高地溫深井WAT井下集中制冷降溫技術研究

周升舉 韓 力 劉善勇

（1.山東新巨龍能源有限責任公司，山東省巨野縣，274918；2.中國礦業大學安全工程學院，江蘇省徐州市，221008）

高地溫深井WAT井下集中制冷降溫技術研究

周升舉1，2韓 力1劉善勇1

（1.山東新巨龍能源有限責任公司，山東省巨野縣，274918；2.中國礦業大學安全工程學院，江蘇省徐州市，221008）

介紹了地面埋管式WAT井下集中制冷降溫系統，該系統主要由冷卻水循環系統、冷凍水循環系統、散冷系統等組成。該降溫技術顯著特點是制冷機組布置在井下，置換出的熱量通過鉆孔排到地面，能夠降低井下冷量損失和井下散熱量，并建立了制冷余熱利用系統。

深井高溫 井下制冷 地面排熱 余熱利用

1 概況

新巨龍能源有限責任公司位于魯西南巨野煤田的中南部，井田面積180km2，設計生產能力600萬t／a，主要開采水平為－810m，具有高地熱特征。根據礦井地質資料，本區恒溫帶深度50m、溫度18.9℃；平均地溫梯度2.88℃／100m，其中非煤系地層平均地溫梯度2.52℃／100m，煤系地層平均地溫梯度3.23℃／100m。礦井主采3＃煤層，底板溫度平均41.38℃，3＃煤層全部處于一級或二級高溫區。

2 井下集中制冷降溫系統的選擇

集中式制冷降溫系統按照冷媒介質分為冷水降溫和冰水降溫兩種。冰制冷降溫系統耗能較大，且冰輸送到井下還需要加水溶解，制冷效率較低，水消耗量較大，所以選用冷水降溫方式。

集中式制冷降溫系統按照制冷機的布置和組合方式不同，主要有地面集中式制冷降溫系統和井下集中式制冷降溫系統兩種，其基本原理都是制冷機組制備冷凍水，用冷水作為冷媒輸送到井下，達到降溫的目的，其制冷效率較高。

地面集中式制冷降溫系統主要優點為可選用大機組，適合于制冷量30MW以上的礦井降溫系統；易于排除冷凝熱。其主要缺點為需在井下設高低壓轉換設備，以解決井上、井下高差而產生的高壓差。為保證降溫效果，采用的高低壓轉換器（PES）由于其結構本體和控制系統等要求高，系統穩定性差；多一個高壓冷凍水循環，系統冷損大，較為復雜；需在井筒中設置塑套鋼型成品保溫管，對施工要求高，安裝、維護等也相對較為困難；整個系統投資較大。

井下集中式制冷降溫系統主要優點為制冷機組可盡量靠近負荷中心，冷損小；機組可模塊化組合，根據負荷分布情況分區域集中制冷；系統簡單，無需設高低壓轉換設備，機組冷凝器可直接承受最高16MPa壓力，少一個高壓冷凍水循環，系統冷損小；冷卻水管路無需保溫，施工、安裝方便；地面冷卻機房設備少，占地面積小；整個系統投資小。其主要缺點為系統配套的井下電氣設備必須有防爆要求。

3 地面埋管式井下集中降溫原理與系統構成

3.1 制冷原理

井下集中制冷降溫系統基本原理是用制冷機組制冰冷凍水，用冷水作為冷媒介輸送到井下實現降溫的目的，其制冷效率較高。龍固礦采用的是通過打鉆孔方式在一采區車場附近施工兩個鉆孔，下兩趟冷卻水管，冷凝熱通過地面冷卻塔排放，同時在一采區車場附近設制冷降溫硐室，地面設置地面冷卻機房。系統原理如圖1所示。

圖1 井下集中降溫技術原理

3.2 制冷系統組成

3.2.1 井下制冷機組

井下制冷機組采用德國WAT公司KM3000機組，單機制冷量可達3300kW，目前安裝兩臺機組。根據《煤礦井下熱害防治設計規范》的要求，當采用井下集中式制冷降溫方式時，制冷機出水溫度不應高于5℃。制冷機組出水溫度確定為3℃，另外，供水與回水的大溫差對整個系統更有利，國外一般為15℃，從設備運行安全性、穩定性及使用情況等方面考慮，采用3℃／18℃的供回水溫差。

3.2.2 冷卻水系統

結合地面冷卻機房的布置，選用兩臺方形橫流塔作為冷卻塔。與井下制冷機組相配套，選用3臺冷卻水循環泵。由于冷卻塔存在蒸發損失、風吹損失及排污損失，且補水要求為軟化水，需計算出需補水量并安裝配套補水設備。在地面打鉆孔，下兩趟冷卻水管，與井下制冷系統相連接，實現冷卻，并在地面排放冷凝熱。

3.2.3 冷凍水系統

與制冷機組相配套，選用3臺冷凍水循環泵，兩用一備。冷凍水的補水定壓方式采用設補水箱、補水泵，水源引自降溫硐室的冷卻水回水管，經減壓閥減壓后接至補水箱。考慮制冷機組對水質的要求，井下集中式制冷降溫系統需補充軟化水，因此應提供滿足制冷機組要求的水質。

