冀东某矿深井降温水源热泵系统的设计.pdf

收稿日期 2010-2-15 作者简介 黄春松 （1979～ ） ， 男， 硕士， 讲师； 唐山市新华西道 46 号河北理工大学建筑工程学院 （063009 ） ； E-mail hcs8975_cn 冀东某矿深井降温水源热泵系统的设计 黄春松 1 李晓辉 2 1 河北理工大学建筑工程学院 2 唐山市博汇建筑工程设计咨询有限公司 摘要 煤矿开采深度不断加深， 随之而来的热害问题越来越严重。本文对冀东某矿深井降温中所采用的水源热 泵系统设计过程进行了介绍， 重点对矿井内冷负荷计算进行了详细地说明， 并从经济性和环境效益方面与其他深 井降温方法进行了对比， 为类似环境下的降温设计提供有益思路。 关键词 热害治理 降温系统 冷负荷 水源热泵 Water-Source Heat Pump System Design in a Deep Mine in Jidong HUANG Chun-song1, LI Xiao-hui 2 1 College of Civil and Architecture Engineering, Heibei Polytechnic University 2 Tangshan Bohui Architectural Construction Engineering Design Counseling Co., Ltd. Abstract The deeper of mining depth becomes, the more heat-harm is in deep mining. An actual project in Jidong which adopted water-source heat pump system was introduced in this paper; the cooling load calculation of deep mine was introduced in detail. It is found that water-source heat pump system has the advantage of energy-saving and environment protection from the comparison of the economic and environmental benefits analysis between water-source heat pump system and other cooling systems in deep mine using similar the environmental. The results can provide a good idea to similar design of cooling. Keywords heat-harm fathering, cooling system, cooling load, water-source heat pump 1工程概况 冀东某矿业公司开采埋深在 -730m 以下的煤矿， 随着掘进巷道的不断开拓， 井下各生产开掘面的温度 也随之升高。工程之前该矿业分公司采用通风的措施 进行降温，即将主巷道温度降低的空气经过风机送至 开采工作面，但是降温效果不理想。回采工作面的温 度可达到 30℃左右，相对湿度几乎达 100，闷热异 常， 工人现场工作环境较为恶劣。 分析发现造成该矿井高温热害的主要因素有高 温岩层热、 采掘机电设备运转时的放热、 运输中的矿物 和矸石放热， 以及风流向下流动时自重压缩放热等[1]， 各种热源所占比例如图 1 所示。 图 1 各种热源所占比例 造成该矿井高湿的主要原因是该煤矿所处的煤系 地层共有三层主要含水层， 随着开采面积的逐渐增大， 文章编号 1003-0344 （2010 ） 05-97-4 第 29 卷第 5 期 2010 年 10 月 建 筑 热 能 通 风 空 调 BuildingEnergyEnvironment Vol.29 No.5 Oct. 2010.9799 矿井涌水量持续增加， 目前日涌水量在 10000 m3/d， 井 下水温在 26℃左右， 坑道水汇至井下水仓后由抽水泵 排至地面上。 2系统冷源的选择 防治矿井热害技术可分为非机械制冷降温技术 和机械制冷水降温技术， 后者为当前主要的方法。