礦用半自動螺桿壓縮機冷卻裝置的研制及巷道應用實例

張小勇

（陽煤三礦生產調度指揮中心綜采四隊， 山西 陽泉 045000）

1 世界范圍內礦用冷卻裝置使用概況

我國主要地區煤礦熱量產生的原因包括增加開采深度時的巖石溫度，以及大型機電設備的散熱。為地下工作提供適當的工作環境首先應采用傳統的非機械冷卻方法來緩解問題，例如增加通風率、改變采礦方法和通風模式等。一旦這種傳統方式失效，機械冷卻方式必然將成為主要方式。西方國家擁有發達的采礦業，如美國、德國、英國、澳大利亞、波蘭、南非等國家對深井風冷進行了研究并制定出各種形式的機械冷卻系統，帶來了良好的效果。例如，在美國地面集中冷卻系統（冷卻和散熱均已完成），地下礦井（冷卻和散熱在地下礦井完成）以及混合使用（地下散熱完成冷卻，地面散熱）時，根據機械冷卻散熱位置的不同，系統也不盡相同，每個冷卻系統可以據具體情況采取幾種特定的形式。德國的礦山冷卻方法是在地面或地下礦井布置具有大的冷卻能力的制冷站，依托其發達的工業設備制造業，提高了盡可能多的冷卻站中每個冷卻單元的冷卻能力，以補償冷卻損失并釋放系統在地面產生的冷凝熱量。澳大利亞的采煤方法中長壁采礦最常使用，而U型或Y型通風用于工作面，他們的礦山冷卻方法在德國人的影響下，通過由設置在道路上的空氣冷卻器（包括冷卻器）分開或逐漸冷卻空氣流組成進氣，并返回在工作面和地面上的集中冷凍水冷卻系統。南非礦山的挖掘深度很大，平均在3 000～5 000 m之間。很多工程師對它進行了相關的各種熱源分析研究，包括降溫測定等負載、礦井局部空冷、地面和地下集中冷卻、冰冷系統、相關輔助設備和計算機模擬軟件等。

目前，我國煤礦伴熱傷害的技術和設備基本上與上述國家相同。例如，山東省趙樓煤礦需要不同的階段使用地面系統噴水和地下集中式冷水冷卻系統；安徽省丁集和潘集煤礦集中冷卻加熱和電力系統（CCHP）；河南省平煤集團四礦煤礦采用移動空調系統來處理零件和冷卻系統對于使用低溫冰箱的加熱；江蘇省三河尖煤礦部署采用礦山的HEMS深部礦井風冷系統流入水作為冷卻源。所有這些都得到了很好的冷卻效果。

然而，與發達國家采礦業的情況不同，我國煤礦降溫面臨的主要問題是缺乏關鍵和核心設備（如本地制冷單元、大型防爆制冷單元等）。無論大尺寸集中式空氣冷卻系統或靈活使用的小型移動式局部空氣冷卻系統，都需要這種關鍵和核心設備發展的重大突破。

2 ZL400制冷機組的開發

2.1 工作原理

與普通地面制冷機組一樣，ZL400礦山制冷機組的冷卻裝置用壓縮機、蒸發器、冷凝器等完成整個制冷循環，膨脹閥和循環制冷劑吸收過量熱量后不久，氣體制冷劑被壓縮機壓縮成高溫高壓的氣體，然后轉移到冷凝器中，在50℃冷凝成液體。由此釋放的熱量被冷凝器中循環的冷卻水帶走。之后，冷卻的制冷劑被減壓并通過膨脹閥進入蒸發器，在那里變成低溫氣體（從0～10℃），吸收水或空氣流過的多余熱量實現冷卻目標。然后這種氣體制冷劑再次被傳送到壓縮機，從而實現封閉制冷循環“壓縮→冷凝→節流→蒸發”。

ZL400礦山冷卻裝置的主要特點是冷卻和散熱過程在地下礦井完成。冷卻裝置使用返回空氣或噴涌放熱水。但是，要解決熱介質在夏季達到高溫的問題，它被設計成一個在高冷凝溫度下運行的熱泵機組，流量大，工作溫差小，用水帶走熱量。它使用R22作為循環制冷劑，設計用于在0℃（冷凝溫度）下蒸發53℃，過熱溫度5℃，過冷卻溫度5℃。根據制冷劑的物理性質，然后可以找到并確定與狀態點對應的參數，選擇合適的工質[1]。

2.2 冷卻裝置結構

冰箱體由半封閉式螺桿制冷壓縮機組成，殼管式冷凝器、熱力膨脹閥、過濾干燥器、集油器及相關調節裝置閥門等。整個機器為小尺寸可以方便轉向。密封螺桿式壓縮機穩定運行并防止制冷劑泄漏。完全自我保護機制使復雜環境具有很強的適應性。ZL400冷卻裝置如圖1所示[2]。

ZL400冷卻裝置中的本地空調系統可分為兩部分：蒸發器直接和間接地冷卻氣流制冷設備，蒸發器將冷卻水供應給閘門道路和長壁空氣冷卻器，前者主要由ZF400制冷機組直接冷卻蒸發器、再冷卻器、監控系統（如PLC等）以及必要的配件；后者由ZL400制冷機組、間接冷卻蒸發器、空冷器、再冷卻器、監控系統組成（如PLC等）和必要的附件。

3 ZL400制冷單元優勢分析及現場應用

1）三個階段“四個組件”（排除蒸發器）在冷卻裝置的冷卻工作循環過程是其主要組成部分。由于蒸發器是與其身體分離，其體積減小，因此更容易移動安裝。而且，這種分離表明需要配備不同的蒸發器，該單元可以作為制冷系統直接冷卻氣流直接作用，以及間接作用制冷系統來冷卻制冷介質如水，從而滿足不同具體條件的要求[3]。

2）與活塞式壓縮機不同，冷卻裝置采用螺桿式壓縮機。如螺桿式壓縮機是半密封的，制冷劑泄漏等問題，液體可以避免發生在活塞式壓縮機中的撞擊。在世界各地的礦山冷卻應用中這是一個開創性的工作。

3）制冷機組的部件——壓縮機、蒸發器和冷凝器，采用模塊化設計，因此可以一個一個地拆除并運入地下礦山。這適用于我國南部經常發生熱損傷的地區，對中國北方大型和現代礦山也具有優勢。該單位擁有體積小、移動方便、安裝簡單、操作方便、靈活性和適用性廣泛等特點。

圖1 ZL400冷卻裝置及配套裝置圖

為了檢測ZL400冷卻單元的性能，建立了一個檢測平臺地面，主要用于檢測當地空調系統性能完整的設備和工廠，并提供技術支持升級現有設備并開發用于本地空調的新型系統。該平臺有四大部分：制冷系統、數據采集系統、PLC控制和保護系統以及供電和配電系統。它能夠檢測冷卻能力低于500 kW并且完成的礦井冷卻系統的性能設備。該平臺主要用于測試冷卻裝置在不同的工作條件下的運行穩定性和冷卻效果。