凍結站鹽水循環系統節能優化設計

沈華軍，鄭曉亮，李子祥，亓艷秋

（1.中煤礦山建設集團有限責任公司，安徽合肥230000；2.安徽理工大學電氣與信息工程學院，安徽淮南232001）

凍結站鹽水循環系統節能優化設計

沈華軍*1，鄭曉亮2，李子祥1，亓艷秋1

（1.中煤礦山建設集團有限責任公司，安徽合肥230000；2.安徽理工大學電氣與信息工程學院，安徽淮南232001）

針對現有凍結站鹽水循環系統存在熱交換效率低、設備故障率高、電能浪費嚴重的現狀，對其進行節能優化設計。取消管道泵，設計增加一種鹽水自動平衡裝置，實現鹽水循環系統中鹽水的平衡匹配，提高熱交換效率。采用變頻控制方式調節鹽水泵拖動電機的轉速達到控制鹽水流量的目的，不但可降低管道壓力，使鹽水循環更加平穩，還可節約大量的電能。通過現場應用，優化設計后的鹽水循環系統熱交換效率高、制冷降溫速度快、故障少，大大縮短了工期，經濟效益可觀。

凍結法鑿井；鹽水循環系統；節能；優化設計

凍結法鑿井技術因其安全可靠、技術成熟等優點，成為煤礦立井通過深厚表土地層、流砂地層等特殊地層的首選工法［1-3］。鹽水循環系統作為整個凍結制冷系統的咽喉，直接影響著井筒凍結的效果。近10年來，作為鹽水系統主要降溫設備——蒸發器，由原來的手動供液螺旋管半封閉式逐步發展為虹吸供液直管全封閉式蒸發器，自動化程度及制冷效率均得到了提高。采用全封閉式蒸發器后，鹽水循環系統工藝發生了改變，即在每臺蒸發器上配備管道泵調節各自流量，并在蒸發器與鹽水泵之間增加冷熱集箱，冷集箱和熱集箱之間設置通道等。經過現場實踐后發現，由于蒸發器側的管道泵綜合流量與凍結器側的鹽水泵流量無法始終保持一致，使得鹽水循環系統始終存在進空氣現象，造成降溫效率低下、電能浪費嚴重等問題。另外，采用閥門控制鹽水流量，管道壓力大，損傷水泵，浪費電能，造成設備維修頻繁壽命短，增加施工成本。因此，鹽水循環系統需要進行優化設計，對提高制冷效率、節約工期、保障施工質量及節能降耗具有積極的現實意義。

1　系統優化設計方案

目前全封閉干式蒸發器的鹽水系統的工藝主要存在以下2方面的問題：一方面，并聯運行的干式蒸發器利用管道泵調節各自流量，以達到流量均衡的目的，但管道泵的綜合流量Q1與鹽水泵的流量Q2難以保持相等，前期Q1大于Q2，使得冷集箱鹽水充滿且溢出，而熱集箱形成半空導致進入空氣，造成干式蒸發器盤管內進入大量空氣，其熱交換能力大幅下降；后期Q1小于Q2，使得熱集箱鹽水充滿且溢出，而冷集箱形成半空導致進入空氣，造成凍結器內進入大量空氣，地層熱交換能力大幅下降，導致地層凍結降溫速度緩慢、工期延誤、增加成本。另一方面，制冷量的調節通過鹽水泵出口閥門調節鹽水流量方式進行控制，即通過關小或開大閥門來調節鹽水流量，而鹽水泵驅動電動機轉速保持不變，通過改變水路中的阻力大小來改變供水流量，此時管阻特性將隨閥門開度的改變而改變，但揚程特性不變［4］。此種方法管阻大，容易造成鹽水泵損壞，降低水泵使用壽命、增加維修次數，節電效果不明顯。

針對施工中存在的這些問題，優化方案主要從2方面入手：一是優化鹽水循環系統工藝，原則是使得任何時候Q1等于Q2，具體方案為：在蒸發器與鹽水泵之間設計增加一種鹽水自動調平裝置，去掉蒸發器上的管道泵，利用鹽水泵的壓力使蒸發器中冷鹽水，經調平裝置、鹽水泵、鹽水干管、配液圈、凍結器、集液圈、鹽水干管直接流回蒸發器，實現了Q1始終等于Q2的目標，從而減少空氣進入鹽水循環系統，提高蒸發器及凍結器的熱交換效率。二是優化鹽水流量控制方式，即鹽水泵采用變頻控制方式，設計增加一套鹽水泵變頻控制系統，調節鹽水泵拖動電機轉速調節鹽水流量，降低管道壓力，使鹽水循環更加平順，同時節約電能。表1為原系統與優化后的系統的特點對比。

表1　原系統與優化后的系統對比

圖1　原管路與優化后的鹽水管路

2　鹽水系統工藝優化設計

2.1原系統工藝和優化后的系統工藝對比

原系統工藝：蒸發器中的低溫鹽水首先進入冷集箱，由鹽水泵升壓后經去路干管、配液圈、供液管流入凍結器，在凍結器內與地層進行熱交換升溫后，經回液管、集液圈、回路干管返回熱集箱，熱鹽水經管道泵升壓后，進入蒸發器降溫，然后進入冷集箱，如此反復循環，以達到凍結地層的目的。

