阳城煤矿井下集中降温系统.pdf

Vol.49No.2 Feb. 2018 第 49 卷第 2 期 2018 年 2 月 Safety in Coal Mines 随着浅部煤炭资源的逐渐减少甚至枯竭，地下 开采的深度越来越大[1]， 矿井进入深部开采后， 普遍 面临着高温热害的问题[2-3]。阳城煤电位于山东省济 宁市汶上县西北约 20 km 的郭楼镇， 阳城煤矿采掘 工作面热害十分严重，尤其是掘进工作面热害更为 严重。2012 年已经建立了的 2 套局部制冷降温系统 远远不能解决实际问题，建立集中式制冷降温系统 对全矿井全面降温就显得十分必要[4]。在集中式制 冷研究方面， 有关学者进行了许多较为详细的研究 [5-13]， 但对井下集中降温系统研究， 并开发井下集中 制冷机组的报道上属空白，在我国深部矿井比较集 中的山东地区， 热害尤为严重， 全国深部矿井总产 能为 2．98 亿 t， 山东占比为 21．03％[14]。因此， 对井下 集中降温系统研究和阐述，并在山东进行实践检 验， 具有较大的经济和社会意义。 1冷负荷确定 计算矿井采掘工作面降温所需冷负荷是高温矿 井热害防治设计的前提， 根据 GB 504182007 煤 矿井下热害防治设计规范 和 MT/T 11362011 矿 井降温技术规范的规定，首先对阳城煤矿采掘工 作面降温所需冷负荷进行计算。热害矿井下的冷负 荷的计算通常只计算采、掘工作面和硐室等需冷点 的制冷量，该条件下巷道风流高差一般不大，风流 量流速也比较稳定，如果再忽略风机对风流的影 响， 则冷负荷应按照式 （1） 计算[15] Q冷＝G （h2-h1） ∑Q′（1） 式中 Q冷为需冷点的冷负荷， kW； G 为需冷处 的风量质量流量， kg/s； h1为需冷处达到降温目标对 应的焓， kJ/kg； h2为需冷处风流的焓， kJ/kg；∑Q′为 需冷点最大热负荷， kW。 根据式 （1） ， 结合阳城煤矿采煤工作面配风量为 1 000 m3/min，掘进工作面配风量为 300 m3/min， 设 定目标温度为 28 ℃， 目标相对湿度为 80％， 按夏季 生产期间最高温度 34℃， 最高相对湿度 100％， 以及 其他相关数据， 因计算过程比较复杂， 故省略过程。 DOI10.13347/ki.mkaq.2018.02.028 阳城煤矿井下集中降温系统 姬建虎 1， 2， 丁希阳3， 张习军1， 2， 闫洪远1， 2， 刘俊杰1， 2， 董浩民1， 2 （1．瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室， 重庆 400037， 2．中煤科工集团重庆研究院有限公司， 重庆 400037； 3．山东济矿鲁能煤电股份有限公司 阳城煤电， 山东 济宁 272502） 摘要 为彻底缓解阳城煤矿井下热害问题， 研究和建立了集中降温系统， 对多个子系统进行了详 细研究和设计。 研制开发出 ZLS3300/10000 井下集中制冷机组， 成功将地面电厂 “循环冷却水系统” 与井下集中制冷降温 “循环冷却水系统” 有效的结合起来， 简化了系统工艺， 降低了工程投资。 关键词 矿井热害； 集中降温； 降温系统； 制冷机组； 循环冷却水系统 中图分类号 TD727文献标志码 B文章编号 1003－496X （2018） 02－0103-04 Centralized Cooling System in Yangcheng Coal Mine JI Jianhu1,2, DING Xiyang3, ZHANG Xijun1,2, YAN Hongyuan1,2, LIU Junjie1,2, DONG Haomin1,2 （1.National Key Laboratory of Gas Disaster Detecting, Preventing and Emergency, Chongqing 400037, China;2.China Coal Technology and Engineering Group Chongqing Research Institute, Chongqing 400037, China;3.Yangcheng Coal Mine, Shandong Jining Sources of Energy Development Group Co., Ltd., Jining 272502, China） Abstract In order to relieve the underground heat harm problems of coal mine, we