对 深井采用的机械制冷水降温方法较多， 在实际工程上 使用最多的是冰浆法和空调式降温技术。 冰浆法由制冰、 输冰和融冰三个环节组成。它在 矿井口附近建制冰机机房， 利用制冰机制出的颗粒状 或浆状 （冰水混合物） ， 通过风力或水力输送至井下融 冰池， 冰融化后， 供冷泵将池中 02℃的冰水通过管道 输送至采掘工作面， 采用空器冷却器或喷淋等方式散 冷， 降低工作面温度， 满足工作面要求[23]。优点是制冷 速度快， 效果好； 其缺点是工作面湿度大， 输冰管路易 堵塞， 系统复杂， 造价高， 运行费用高。 空调式降温技术法直接把矿井作为空调区， 冷源 采用常规的压缩式制冷机水冷式或直接蒸发冷却器， 制出的低温冷水通过风力或水力输送至井下， 通过空 气冷却器或喷淋， 在井下风道内制取冷风[4]。与冰浆法 相比， 其优点是使用设备较少， 造价低， 运行费用也少； 其缺点是工作面湿度大， 输冷管路长， 在矿井口附近 常常需要设置冷却塔或空气冷凝器。 由于该矿井存在 26℃左右日涌水量在 10000 m3/d 的坑道水，与冰浆法和常规的空调式降温法相 比， 使用水源热泵技术的优点更加突出。首先， 它无燃 烧设备， 无排烟污染， 不存在爆炸、 失火和中毒等安全 隐患； 此次， 采用 26℃左右坑道水作为机组的冷却水， 使得热泵在制冷工况中能处于较高效率点， COP 可达 5.3 以上， 从而节约了用电耗能， 具有良好经济效益； 另 外， 水源热泵系统构成简单， 占地面少， 可直接安装在 矿井下， 大大地减少了输冷管路。 3水源热泵的设计 3.1矿井负荷计算 该矿矿井作业面巷道情况如图 2 所示， 已知作业 面巷道内所需的风量为 15 m3/s， 部分井下掘进采区作 业面 （B-C 区域 ） 温度高达 30℃。按常规的方法来计算 出巷道的热、 湿量是极其困难的， 需要巷道的传热系 数、 蓄热率以及各个表面积大小等各项参数。 图 2 某矿作业面巷道示意图 原未进行降温时，实测 B 点温度为 28℃左右， 相 对湿度 98； C 点为 30℃左右，相对湿度几乎达 100。据矿井管理人员确认， B 点温度常年维持在 28℃左右， 回采工作面 （B-C 区 ） 最高温度可达 31℃。 根据 煤矿安全规程 规定， 回采工作面 （B-C 区） 设计温度宜取 26℃， 相对湿度为 90。 经与甲方商量， 决定在掘进采区巷道内 （B-C 之间 ） 布置一台的组合式 空调器，以达到降低送风温度目的。即组合式空调器 所需冷量包含两部分一部分为 B 状态点（温度为 28℃） 到 C 状态点 （温度为 26℃） 的冷负荷， 另一部分 为 B-C 区内所得的热量。处理过程和负荷计算如下。 图 3 在h－d图上湿空气状态变化 表 1 在h－d图上湿空气状态变化值 （1 ） 其中Q为制冷量， kW；ρ为空气密度， kg/m3；V为通 风量， m3/s。 经计算得Q1273kW；Q2262.44kW。 考虑到各设备（风机功率为 44kW ） 的发热量及处 理后通风降温后与采区巷道壁温的温差修正， 系统水 泵、 管道得热等情况， 故在原计算值上增加安全值K。 （2 ） 计算得Q608kW。 3.2 主要设备选型 矿井制冷降温的关键设备为制冷机组和空调机 组。制冷机组内的制冷剂选择了无毒副作用，且符合 2010 年建 筑 热 能 通 风 空 调98 煤矿安全生产要求的氟利昂 R22[57]。而空调机组需占 用井下部分硐室的面积， 该面积越小越好。考虑到实 际情况和经济性两方面， 实际设计需要处理的风量为 8m3/s， 其他 7m3/s 旁通后与之混合。 空调机组内表冷器 选用光管束作机芯， 机芯内设喷淋排管， 换热效率高， 可定期清洗光管外表面的积尘， 具有良好的防尘除尘 能力。其他主要设备如表 2。 表 2 主要设备表 3.3坑道水用量计算 制冷机组的制热量或制冷量与所耗功率之比称 为能效比， 即 COP （能效比， 性能系数） ， 它是表示制热 效率或制冷效率的能耗指标。坑道水需要量为 GlQ （11/COP ）/c/ △t（3 ） 式中Gl为夏季坑道水需要量， m3/h；Q为机组制冷 量； COP 为能效比；c为水的比热，取 4.18W/ kg K； △t为坑道水进出口温差。 制冷工况下坑道水利用温差为 7℃，系统冷负荷 为 608 kW， COP 取 5.3， 则可计算得Gl137 m3/h。