ZLS-3300 制冷裝置在井下集中降溫系統中的應用

張習軍

1瓦斯災害監控與應用技術國家重點實驗室 重慶 400037

2中煤科工集團重慶研究院有限公司 重慶 400037

我 國已探明的煤炭資源儲量中約有一半埋深超過千米，且我國煤礦每年平均往深部延伸 8～12 m，開采深度超過 800 m 的煤礦有 200 余處，其中超過 1 000 m 的有 47 處，最深的已達到 1 500 m[1]。生產設備散熱和深部開采，加重了井下的高溫熱害。開采深度超過 800 m 時，采掘工作面干球溫度將達到或超過 30 ℃[2]，采取機械制冷降溫措施是解決高溫熱害最為有效的手段。

霄云煤礦開采深度已超過 800 m，為解決采掘工作面的高溫熱害問題，設計了 1 套井下集中制冷降溫系統，該系統核心設備為 ZLS-3300 制冷裝置。筆者以 ZLS-3300 制冷裝置在霄云煤礦井下集中制冷降溫系統中的應用為例，分析其應用效果。

1 礦井概況

霄云煤礦于 2008 年底開工建設，2013 年 7 月正式投產，設計年生產能力為 90 萬 t。礦井所在地區平均地溫梯度為屬地溫正常區。礦井井口標高 +40 m，井底標高 -790 m，主采水平采掘工作面標高位于 -650～-790 m，原始巖溫超過 37 ℃，為二級熱害區。夏季生產期間采掘工作面干球溫度均超過30 ℃，最高達到 33 ℃，相對濕度最高達到 95%，屬于三級熱害礦井，必須采取有效的降溫措施，否則應停止作業[3]。

2 ZLS-3300 制冷裝置

ZLS-3300 制冷裝置是模塊化結構，核心部件由壓縮機、冷凝器、膨脹閥和蒸發器組成。單臺制冷功率為 3 300 kW，富裕度不小于 10%，冷凝器水側能夠承受 16 MPa 的高壓，蒸發器水側能承受 6.4 MPa 的高壓，模塊化的結構和緊湊的布局便于運輸與安裝。ZLS-3300 制冷裝置壓縮機采用礦用隔爆型三相異步電動機和礦用隔爆型安全電控設備以滿足煤礦井下使用要求。ZLS-3300 制冷裝置基本參數如表 1 所列。

表1 ZLS-3300 制冷裝置技術參數Tab.1 Technical parameters of ZLS-3300 refrigeration device

3 降溫系統工藝設計及設備選型

3.1 需冷量計算

霄云煤礦生產為 -790 m 水平的一采區，二采區是接續采區，布置掘進工作面。正常生產條件下，布置 2 個采煤工作面和 6 個掘進工作面，具體情況如表2 所列。

表2 采掘工作面基本情況Tab.2 Basic situation of working face

取干球溫度和相對濕度的最高值作為降溫熱力參數值，降溫后的干球溫度和相對濕度的目標值分別取28 ℃、80%，以此計算采掘工作面降溫需冷量[5]，冷量損失按總需冷量 20% 考慮，降溫系統需冷量如表 3所列。

表3 降溫系統需冷量Tab.3 Cooling capacity of cooling system kW

3.2 主要設備選型

根據表 3 計算結果，對制冷裝置和空冷器進行選型，如表 4 所列。選擇 2 套 ZLS-3300 制冷裝置，總制冷量為 6 600 kW，較表 3 計算的總需冷量 6 270 kW有 5% 的富余量，選型滿足要求。

3.3 降溫系統工藝設計

霄云煤礦井下集中制冷降溫系統工藝由冷卻水循環系統、冷凍水循環系統和補水系統構成。降溫系統工藝如圖 1 所示。

冷卻水循環系統由冷卻水循環泵、冷凝器、冷卻塔、冷卻水池等構成。地面冷卻水循環泵將水池中的水通過冷卻水供水管路送往井下制冷裝置冷凝器，進水溫度約為 32 ℃，在冷凝器中吸熱后，出水溫度約為 40 ℃，經冷卻水回水管路進入地面冷卻塔，降溫后回到冷卻水池。

表4 制冷裝置和空冷器選型Tab.4 Model selection of refrigeration device and air cooler

圖1 井下集中制冷降溫系統工藝流程Fig.1 Process f low of centralized cooling system in underground mine

冷凍水循環系統由蒸發器、空冷器、冷凍水循環泵等構成。從制冷裝置蒸發器出來的約 3 ℃ 的冷凍水經冷凍水供水管路送往采掘工作面空冷器，與風流進行對流換熱后，冷凍水溫度升高至 15 ℃ 左右，再經冷凍水回水管路返回制冷裝置蒸發器，蒸發器進水溫度升高至 18 ℃ 左右。

補水系統分為地面補水系統和井下補水系統。地面補水系統補水源來自工業用水，通過軟化水裝置軟化處理后，進入冷卻水池，補水量為井下補水系統采用定壓自動補水原理，在冷卻水回水管路和冷凍水供水管路之間安裝減壓閥組、補水箱和補水泵。由冷卻水回水管路取補水點，高壓冷卻水經減壓閥組減壓后壓力降至 0.6 MPa，低壓水進入補水箱，再通過補水泵補入冷凍水供水管路中，根據冷凍水供水管路壓力變化，實現定壓自動補水。

4 降溫效果分析

1308 采煤工作面在軌道順槽安裝 4 臺空冷器，相鄰 2 臺空冷器間距 200 m，離工作面最近的空冷器距進風口 200 m，如圖 2 所示。

圖2 1308 采煤工作面測點布置Fig.2 Arrangement of testing points on coal-mining face 1308

圖3 1308 采煤工作面降溫效果Fig.3 Cooling effects of coal-mining face1308

圖4 1308 采煤工作面降濕效果Fig.4 Dehumidif ication effects of coal-mining face1308

1308 采煤工作面降溫前后降溫效果如圖 3 所示，降濕效果如圖 4 所示。空冷器入風口風流干球溫度為 30.5 ℃，經過 4 臺空冷器階梯式冷卻，干球溫度降低至 16.8 ℃，降溫幅度為 13.7 ℃。風流經風筒送至 1308 采煤工作面，風筒出風口干球相對濕度為70%，溫度升高至 17.4 ℃；風流從風筒向外射出，至1308 采煤工作面入風口干球相對濕度為 74%，溫度升高至 22.5 ℃，回風口干球相對濕度為 78%，溫度升高至 27.3 ℃；風流達到工作面回風口 100 m 時，干球相對濕度為 88%，溫度達到 29.5 ℃，工作面段基本上處于人體舒適的環境中。

5 結語

ZLS-3300 礦用隔爆型制冷裝置適用于大采深礦井的井下集中降溫。使用該設備進行高溫熱害防治，具有制冷量大、承壓高、結構緊湊的特點。霄云煤礦井下集中制冷降溫系統以 1308 工作面為例設計和配置降溫設備。方案實施后，整個工作面工作區處于人體舒適的環境中，降溫效果明顯，超溫問題得到有效解決，實現了回風口干球溫度不超過 28 ℃，相對濕度不超過 80% 的目標。