systematically study and set up a centralized cooling system and study and design several subsystems in detail. We developed ZLS3300/10000 underground centralized refrigeration units, successfully combined ground power plant“re-circulating cooling water system”and underground centralized cooling“circulating cooling water system”effectively, which simplified the process of the system and reduced the engineering investment. Key words heat damage of mine; centralized cooling; cooling system; refrigeration unit; re-circulating cooling water system 103 第 49 卷第 2 期 2018 年 2 月 Safety in Coal Mines Vol.49No.2 Feb. 2018 经计算采煤工作面 Q冷采为 1 500 kW、 Q冷掘为 350 kW。根据实际情况， 阳城煤矿井下集中制冷降温系 统按 2 个采煤工作面 6 个掘进工作面设计，则采掘 工作面总的需冷量为 5 100 kW， 根据 矿井降温技 术规范 和 煤矿井下热害防治设计规范 的规定， 考虑冷损和备用， 在总需冷量基础上乘以 1．2， 则为 6 120 kW， 阳城煤矿井下集中制冷降温系统将以该 冷负荷作为设备选型和研究的依据。 2井下集中降温系统设计 根据阳城煤矿实际情况，该井下集中制冷降温 系统的工艺流程分为冷却水循环、冷冻水循环、 补 水、 散冷和排热系统。 1） 冷却水循环系统。由于阳城煤矿地面有现成 的电厂冷却塔，总水流量 2 万 m3/h，因此该方案采 用地面电厂冷却塔排热，省去了新建冷却塔的费 用。制冷主机冷凝器排出的约 40 ℃的热水， 借助冷 却水泵的动力，由管路输送至地面，通过地面电站 冷却塔散热后，进入地面过滤站，处理过的冷却水 被送往井下制冷机组冷凝器，冷却后回水温度约为 31 ℃。此时， 要求冷凝器能够承受来自地面高压水 的压力， 冷凝器水侧承压最高为 16 MPa。 2） 冷冻水循环系统。制冷主机布置在制冷硐室 内， 由制冷主机蒸发器出来的约 3 ℃的冷水， 借助冷 冻水泵动力，通过保温管路送至系统各末端，通过 末端的空冷器进行换热，冷冻水回水温度约升高至 18 ℃，再通过另一趟保温管路返回制冷主机蒸发 器， 循环制冷。 3） 末端散冷系统。冷冻水通过末端空冷器管 程，与通过空冷器壳程中的风流进行逆向对流换 热， 冷冻水温度升高， 约 3 ℃冷冻水升高至 18 ℃左 右， 风流温度由 32 ℃降低至 20 ℃左右。 冷却后的风 流通过风筒，在局部通风机动力作用下，送往采掘 工作面，与工作面的高温风流进行掺混换热，使得 采掘工作面的风流温度降低至 26 ℃左右或降温幅 度达到 5 ℃及以上。 4） 补水系统。该系统中的冷却水和冷冻水在循 环过程中或多或少的都有一定程度的损失，故需要 定时给系统补水，确保系统的循环水流量。采用自 动补水的方式进行补水，依靠系统中的水压力， 利 用电动阀门控制补水管路，通过程序设定电动阀门 的开启和关闭时间， 向系统中定时定量补水。 该制冷系统制冷机组安装在井下硐室，通过管 道集中向系统各末端供冷水，地面排热，冷冻水供 水管道相对较短。 3主要设备选型 3．1 制冷机组 选择中煤科工集团重庆研究院研制的高压模块 化的井下集中制冷机组，型号为 ZLS3300/10000， 单 机制冷量 3 300 kW， 主要参数为 ①制冷量3 300 kW； ②蒸发温度0 ℃； ③冷凝温度44 ℃； ④蒸发 器进/出水温度18/3 ℃；⑤冷凝器进/出水温度 31/40 ℃； ⑥冷却水循环最大工作压力16 MPa。根 据需冷负荷为 6 120 kW，因此需选用制冷机组 2 套， 故方案确定制冷站冷负荷为 6 600 kW。 3．2空冷器 空冷器是降温系统的末端换热设备，空冷器的 选型需要根据采掘工作面降温所需要的冷负荷来确 定， 采煤工作面的需冷量为 1 600 kW， 掘进工作面 的需冷量为 350 kW。