以 全天 24 小时工作考虑， 则最大用水负荷为 3288 m3/d， 而该矿业公司矿井坑道水能够提供的水量为 10000 m3/d， 完全可以满足工程所需水量。 3.4系统原理图 最后得出的该矿井水源热泵设计原理如图 4。由 电能驱动压缩机， 使工质 （R22 ） 循环运动反复发生物 理相变过程， 分别在蒸发器中气化吸热、 在冷凝器中 液化放热， 使热量不断得到交换传递。其中冷水供回 水温度为 7/12℃， 冷却水供回水温度为 26/31℃， 升温 后的坑道水由原潜水泵排出。 1 水源热泵机组； 2 空调循环泵； 3 自动定压补水装置； 4 软水补水 箱； 5 自动软水装置； 6 除砂器； 7 坑道水循环泵； 8 空调机组 图 4 水源热泵系统原理图 4系统初投资与运行费用 根据 河北省建筑工程概算定额 、河北省建筑安 装工程概算定额 、河北省建设工程概算其他费用定 额 等为依据统计得出， 该矿业公司水源热泵系统初投 资为 353.7 万元。按照所有用电设备运行在额定参数 下， 总输入功率为 220kW， 每天耗电量为 5280kWh， 以 电费 0.8 元 /kWh 计算， 每天运行费用为 4224 元。 折合 到煤价， 每吨煤价增加 0.504 元。 针对该项目， 拟采用制冰机和水冷螺杆机组为冷 源， 三种方案的经济性与环境效益分析如下表[812]。 表 3 三种方案的经济性与环境效益分析 由上表可看出， 与冰浆法和常规的空调式降温法 相比， 采用了水源热泵系统可以大大节约初投资， 减少 运行费用。根据同样冷负荷乘以折算标准煤的参考系 数[11]后， 与采用制冰机相比， 可以减少二氧化碳排放量 1493 t/ 年， 可以减少二氧化硫排放量 14 t/ 年， 可减少 氮氧化物排放量 4 t/ 年， 有效地减少了对环境污染。 5结论 对冀东地区某矿业公司深井降温所采用的水源 热泵系统的矿井冷负荷计算、 系统设计、 初投资及运行 费用等进行了介绍。 与其他深井降温用冷源系统相比， 水源热泵环保、 初投资少、 运行费用低， 具有良好的社 会效益和经济效益。 参考文献 [1]李德忠, 李冰冰. 两淮矿区深井高温热害防治技术初探[J]. 中 国煤炭, 2008, 344 64-66 [2]栗兴华, 沈春明, 轩大洋, 等. 冰浆降温系统在解决矿井热害中 的应用[J]. 采矿技术, 2009, 91 91-93 [3]孙希奎, 李学华, 程为民. 矿井冰水冷辐射降温技术研究[J]. 采 矿与安全工程学报, 2009, 261 105-109 [4]李亚民.瓦斯发电余热制冷技术在煤矿热害治理中的应用[J]. 安徽建筑工业学院学报, 2009, 173 53-56 [5]冯兴隆, 陈口辉. 国内外深井降温技术研究和进展[J]. 云南冶 金, 2005, 345 7-10l （下转 88 页 ） 黄春松等 冀东某矿深井降温水源热泵系统的设计第 29 卷第 5 期99 （a ） 圆形纤维 （b ） 方形纤维 （c ） 三角形纤维 图 5 不同形状纤维过滤器内流速分布 （a ） 圆形纤维 （初始压降 0.029Pa ） （b ） 方形纤维 （初始压降 0.145Pa ） （c ） 三角形纤维 （初始压降 0.047 Pa ） 图 6 不同形状纤维过滤器在内流场分布 3结论 在选取圆形纤维直径与方形纤维边长与三角形 纤维边长相同的条件下， 选择相同的纤维排列， 造成过 滤器内填充度不同， 过滤器内静压沿着过滤器深度方 向线性变化， 填充密度越大， 初始压降也越大。而在相 同填充密度下， 纤维的形状也会很大的影响过滤器的 性能。通过对三种不同形状纤维过滤器内的计算流场 进行比较， 为改形纤维过滤器的研究提供初步模拟理 论基础。为更好的提高纤维过滤器的性能提供参考。 参考文献 [1]蔡杰．空气过滤器 ABC[M]．北京 中国建筑工业出版社, 2002 [2]中 华 人 民 共 和 国 信 息 产 业 部 ． 洁 净 厂 房 设 计 规 范 GBJ50073-2001[S]．北京 中国计划出版社, 2001 [3]Fernandez A, Wendt J O L, Wolski N, et al. 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