優化后系統工藝：去掉干式蒸發器上進水口處的管道泵，在干式蒸發器和鹽水泵之間增加凍結鹽水自動調平裝置。蒸發器中的低溫鹽水首先進入調平裝置，由鹽水泵升壓后經去路干管、配液圈、供液管流入凍結器，在凍結器內與地層進行熱交換升溫后，經回液管、集液圈、回路干管直接返回干式蒸發器，如此反復循環，以達到凍結地層的目的。原系統工藝和優化后的系統工藝如圖1所示。

2.2鹽水自動調平裝置

鹽水自動平衡裝置結構如圖2所示，由大鹽水箱和小膨脹水箱組成，大鹽水箱設置在小膨脹水箱下方，其體積大小比例為8∶1，大鹽水箱上設有鹽水入口、鹽水出口、加鹽水口、溢水口、清污口、維修入口、水位平衡口，小膨脹水箱上設有進水口、水位平衡口、溢水口。

鹽水自動調平裝置的鹽水進水口通過帶閘閥的管路與蒸發器相連，出水口通過帶閘閥的管路與鹽水泵相連。由干式蒸發器冷卻后的低溫鹽水，經過入口閘閥流入鹽水自動平衡裝置，在鹽水平衡裝置中存儲、緩沖、平衡、釋放空氣后，經出口閘閥至鹽水泵，經去路干管、配液圈、供液管流入凍結器，在凍結器內與地層進行熱交換升溫后，經回液管、集液圈、回路干管返回蒸發器繼續降溫，如此反復循環。在鹽水循環系統運轉前，經加鹽水口將鹽水注入鹽水箱內，啟動鹽水泵，直到鹽水量滿足整個系統需求為止。

增加鹽水自動平衡裝置的優點是在鹽水泵突然停泵或檢修時，由于鹽水循環慣性及溫度回升導致體積膨脹，鹽水箱內的膨脹鹽水經過溢水管路排到膨脹水箱內，此時，氣壓平衡管路可以保證兩箱的壓力平衡，防止氣堵。若膨脹鹽水充滿鹽水箱和膨脹水箱，可通過膨脹水箱上的溢水口排出至地面上的鹽水儲存池，防止鹽水浪費。在運轉過程中，氣壓平衡管路上的液位顯示計顯示鹽水不足時，可通過加鹽水口及時補充鹽水。檢修時或運轉結束后，操作人員通過維修入口進入鹽水箱內，對鹽水箱進行檢修、去污、防腐，污水可通過清污口排出。

圖2　鹽水自動調平裝置結構圖

3　鹽水泵變頻控制設計

鹽水循環系統除了凍結器位于地下，其余設備均位于地平面上，且凍結器供液管和回液管的水平高度一樣，相當于一個U型管，因此鹽水泵的靜揚程近似為零，屬于一種特殊的供水方式，僅需要管路中的鹽水按一定的速度連續流動，對水泵的揚程沒有要求。因此調節水泵的轉速只是改變水的流量，而不考慮揚程的變化，且鹽水在封閉的管路中具有連續性，本身具有一定的動能和位能，即使水泵的轉速很低，鹽水也能在管路中流動，壓力值對鹽水循環的意義不大。因此，鹽水泵變頻控制將鹽水流量作為反饋信號形成閉環控制，壓力值作為參考，防止管道壓力過高或過低。采用變頻控制后，根據需要的鹽水流量大小實時調節拖動電機轉速，不再采用出口閥門開度控制流量，以往用來克服管阻的能量節約下來，節能效果顯著，且不存在憋泵的情況，鹽水循環水流更加平穩，鹽水泵檢修次數明顯降低。

鹽水泵變頻控制系統結構如圖3所示。控制中心由工業控制計算機組成，可遠程完成各個水泵工作狀態的控制及運行數據的記錄。鹽水泵變頻控制柜主要有可編程邏輯控制器（PLC）和變頻器組成，電磁流量計負責檢測鹽水干管的鹽水流量，壓力傳感器負責檢測干管的壓力，PLC通過模擬數字轉換模塊EM235得到流量和壓力數據后控制變頻器改變鹽水泵驅動電機供電頻率調節電機轉速，從而完成對鹽水流量的控制［4-6］。可實時顯示水泵的運行狀態、運行參數，并具有數據庫功能。

