煤電聯合集中制冷降溫工藝的探索與設計

夏亮亮 連 濤 張 剛

（山東濟礦魯能煤電股份有限公司陽城煤礦，山東 濟寧 272502）

1 引言

陽城煤礦-500～ -650m 深度地溫26oC，-650m以下屬正常增溫區。隨著礦井向深部延伸，以及開采范圍的增大，由于多種熱源的綜合作用，導致陽城煤礦采掘工作面熱害十分嚴重，掘進工作面熱害更為嚴重。氣溫一般均超出《煤礦安全規程》的規定，局部地點氣溫高達34℃。在這樣的條件下工作，既危害了職工的身體健康，又影響礦井安全生產和勞動效率。

2 系統簡介

陽城煤礦井下集中制冷降溫系統工藝主要分為制冷工藝、散冷工藝、排熱工藝、補水工藝。

2.1 制冷工藝

制冷機組由一個主機撬塊和兩個輔機撬塊構成。一個輔機撬塊由一臺冷凝器和一臺蒸發器構成，布置形式為冷凝器在上、蒸發器在下，兩個輔機撬塊為并聯布置。三相異步電動機為制冷主機提供動力，帶動壓縮機運轉，壓縮機將蒸發器中流入的過熱氣態制冷劑（R22）壓縮為高溫高壓氣態制冷劑。同時，機組油路系統中的油泵將油噴出，一方面冷卻壓縮機，一方面還可以起到潤滑作用。此時，制冷劑和油的混合蒸汽進入油分離器。經過多次分離后，純凈的制冷劑蒸汽由油分離器排氣口進入冷凝器。在冷凝器內，制冷劑走殼程，冷卻水走管程。

在該系統中，冷卻水從地面通過管路送至井下的機組冷凝器內，因此，需要承受很高的水靜壓力，最高達8MPa。通過冷凝器內冷卻水的冷卻作用，高溫高壓氣態制冷劑冷凝為常溫高壓液態制冷劑。冷凝器內的制冷劑通過管路分別進入各自的膨脹閥內，節流泄壓后進入蒸發器內。在蒸發器內，制冷劑的蒸發作用產生低溫冷凍水，輸送至采掘工作面使用，通過空氣冷卻器冷卻風流，從而降低采掘工作面的風流溫度。蒸發為氣態的制冷劑再次進入壓縮機，形成一個完整的制冷循環。

2.2 散冷工藝

礦井降溫系統散冷工藝就是通過換熱器實現能量的轉移，即將制冷機組制取的冷量通過載冷介質（冷凍水）轉移給風流，風流的熱量轉移給載冷介質，從而實現風流溫度的降低。

降溫系統末端的散冷裝置為空冷器，制冷機組制取的冷凍水通過保溫管路送至各個末端空冷器，通過空冷器完成熱交換后，再通過保溫管路返回制冷機組，形成一個閉式的冷凍水循環系統。在空冷器中，冷凍水作為載冷介質在換熱管內流動，風流通過空冷器，與換熱管外表面接觸，從而實現與冷凍水的熱交換，溫度降低后的風流再送往工作面，達到改善工作面作業環境的最終目的。

在設計工況下，冷凍水通過末端空冷器管程，與通過空冷器殼程中的風流進行逆向對流換熱，冷凍水溫度升高，約3℃冷凍水升高至18℃左右，風流溫度由32℃降低至20℃左右。冷卻后的風流通過風筒，在局部通風機動力作用下，送往采掘工作面，與工作面的高溫風流進行摻混換熱，使得采掘工作面的風流溫度降低至28℃左右或者降溫幅度達到5℃及以上。