3.2.4 散冷系統

輸冷管采用無縫鋼管，輸冷管的隔熱保冷結構采用塑套鋼預制成型保溫管，其內工作管為無縫鋼管，中間層為聚氨酯發泡保溫層，外護管為雙抗高密度聚乙烯管。為確保冷凍水系統通往各采區主干管路的壓力平衡，在采區的支干管處必須設置電動調節閥及流量計，以調節冷凍水流量。

將冷水輸送到采掘工作面后，采用空氣冷卻器散冷方式對采掘工作面進行散冷降溫。根據采掘工作面的散冷量，在采掘工作面的合理位置安設大小不同、多少不等的空氣冷卻器進行散冷，以降低采掘工作面的風溫。新巨龍公司采用了德國先進的RWK－450型空冷器，確保了空冷器的散冷效率。

4 地面埋管式井下集中降溫模式

井下集中式降溫模式有其獨有的優點，但也存在很多不足，如井下安裝制冷機組對于安全性能要求較高、井下制冷時冷凝熱難以排放等。針對這些問題，結合龍固礦井的自身情況，建立和設計了地面埋管式井下集中降溫系統。

該系統為解決井下集中制冷模式存在的問題提出了一些較為可行的方法。首先，在制冷機組的選擇上，主要是選用德國WAT公司的井下制冷機組，機組是按照煤礦井下防爆標準制造的，已取得煤礦安全標志證書（MA證書），并在一些煤礦得到成功應用。其次，針對井下集中制冷模式冷凝熱難以排放的問題，獨創了地面鉆孔的方式，通過地面鉆孔，建立一個冷卻水的循環系統，該系統主要負責將井下冷凝熱帶回地面，余熱加以利用后，經冷卻塔自然冷卻后，送回井下循環利用，完成了井下冷凝熱的排放。

5 鉆孔位置的確定

WAT機組主要向二采區及開拓大巷等采掘工作面供冷，根據供回冷管路投資最省（最短）、運行費用最少原則，考慮降溫硐室方便布置等因素，確定鉆孔位置。優化計算確定的制冷降溫峒室在二采區疏水巷附近，通過打鉆孔方式在二采區疏水巷附近施工兩個鉆孔，下兩趟冷卻水管，冷凝熱地面排放，地面設地面冷卻機房。

6 制冷余熱利用系統

井下集中制冷系統充分考慮了能源的有效利用，在冷卻水循環系統中，建立了制冷余熱利用系統，將從井下帶回地面的熱水，充分利用其有效熱能，用于員工冬季供暖及生活熱水等，熱量得到有效利用后，經處理再返回冷卻塔進行冷卻，這樣就節省了部分能源，起到了節能的效果。制冷余熱利用系統如圖2所示。

圖2 制冷余熱利用系統

7 結語

（1）地面埋管式井下集中制冷降溫系統可以自由選擇鉆孔位置，處于冷負荷中心，大大減少冷凍水在輸送過程中冷量損失，井下制冷機組的能效比（4.1～4.4）較高，大大節省了系統運行成本。

（2）由于冷損最小，末端空冷器設備供水溫度低，降溫效果好，同時還可以節約運行成本。

（3）建立了制冷余熱利用系統，在解決了制冷的同時，又為地面提高了熱源，起到了互補的作用。余熱用于員工冬季供暖及生活熱水，節省了一大筆費用，同時，由于利用了一部分熱量，在一定程度上就減少了冷卻塔的負荷，降低了冷卻塔的部分費用。余熱系統將冷卻水循環利用，同時又有簡單的水處理系統，可以有效節約水資源，提高了資源的利用率。

（4）該降溫系統使礦井主要作業地點溫度平均降低了8℃，為井下創造了良好的作用環境，具有很大的社會效益和經濟效益。

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［3］ 劉何清，吳超，王衛軍等.礦井降溫技術研究述評［J］.金屬礦山，2005（6）

［4］ 徐寧斌，吳奎斌.姚橋煤礦局部降溫技術的研究與應用［J］.中國煤炭，2010（12）

Study on technology of WAT underground central cooling in deep well with high ground temperature

Zhou Shengju1，2，Han Li1，LiuShanyong1
（1.Shandong Xinjulong Energy Co.，Ltd.，Juye，Shandong 274918，China；2.School of Safety Engineering，China University of Mining ＆Technology，Xuzhou，Jiangsu 221008，China）

The article introduces the buried WAT underground central cooling system，which is mainly composed of the cooling water circulating system，chilled water circulating system，and cold diffusion system.The significant features of the cooling technology are：the refrigeration unit is disposed in downhole，where the displaced heat is discharged to the ground through boring so as to reduce underground cooling losses and heat dissipation；cooling waste heat utilization system is established.

deep well with high temperature，underground refrigeration，ground heat discharge，waste heat utilization

TD727

A

周升舉（1983－），男，山東鄄城人，大學本科學歷，助理工程師，新巨龍公司通防部副主任。

（責任編輯 張艷華）