圖3　鹽水泵變頻控制系統結構圖

4　應用效果

4.1系統運轉效果

原鹽水系統監測數據顯示，同一臺干式蒸發器的蒸發溫度與其鹽水溫度之間的溫差異常，凍結一個月后仍最高多達20℃以上，說明蒸發器盤管中存在大量空氣，鹽水中熱量很難被汽化的氨有效吸收，制冷效率低下。優化后的鹽水循環系統蒸發溫度與其對應的鹽水溫度之間的溫差變化正常，即從凍初期溫差大在較短時間內逐步減小至正常穩定值。優化后的鹽水系統在淮南顧橋礦東回風井進行了應用，監測數據如圖4所示，開凍初期蒸發溫度（-27℃）與鹽水溫度（24.3℃）之間的溫差最大為52℃左右，凍結5d其溫差為28℃左右，凍結10d其溫差為10℃左右，凍結20d后其溫差下降至5℃左右，以后均維持在此值較小范圍變化，鹽水系統循環平穩，解決了流量不平衡進空氣造成制冷效率下降的問題，凍結降溫速度快，鹽水溫度僅5d就由24.3℃降到-1.1℃。東回風井于2014年1月8日凍結站開機運轉，2月18日凍結41d交圈冒水，3月6日凍結58d井筒試挖，比設計工期提前13d，優化后的鹽水系統制冷效果非常明顯。

4.2經濟效益

鹽水系統進行優化設計后，系統管道安裝節約1000m，節省23臺管道泵，每臺管道泵額定功率為15kW，節約費用如下：

節約安裝管材費：1000m×0.020t/m×4900元/t=9.8萬元

節約管道泵耗電費：15kW×24h×23臺×180d×0.65 元/度≈96.9萬元（考慮到消極凍結階段部分機組停機，本工程平均每組機組運轉時間均按照180d計算，礦區電費0.65元/度）。

凍結站共有4臺鹽水泵，驅動電機額定功率分別為110kW、160kW、185kW、132kW。增加變頻控制系統后，各臺電機的節電情況如表2所示。因為配用電機功率大小不同，根據實際的水泵供水能力，變頻控制的節電率不同，由表2可看出，配用電機額定功率越大，節電率越高。根據凍結工期的積極凍結期和維持凍結期，取鹽水泵在整個工期中的平均節電率為30%，工期300d、電費0.65元/度計算，可節約電費如下：

（110+132+160+185）kW×24h×300d×0.65元/度≈275萬元

由此可得，在不考慮節省管道泵節約下的設備費用和工期提前節約的工程運轉費用前提下，鹽水循環系統優化設計后，僅顧橋東回風井即可節約費用約382萬元，經濟效益非常可觀。

圖4　顧橋礦東回風井蒸發溫度、鹽水溫度及溫差變化圖

表2　鹽水泵變頻控制節電情況表

5　結論

凍結站鹽水循環系統經過節能優化設計，解決了系統鹽水供應不平衡，熱交換效率低，鹽水泵故障率高、壽命短等問題，提高了凍結施工制冷效率，縮短了工期，保證了工程質量，同時為施工企業節約了大量的設備費和電費。

［1］楊更社，奚家米.煤礦立井凍結設計理論的研究現狀與展望分析［J］.地下空間與工程學報，2010，6（3）：627-635.

［2］崔廣心，楊維好，呂恒林.深厚沖積層的凍結壁和井壁［M］.徐州：中國礦業大學出版社，1998.

［3］宋雷，楊維好，李海鵬.郭屯煤礦主井凍結法鑿井信息化監測技術研究［J］.采礦與安全工程學報，2010，27（1）：19-23.

［4］鄭曉亮，馬埒，胡業林.凍結站鹽水泵變頻節能系統設計［J］.建井技術，2008，29（3）：19-22.

［5］蘇靜明，洪炎，唐超禮.煤礦凍結鑿井凍結站鹽水流量智能控制系統研究［J］.煤炭工程，2012（10）：104-106.

［6］洪炎，蘇靜明，唐超禮，等.基于專家——模糊PID的凍結鑿井智能流量控制研究［J］.計算機工程與科學，2012，34（7）：166-171.

Brine Circulation System Energy Saving Optimization Design in Freezing Station

SHEN Hua-jun1，ZHENG Xiao-liang2，LI Zi-xiang1，QI Yan-qiu1
（1.China Coal Construction（Group）Corporation Ltd.，Hefei Anhui 230000，China；2.School of Electric and Information Engineering，Anhui University of Science and Technology，Huaina Anhui 232001，China）

In view of the situation of low efficiency of heat exchange，high equipment failure rate and serious energy waste，the energy saving optimization design of brine circulation system in freezing station is made.The pipeline pump is cancelled，a brine automatic balance device is added in the design to realize matching balance of brine in circulation system and improve the efficiency of heat exchange.Adopting frequency conversion control mode to regulate salt water pump drive motor speed control to control brine flow not only it can reduce the line pressure，make brine circulation more smoothly，but also can save a lot of electricity. Through field application，the brine circulation system in the optimization design has high heat exchange efficiency，refrigeration cooling speed，less failure，greatly shorten the time limit for a project，and its economic benefit is considerable.

freezing shaft sinking；brine circulation system；energy saving；optimization design

TB663

A

1004-5716（2016）02-0102-05

2015-02-10

沈華軍（1974-），男（漢族），江西湖口人，高級工程師，現從事煤礦凍結法設計及施工管理工作。