因此， 采煤工作面可配置中煤 科工集团重庆研究院有限公司生产的 4 台 400 kW 空冷器， 掘进工作面可配置 1 台 400 kW 空冷器。 1） 采煤工作面空冷器布置。为使采煤工作面的 回风风温降至 26 ℃， 回采面的冷却点采用多点连续 降温方式， 分散进行设置， 采煤工作面空冷器布置示 意如图 1。 2） 掘进工作面空冷器布置。掘进工作面空冷器 安装在局部通风机后面，掘进工作面空冷器布置示 意图如图 2。 3．3水泵 根据单台机组确定的冷却水流量为 398 m3/h， 则 2 台机组的冷却水总流量为 796 m3/h，根据系统 总流量， 则冷却水循环主管路管径 （内径） 为 图 1采煤工作面空冷器布置示意 104 Vol.49No.2 Feb. 2018 第 49 卷第 2 期 2018 年 2 月 Safety in Coal Mines D L 0.7853 600V姨 式中 D 为冷却水循环主管路管径， m； L 为所求 管段的水流量， 796 m3/h； V 为所求管段允许的水流 速， 这里选择经济流速 2 m/s。 计算得出 D＝0．375 m， 根据管材型号的就近原 则， 选择 DN350 （D377） 的无缝钢管， 钢管的厚度视 各管段承压情况选择适当的厚度。 同理， 根据管道流量、 经济流速之间的关系， 根 据制冷系统设计，确定冷却水循环管路的管道规格 （表 1） 。 冷却水管路损失计算应选择降温系统服务年限 内 1 条最长管路进行计算，阳城煤矿制冷硐室位 于－650 m 水平， 由于井下集中制冷降温系统制冷硐 室位置是固定的，因此冷却水管路的布置也是固定 的，不会随着采掘工作的更替而发生变动。根据阳 城煤矿井下集中制冷降温系统设计，统计各管段的 长度、 各类阀门的个数， 弯头个数等， 并考虑备用系 数， 计算可得扬程为 190 m， 冷却水流量按 400 m3/ h，则冷却水泵选型为 MD450－604，水泵设计为 2 用 1 备。 同理， 冷冻水泵扬程计算结果为 215 m， 加上设 备的压力降，水泵按 300 m 扬程选取，流量按 190 m3/h， 则水泵可选择 MD200－506， 水泵 2 用 1 备。 3．4供配电 阳城煤矿井下集中制冷降温系统电气设备分井 上和井下 2 部分，井上井下单独供电。制冷硐室机 房供电就近引自井下中央变电所，其中 ZLS3300/ 10000 制冷机组的供电电压为 10 kV， 井下水泵等设 备的供电电压均为 660/1 140 V。地面冷却塔水泵、 冷却水循环泵的电压等级采用 660/1 140 V。 3．5监测监控系统 阳城煤矿按现代化矿井建设，全矿建立综合自 动化控制系统，要求矿井各主要生产环节都将实现 计算机控制。矿井制冷降温系统作为重要的组成部 分，要求制冷降温系统的电控系统应能实现自动控 制， 并在自动控制方式下可以遥控。 阳城煤矿采用井下集中式降温系统，控制系统 要求对整个系统各个环节的相关参数进行监测， 对 各电气设备进行自动控制，完成整个系统的协调运 行和保护功能。井下制冷机组自带控制系统可以完 成对机组自身及相关辅助设备的监测监控，并留有 数据上传的总线通讯接口。系统设有系统自动、 系 统手动、 就地 3 种控制方式。 4调试及效果检测 4．1系统调试 调试程序为冷却水、冷冻水循环管路冲洗和打 压→冷却水、冷冻水管路与制冷机组合茬→电气设 备、 控制台、 制冷机组 PLC 控制柜调试→冷却水泵 及冷却水循环系统调试、运行→补水系统调试、 运 行→冷冻水泵及冷冻水循环系统调试、运行→制冷 机组调试、 运行→参数测定→编写调试、 运行报告。 PLC 控制柜启动按钮， 启动油泵和压缩机， 制冷机组 运行。机组开机采用手动控制模式，待机组运行稳 定后改为手动＋自动模式。 4．2机组制冷量检测 考核制冷该装置制冷量技术指标为 3 000 kW， 而制冷机组设计额定制冷量为 3 300 kW。 要测定机 组的额定制冷量，需要确保制冷机组在额定工况下 运行， 通过调试， 记录的 1 组制冷机组接近额定工况 的运行参数记录见表 2。 通过调试运行记录分析， ZLS－3000/10000 额定 制冷量达到 3 600 kW， 远远超过了项目规定的技术 指标要求。 4．3采掘工作面效果检测 为了对采掘工作面的降温效果进行检测，对 3 个掘进工作面、 1 个采煤工作面的降温前后的温度 进行了测定，掘进工作面温度测点降温前后效果对 图 2掘进工作面空冷器布置示意图 冷却塔连接管 地面冷却水主管 井筒冷却水主管 井底冷循环主管 井底冷循环支管 DN300 （准3258.5 ） DN350 （准37712 ） DN350 （准37724 ） DN350 （准37716 ） DN250 （准27312 ） 50 300 3 256 606 30 管段规格长度 /m 表 1冷却水循环管路的管道规格 105 第 49 卷第 2 期 2018 年 2 月 Safety in Coal Mines Vol.49No.2 Feb. 2018 比可知， 3 个掘进工作面降温幅度分别达到 7．