系统

矿井集中制冷降温系统[3]如图 1 所示，由冷冻水循环系统和冷却水循环系统构成。冷冻水和冷却水 2套循环系统独立运行，冷冻水经循环泵输送至末端空冷器，将末端的热量带走，水温由 3 ℃ 上升至 18 ℃左右，再进入制冷机组的蒸发器中，蒸发器将 18 ℃的热水热量传递了制冷介质，水温降低至 3 ℃，形成冷冻水循环；同时，冷却水通过循环泵输送至地面冷却塔，水温下降之后循环至矿井制冷机组的冷凝器，在冷凝器内吸收制冷介质的热量而升温，然后再循环至冷却塔，形成冷却水循环。从地面到井下，往往深度超过千米，因此，冷凝器必须能够承受超过 10 MPa 的水压，才能保证制冷机组安全运行。

由图 1 可以看出，矿井集中制冷机组是矿井集中制冷降温系统的核心装备，通过制冷介质状态的变化，将热量从冷冻水传递到冷却水，末端空冷器的作用是将环境热量传递给冷冻水，从而降低环境温度和湿度。

图1 矿井集中制冷降温系统Fig.1 Underground centralized refrigeration system

2 矿井集中制冷机组

矿井集中制冷机组采用蒸汽压缩式制冷方式，主要包括螺杆压缩机、蒸发器、冷凝器和膨胀阀 4 个关键部件。矿井集中制冷机组工艺流程如图 2 所示。低压气态的制冷剂经制冷机组的压缩机压缩之后，变成高温高压的过热气体，经过油分之后进入冷凝器。冷凝器将其冷却形成过冷液态制冷剂(热量传递给冷却水)，然后液态制冷剂经过膨胀阀的绝热节流膨胀为低压液态状态，进入蒸发器蒸发吸热，将冷冻水制冷到 3 ℃ 左右。

矿井集中制冷机组的蒸发器持续地将末端空冷器循环回的冷冻水降温，热量通过制冷剂经冷凝器传递给冷却水，冷却水循环至地面冷却塔，热量通过冷却塔散放至环境中，从而实现井下高温区域降温。

图2 矿井集中制冷机组工艺流程Fig.2 Process flow of underground centralized refrigeration unit

3 高压换热器

由矿井集中制冷机组的工艺流程可知，其关键点在于高压换热器的研制。高压换热器必须满足大换热量、高承压、小体积的特点，否则将无法满足井下降温负荷大、承受水压高和运输安装空间狭小的实际需求。

3.1 参数设计

高压换热器的传热设计主要包括换热器类型的确定、高承压强化换热管的选型和布置方式。通过热力学参数计算可以确定换热器的传热系数、换热面积和换热管簇数量，进而可以校核额定工况下，换热器的制冷量和换热器压降是否满足设计要求[3]。采用固定管板式换热器的两端管板和壳体制成一体，当 2 个流体的温差较大时，可以在外壳的适当位置焊上 1 个补偿圈(或膨胀节)来平衡温差。高压换热器主要热力学性能参数如表 1 所列。

表1 高压换热器主要热力学性能参数Tab.1 Main thermodynamic performance parameters of high-pressure heat exchanger

3.2 结构强度

高压换热器冷凝器介质为冷却水，管程设计承压能力为 16 MPa，进水温度为 31 ℃，出水温度为 40℃。冷凝器采用 2 台并联布置，单台冷凝器冷却功率为 2 080 kW。

高压换热器的设计压力为 16 MPa，根据传热设计确定了换热器的各部件材料、换热器结构形式和换热管的布置方式之后，还必须进行换热器的结构强度校核。换热管结构设计主要内容包括壳体、管板、换热管、封头、连接螺栓等的强度计算，从而确定材料厚度及加工工艺等[4]。高压换热器壳体、封头等采用Q235R，换热管采用高强度铜管。高压换热器的主要结构参数如表 2 所列。

表2 高压换热器主要结构参数Tab.2 Main structural parameters of high-pressure heat exchanger mm

4 模块化设计

为了便于运输，将矿井集中制冷机组进行模块化设计。矿井集中制冷机组模块化设计如图 3 所示，分为主机模块、冷凝器蒸发器模块 1 和冷凝器蒸发器模块 2。主机模块主要部件包括电动机、压缩机、油冷却器和油分离器；模块 1 主要由 1 台蒸发器和 1 台冷凝器及配套附件构成；模块 2 与模块 1 相同。经过模块化设计后，单件结构尺寸控制在 4.5 m×1.5 m×2.0 m 之内，单件最大起吊质量小于 10 t。

电动机满足煤矿井下防爆技术要求，电压等级10 kV，压缩机采用德国进口格拉索产品。

蒸发器由预蒸发器和主蒸发器串联组成，通过管板法兰连接，管程内介质为制冷剂，壳程内介质为冷却水。制冷剂在蒸发器的管程内蒸发，将冷冻水制冷，其温度从 18 ℃ 降到 3 ℃。主蒸发器直径为 610 mm，壁厚为 18 mm，设计压力为 6.4 MPa；预蒸发器直径为 508 mm，壁厚为 15 mm，设计压力为 6.4 MPa。

冷凝器壳体直径为 500 mm，制冷剂压力为 2.5 MPa，冷却水设计压力为 16 MPa，采用固定管板列管式换热器，管程内介质为冷却水，壳程内介质为制冷剂，采用单管程单壳程设计。

图3 矿井集中制冷机组模块化设计Fig.3 Modularized design of underground centralized refrigeration unit

5 矿井集中制冷机组的应用

为了检验矿井集中制冷机组的降温及运行效果，在山东阳城煤矿进行了工业化应用。

5.1 山东阳城煤矿热害情况

由于多种井下热源的综合作用，导致山东阳城煤矿的采掘工作面热害情况严重。如在 -920 井底车场、3303 皮带顺槽的联络巷、工作面 3301 开切眼的掘进时，工作面的平均气温达 32 ℃，相对湿度接近100%，且热害区域较大，因此必须采用集中制冷降温系统才能够解决热害问题。

经计算山东阳城煤矿热害区域的降温负荷[5-6]为6 160 kW，而矿井集中制冷机组的额定制冷量为 3 400 kW，因此采用 2 套该机组即可满足降温需求。降温目标是将工作面气温控制在 26 ℃ 以下，相对湿度控制在 80% 左右。

5.2 降温效果

经过一段时间的运行，对采集到的末端环境温度、湿度参数进行分析，总结如下。空冷器的进口平均风温约为 32.3 ℃，相对湿度接近 100%；空冷器的出口平均风温约为 10.5 ℃，相对湿度为 75%～78%。冷风经过保温风筒输送至工作面作业点，环境平均气温为 24.5 ℃，气温平均降幅约为 7.7 ℃。在距离工作面 50 m 之内，工作面同一地点不同时段降温前后温度、湿度对比如表 3 所列。

表3 距工作面 50 m 处不同时段降温前后温度、湿度对比Tab.3 Comparison of temperature and humidity at various time points 50 m away from work face before and after refrigeration

由表 3 可知，降温后工作面的最低温度达到了23.3 ℃，相对湿度降低到 73%，改善了工作环境，解决了工作面的高温热害问题。

6 结语

(1)矿井集中制冷机组达到了国家标准 GB 3836的防爆技术要求，获得了矿用产品安全标志证书。

(2)通过 4 年多的持续监测，矿井集中制冷机组降温效果良好，运行稳定，工作面气温平均降幅为7.7 ℃，相对湿度下降到 75%～78%，有效解决了山东阳城煤矿的高温热害问题。