2.3 排熱工藝

陽城煤礦井下集中制冷降溫系統的排熱工藝為冷卻水從制冷機組冷凝器出水端出來，通過冷卻水回水管路通往地面，冷卻水回水管路與地面電廠冷卻水回水管路并聯對接，冷卻水匯合進入冷卻塔，熱量排至大氣中去。冷卻水供水管路與電廠冷卻水供水管路并聯對接，冷卻水從冷卻塔出來后從降溫系統冷卻水供水管路通往井下制冷機組冷凝器進水端，由于高差原因，冷凝器自身需要承受約7.5MPa的高壓（冷凝器最大承壓能力為16MPa）。冷卻水排熱溫度降低后再返回制冷機組，實現了冷凝熱的排放。

2.4 補水工藝

該系統中的冷卻水和冷凍水在循環過程中或多或少的都有一定程度的損失，因此需要定時給系統補水，確保系統的循環水流量。

系統補水工藝為降溫系統冷卻水循環管路與電站冷卻水循環管路并聯對接，循環冷卻水直接從電站冷卻水中得到補給，循環冷凍水從循環冷卻水管路中得到補給。來自地面高壓冷卻水通過與冷卻水回水管路連接的補水管路經過減壓裝置減壓進入補水箱中，再通過補水泵將水送入膨脹水箱。給膨脹水箱設定一個壓力值，當壓力值低于設定值時，自動給冷凍水管路系統補水，當壓力值高于設定值時，自動排水泄壓，從而實現定壓自動補水。

3 技術指標

（1）采煤工作面：最末端的空冷器距離采煤工作面進風口距離不超過100m 時，采煤工作面進風口風流干球溫度達到28℃或進風口風流干球溫度平均降幅達到5℃，相對濕度達到80%；

（2）掘進工作面：當送風距離≤500m 時，掘進工作面風流干球溫度達到28℃或降溫幅度達到5℃，相對濕度達到80%；

（3）空冷器進出風流溫度：當空冷器進風干球溫度為30～33℃時，空冷器出風干球溫度可降至18～21℃。

4 采掘工作面參數測定

目前井下采掘工作面末端運行的空冷器為6臺，分別在3303 采煤工作面軌道順槽2 臺、在3306 皮帶順槽入口2 臺、-920 軌道大巷2 臺。

3303 采煤工作面軌道順槽空冷器布置及參數測點選取如圖2 所示。

圖1 空冷器布置及參數測定點選取示意圖

根據圖1所示選取的測點，連續測2d，每天3班，每班測1 組，共6 組數據，取平均值。3303 采煤工作面降溫后參數測定結果如表1 所示。

表1 3303 采煤工作面降溫后參數測定結果

5 3303 采煤工作面降溫效果分析

3303 采煤工作面依次選取軌道順槽1#空冷器入風口、1#空冷器出風口、2#空冷器入風口、2#空冷器出風口、風筒出風口、工作面入風口、工作面回風口和3303 皮帶順槽回風口8 個測點。1#空冷器入風口風流溫度為31.7℃，經過2 臺空冷器階梯式冷卻，溫度降低至15.3℃，降溫幅度為16.4℃。經風筒送至3303 采煤工作面，風筒出風口溫度升高至21.8℃，濕球溫度為20.3℃，相對濕度為86.8%；風流從風筒向外射出，膨脹吸熱，風筒外界環境達到降溫降濕的效果，至3303 采煤工作面入風口干球溫度24.7℃，濕球溫度為22.2℃，相對濕度降為79.8%；再經過采煤工作面至回風口溫度升高至27.5℃，濕球溫度為28℃，相對濕度為96%；風流達到3303 皮帶順槽回風口時干球溫度達到30.9℃，濕球溫度達到30.4℃，相對濕度為96%。從工作面入口至回風口，再到皮帶順槽回風口，為一個升溫加濕的過程，呈“冷-舒適-悶熱”的變化趨勢，工作面段基本上處于舒適的環境中。各測點溫度變化情況如圖2 所示。

圖2 3303 采煤工作面降溫效果分析

6 結論

3303 采煤工作面經空冷器冷卻后，風流溫度由30.7℃降低至15.3℃，溫度降幅為16.4℃。降溫后的實測參數均達到了設計要求，改善了現場作業環境。