8、 6．4、 11．6 ℃。采煤工作面温度测点降温前后效果对 比可知，其 3 个测点的降温幅度分别达到 16．4、 11．4、 6．1 ℃。 5结语 1） 阳城煤矿将井下集中制冷降温系统分为制冷 系统、 输冷系统、 散冷系统、 排热系统、 水处理及补 水系统、 监测监控系统、 供配电系统等多个子系统， 并进行单独设计。 2） 开发出矿用防爆型 3 300 kW 井下集中制冷 装置。以最大程度节省空间为原则，对于制冷装置 各部件的连接管路等进行优化设计，使整体结构紧 凑、 美观， 其最大制冷量可达到 3 600 kW。 3） 成功将地面电厂 “循环冷却水系统” 与井下集 中制冷降温 “循环冷却水系统” 有效的结合起来， 简 化了系统工艺， 降低了工程投资。 参考文献 ［1］ 谢和平， 周宏伟， 薛东杰， 等．煤炭深部开采与极限开 采深度的研究与思考 ［J］ ．煤炭学报， 2012， 37 （4） 535－542． ［2］ 何国家， 阮国强， 杨壮． 赵楼煤矿高温热害防治研究 与实践 ［J］ ．煤炭学报， 2011， 36 （1） 101－104． ［3］ He Manchao． Application of HEMS cooling technology in deep mine heat hazard control［J］ ． Mining Science and Technology, 2009, 19 （3 ） 269-275． ［4］ 王来彬， 郭玉印．阳城煤矿掘进工作面强化通风降温 研究与应用 ［J］ ．水力采煤与管道运输， 2012 （1） 17． ［5］ 辛嵩， 付会龙， 闫显运．井下集中式降温系统设计新思 路 ［J］ ．煤矿安全， 2012， 43 （3） 60－63． ［6］ 吴继忠， 刘祥来， 姚向东， 等．孔庄煤矿集中降温方案 的选择与优化 ［J］ ．中国工程科学， 2011， 13（11） 59． ［7］ 宝海忠， 姜云， 居伟伟．金属矿山深部开采水冷集中降 温实践 ［J］ ．现代矿业， 2015 （10） 180－186． ［8］ 鄢利．地面集中降温系统在济三煤矿的应用 ［J］ ．山东 煤炭科技， 2017 （1） 99－101． ［9］ 付斌， 李浪， 曾明明．矿井集中降温系统末端空冷器布 置方式及降温效果研究 ［J］ ．制冷与空调， 2011， 11 （3） 83－85． ［10］ 易欣， 王振平， 冯小平， 等．全风量井口降温技术在赵 楼煤矿热害治理中的应用 ［J］ ．中国煤炭， 2014（9） 125－129． ［11］ 张枕薪， 丁勇军， 王宝齐．赵楼煤矿井下热环境特性 分析与机械降温设计 ［J］ ．煤矿安全， 2012， 43 （9） 190－193． ［12］ 王永胜， 王保齐， 于晓波．集中式机械制冷系统在矿 井热害治理中的应用 ［J］ ．煤矿安全， 2011， 42 （5） 96－99． ［13］ 王保齐， 郭念波．矿井全风量降温技术研究与工程实 践 ［J］ ．中国安全生产科学技术， 2016， 12（S1） 57． ［14］ 蓝航， 陈东科， 毛德兵．我国煤矿深部开采现状及灾 害防治分析 ［J］ ．煤炭科学技术， 2016， 44 （1） 39－46． ［15］ 姬建虎， 廖强， 胡千庭， 等．热害矿井冷负荷分析 ［J］ ． 重庆大学学报， 2013， 36 （4） 125－131． 20.78 21.88 22.48 26.21 26.25 26.25 26.27 蒸发器入口 温度/℃ 7.70 9.01 10.21 13.83 14.46 15.15 15.72 蒸发器出口 温度/℃ 冷冻水流 量/m3 h-1 能量 位置/ 241 243 247 252 252 252 256 99 96 92 90 77 71 55 电流 /A 63 59 56 54 47 45 39 制冷量 /kW 677 3648 3535 3639 3466 3263 3150 表 2制冷机组接近额定工况的运行参数记录 作者简介 姬建虎1978,山西晋城人， 副研究员， 博 士,2014 年毕业于重庆大学,主要从事热害治理研究。 （收稿日期 2017－06－01； 责任编辑 李力欣） 106